飛思卡爾終端節(jié)點通訊解決方案

本文旨在介紹本地互聯(lián)網(wǎng)（LIN）這種低成本的串行通訊協(xié)議，它主要用于汽車的分布式電子系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)的車輛概念中。 車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)解決方案 新技術(shù)為車輛帶來的眾多改變之一就是電子零部件的不斷增加，同時，帶有多種傳感器、執(zhí)行器、電子控制器的高級控制系統(tǒng)也對車用通訊技術(shù)提出了巨大需求。顯而易見，這些需求只能通過使用這種網(wǎng)絡(luò)解決方案來滿足，因為車內(nèi)環(huán)境各不相同，所以，本文將介紹三種能滿足成本、安全性和通訊速度需求的主要通訊標準。 *FlexRay *CAN -控制器局域網(wǎng)絡(luò) *LIN -本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 以上三種通訊標準在通訊速度和每個節(jié)點的成本方面的比較，見圖1 圖1： 主要汽車通訊協(xié)議 每個通訊標準都有各自的優(yōu)點和目標應(yīng)用平臺： FlexRay--高速度（每信道高達10 Mbps）、雙信道、時間觸發(fā)、強大的容錯協(xié)議，設(shè)計用作骨干網(wǎng)。一般的目標應(yīng)用是所謂的X-by-wire（線控）概念。其目的是通過電子信號傳輸來替代傳統(tǒng)的制動踏板和制動器或方向盤和車輪之間的機械傳動。 CAN（控制器局域網(wǎng)）--中等速度（最高1Mbps）、單信道、雙線容錯協(xié)議，目前不僅在汽車業(yè)，還在許多工業(yè)應(yīng)用中廣泛使用。CAN協(xié)議的目標應(yīng)用可以包括電機控制、懸架控制和車內(nèi)信息娛樂功能。 LIN-本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)--低速（最高20kbps）、單線低成本協(xié)議，可用于終端節(jié)點應(yīng)用。LIN的概念注定這種協(xié)議用于傳感器/執(zhí)行器中，一般用于低速通訊，即速度不是關(guān)鍵因素的應(yīng)用中。 圖2是面向總線的汽車設(shè)計理念的一個例子。這種設(shè)計顯示三種通訊協(xié)議的共存。　 圖2：總線車概念 LIN--本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 如上所述，LIN是一種低成本的單線串行通訊接口。它基于通用的UART/SCI接口，可以20 kbps的波特率保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。LIN總線一般應(yīng)用于集成裝置，比如門、方向盤、座椅、溫度控制和發(fā)動機冷卻風扇等。在這些裝置中，LIN網(wǎng)絡(luò)對成本敏感的特性使其采用了一系列先進的機械電子裝置，如智能傳感器/執(zhí)行器。此外，通過用數(shù)字編碼代替模擬編碼，機械電子裝置可以輕松連接到車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并易于進行各種診斷和維修，包括系統(tǒng)的重新編程和更新。 LIN協(xié)議的另一個主要特征是從節(jié)點中可以自動完成同步而無需晶振或陶瓷振蕩器。這一特性和基于SCI的通訊的簡便性是任何LIN實施提供經(jīng)濟高效性的主要因素。 操作基礎(chǔ) LIN的操作概念基于一主多從的拓撲結(jié)構(gòu)。在這種情況下，LIN集群（LIN 2.0版中LIN網(wǎng)絡(luò)的同義詞）包含一個主節(jié)點和幾個（多達15個）從節(jié)點。 圖3： 操作概念 如圖3所示，LIN節(jié)點實際上可以分成兩個獨立的部分： *主任務(wù)（Master task），負責決定何時傳輸哪個幀 *從任務(wù)（Slave task），提供將通過LIN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并允許通過節(jié)點從低功耗模式中喚醒LIN集群。 典型的主節(jié)點包含主任務(wù)和從任務(wù)，而從節(jié)點只包含從任務(wù)。 幀的組成 通過LIN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位叫作幀。每個幀包含兩個主要部分： *主任務(wù)提供的報頭。 *從任務(wù)處理的響應(yīng)。 圖4：LIN幀的組成 報頭包含以下幾個部分： * 中斷（Break） - 至少13位長的LIN總線的主導狀態(tài)，由主任務(wù)產(chǎn)生，包含每個LIN幀。 * 同步字段（Synchronisation field） - 數(shù)據(jù)值在0x55的位字段，使從任務(wù)能與主時鐘同步。 * 受保護的識別符(PID) - 獨特地定義消息內(nèi)容但不定義接收方的地址。PID以一個6位長的識別符開始，后面跟有兩個奇偶校驗位。 LIN幀的響應(yīng)部分是節(jié)點的從任務(wù)提供的，可分為以下兩部分： *數(shù)據(jù)字段--傳輸1到8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。 *檢驗和字段--包含反向轉(zhuǎn)化的8個字節(jié)總和，包括后續(xù)(Carry Over)數(shù)據(jù)字節(jié)。 LIN幀的結(jié)構(gòu)見圖5。 圖5：LIN幀結(jié)構(gòu) 在LIN幀的響應(yīng)部分傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容有三種類型： 信號 - 響應(yīng)的數(shù)據(jù)字段中包含的梯狀值或字節(jié)陣列。在這種情況下，幀的ID必須在0x00和 0x3B之間。注意，數(shù)據(jù)段中信號的位置對帶有相同 PID的幀來說是固定的。 診斷信息 - 用來傳輸診斷或配置數(shù)據(jù)。這些信息總是8位長，并帶有預留的ID號。0x3C ID用于主請求， 而0x3D 用于從響應(yīng)。 保留信息 - 可用于用戶定義的擴展名 (這種情況下ID等于0x3E)或預留用于未來的協(xié)議改進（ID設(shè)為0x3F）。 主任務(wù)對報頭的傳輸基于集群的時間表。時間表規(guī)定了傳送幀的順序，以及當前和下一個幀之間的間隔。由于時間表的數(shù)量從理論上講沒有限制，所以可以定義幾個不同的時間表來滿足集群運行的不同需求。時間表概念是一個機制，有助于確保網(wǎng)絡(luò)不會過載，并確保有保證的數(shù)據(jù)傳輸。 網(wǎng)絡(luò)管理 LIN中的網(wǎng)絡(luò)管理只指集群喚醒和休眠（go-to-sleep）流程。所有其它網(wǎng)絡(luò)管理功能，如配置檢測或自我保護（limp hom）管理都由應(yīng)用完成。 若想使所有從節(jié)點均進入低功耗模式，主節(jié)點會發(fā)出第一個數(shù)據(jù)字節(jié)為零的主請求(MasterRequest)幀。此幀就是休眠命令。從節(jié)點軟件負責處理正確進入低功耗模式所需的所有步驟。此外，如果LIN總線處于非活動狀態(tài)超過25000位時間（在使用LIN 2.0規(guī)范的情況下為超過4秒），從節(jié)點也應(yīng)該自動進入低功耗模式。 為了喚醒休眠的LIN集群，任何節(jié)點都可以發(fā)出喚醒命令。喚醒請求是通過迫使總線進入250ms到5 ms的主導狀態(tài)發(fā)出的。每個從節(jié)點都可以檢測到喚醒請求，并準備好接收100 ms之內(nèi)的總線命令。 LIN節(jié)點功率管理狀態(tài)圖見圖6。 圖6：LIN節(jié)點功率管理 LIN評估 1996年，沃爾沃和Volcano通訊(VCT) 為Volvo S80系列開發(fā)了一種基于UART/SCI的協(xié)議，即Volcano Lite。此協(xié)議是車輛通訊系統(tǒng)不可缺少的組成部分。1997年，摩托羅拉公司與沃爾沃和沃爾沃通訊合作，幫助它們改進Volcano Lite協(xié)議以滿足各種不同需求（比如無需晶振的從設(shè)備自動同步），并制定可以支持各種半導體產(chǎn)品的開放標準。1998年12月，Audi、BMW、Daimler Chrysler和VW也加入進來，由此形成了LIN協(xié)會(http://www.lin-subbus.org)。 LIN 1.0版于1999年7月發(fā)布，并受到一些汽車公司使用的VLIT總線的嚴重影響。LIN標準在2000年經(jīng)過兩次更新，從而產(chǎn)生LIN1.2版本。 2002年11月，LIN協(xié)會頒布LIN1.3版標準，主要對物理層進行修改，提高了節(jié)點之間的兼容性。 當前的標準版本，即LIN2.0，是2003年9月發(fā)布的。由于LIN2.0版是現(xiàn)行標準，所以本文主要介紹此版本。 由于Audi、BMW、Daimler Chrysler、VW、Porsche 和VCT汽車公司在實施過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題，所以，LIN的新版本目前正在制定當中。2005年5月，VCT被Mentor Graphics (http://www.mentor.com)收購，成為一個大公司的組成部分，因而能持續(xù)支持和開發(fā)VCT的完整產(chǎn)品線。 LIN 2.0規(guī)范包 LIN規(guī)范2.0版反映了LIN協(xié)會指出的發(fā)展趨勢。它還包括了SAE J2602 Task Force提供的信息，尤其是在現(xiàn)有從節(jié)點的使用方面。LIN2.0規(guī)范包包含以下部分： * LIN物理層規(guī)范描述了物理層，包括比特率、時鐘容限（clock tolrerance）等。 * LIN協(xié)議規(guī)范描述了LIN的數(shù)據(jù)鏈路層。 * LIN API規(guī)范描述了網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序之間的接口，包括配置和診斷層。 * LIN配置語言規(guī)范描述了LIN說明文件的句法和語義，此說明文件用于配置完整的網(wǎng)絡(luò)，并作為開發(fā)和分析工具的輸入信息。 * LIN診斷和配置規(guī)范描述了可部署在數(shù)據(jù)鏈層上，為診斷消息和節(jié)點配置提供信息的服務(wù)。 * LIN節(jié)點功能語言規(guī)范定義了用來描述現(xiàn)有從節(jié)點的格式。這些從節(jié)點可與即插即用工具一同使用，以自動創(chuàng)建LIN描述文件。 圖7中的LIN開發(fā)工作流程顯示了LIN 2.0規(guī)范包的各個部分如何組成一個整體。 圖7：VCT LIN開發(fā)工作流程 LIN 2.0和LIN1.3規(guī)范包可以在http://www.lin-subbus.org.上注冊后免費訂購。 通過比較LIN1.3和LIN 2.0規(guī)范包，我們可以看到兩個最重要的改變就是對配置和診斷的標準化支持，以及規(guī)定的節(jié)點能力文件。它們的目標都是簡化現(xiàn)有節(jié)點的使用。 其它重要的改變包括： * LIN API（LIN規(guī)范包的一部分）是所有用C語言編程的節(jié)點所必需的。 * 增加了改進型校驗和（LIN2.0的校驗和還包括PID字節(jié)）。 * 增加了節(jié)點配置命令。 * 標準化和必備的LIN產(chǎn)品識別符（供應(yīng)商ID/功能ID/版本ID）是配置的一部分。 * 增加了診斷和診斷API。 * 定義了新的幀和信號類型，從而可以使用零星的幀和字節(jié)陣列信號。 * 增加了必需的響應(yīng)錯誤(Response_error)從狀態(tài)監(jiān)控。 * 將休眠(goto_sleep)和喚醒(wake_up)信號分離。 * 規(guī)范中增加了自動比特率檢測。 LIN2.0是LIN 1.3的擴展集，因此LIN2.0主節(jié)點可以處理包含LIN 1.3和/或LIN 2.0從節(jié)點的集群。自然，一些LIN2.0的特殊特性（包括增強的校驗和、重新配置和診斷等）不能從LIN1.3從節(jié)點中請求。但是，LIN2.0從節(jié)點不能與LIN1.3主節(jié)點一同運行（因為LIN2.0從節(jié)點需要配置）。 SAE J2602 LIN工作組 AE J2602的目標是通過滿足LIN2.0的模糊、矛盾或可選的要求來提高網(wǎng)絡(luò)中不同LIN設(shè)備之間的可互操作性和可交互能力。J2602的規(guī)定與LIN2.0規(guī)范的主要不同之處包括： * 波特率固定在10.417Kbps。 * 由于斜率針對固定的波特率進行了優(yōu)化，可以實現(xiàn)更好的EMC。 * 不推薦從節(jié)點之間的通訊。 * 不允許基于事件的消息。 * 除了休眠和有目標的復位（Sleep and Targeted Reset）外，所有配置和診斷服務(wù)都是可選的。 AEJ2602還提出了LIN2.0中沒有的其它要求（如容錯操作、網(wǎng)絡(luò)拓撲和內(nèi)置的標準化報告等）。 一般來說，SAEJ2606的設(shè)計考慮了實施定制從節(jié)點的長期目標，而LIN2.0假設(shè)使用基于MCU的實施。因此，J2602期望通過定制從節(jié)點來進一步節(jié)約成本。 硅元件上的可能實施 根據(jù)目標MCU提供的功能，可以采用幾種LIN驅(qū)動器實施策略。 對于沒有UART模塊的MCU，需要位響應(yīng)(Bit-Bang)解決方案，使用一個定時器和兩個通用IO引腳將UART功能構(gòu)建到軟件中。主要優(yōu)勢是沒有UART的MCU一般是最便宜的處理器。另一方面，這樣的CPU使用非常精密，需要為每個字節(jié)都發(fā)送中斷請求。最后，這種解決方案與基于UART的解決方案相比一般需要更多內(nèi)存，比如，在飛思卡爾68HC908QY器件中就可以找到這類LIN驅(qū)動器。 帶有標準的UART（SCI）模塊的MCU一般意味著驅(qū)動器的軟件安裝更加簡單，但另一方面，UART模塊會增加最終解決方案的MCU成本。與需要位響應(yīng)(Bit-Bang)解決方案相比，這種解決方案的優(yōu)勢在于CPU的負荷更低，因為基于LIN通訊的中斷只對接收到的每個字節(jié)進行。 LIN優(yōu)化UART模塊的MCU是減少驅(qū)動器軟件部分而增加功能/特性的下一個步驟。飛思卡爾68HC908EY 或 68HC908GR設(shè)備中采用的增強型SCI模塊提供波特率調(diào)節(jié)和仲裁模塊選項，無需額外的定時器就能測量輸入信號（對LIN同步消息有用）。另一方面，這種方法可能會增加最終設(shè)計的成本。 最后一點，也是很重要的一點，理想的解決方案應(yīng)使用LIN專用的UART模塊。飛思卡爾MCU（如68HC908QL設(shè)備）的SLIC（LIN 從接口控制器）模塊就是一個范例。與標準的UART解決方案相比，這種解決方案的成本和復雜性更高，并且要求實施SLIC優(yōu)化的驅(qū)動器。另一方面，SLIC提供如下功能：自動同步、自動波特率調(diào)整、與上述任何解決方案相比中斷數(shù)大大減少、自動校驗和的生成與驗證。因此，它允許將MCU專用于用戶應(yīng)用。 此外，還有一種非常有趣的解決方案是將所有與LIN有關(guān)的計算轉(zhuǎn)移到支持LIN的協(xié)處理器模塊上。飛思卡爾的MC9S12X系列采用了這種方案。這些產(chǎn)品配備有完全獨立于核心的X-gate RISC協(xié)處理器，可將整個LIN通訊負載從CPU核心中釋放，從而保證CPU在所有時間內(nèi)都可用于用戶應(yīng)用。 LIN2.0應(yīng)用實例 如前所述，LIN通訊協(xié)議設(shè)計用于汽車傳感器和執(zhí)行器應(yīng)用。但是，其使用并不限于這些領(lǐng)域。此處介紹的支持LIN的無刷直流電機（BLDC）發(fā)動機風扇控制應(yīng)用就是LIN應(yīng)用于其它領(lǐng)域的一個實例。 無刷直流電機（BLDC）在汽車應(yīng)用中越來越常見，主要用在空調(diào)控制和發(fā)動機冷卻風扇中。與有刷直流電機相比，無刷直流電機（BLDC）使用電子交換，而不是機械交換器，因此能提高整個系統(tǒng)的可靠性和效率。并且，由于無刷直流電機（BLDC）轉(zhuǎn)子可產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通量，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的機電轉(zhuǎn)換效率。 支持LIN的無刷直流電機（BLDC）發(fā)動機風扇控制應(yīng)用在閉環(huán)、支持PWM的無刷直流電機（BLDC）應(yīng)用中采用LIN2.0通訊協(xié)議。無刷直流電機（BLDC）由霍爾傳感器驅(qū)動，用于轉(zhuǎn)子位置檢測，并且，應(yīng)用中還嵌入了電流和過壓檢測功能。此應(yīng)用的主要部分見圖8： 圖8：支持LIN的無刷直流電機（BLDC）發(fā)動機風扇控制 如圖所示，支持LIN的無刷直流電機（BLDC）發(fā)動機風扇控制硬件設(shè)計非常簡單，包含四個部分： 發(fā)動機風扇控制LIN 主節(jié)點 - 為LIN集群提供所需的風扇速度信息，以及運行/停止命令和錯誤跟蹤。 MC68HC908QB8 LIN 開發(fā)包 - 是一個LIN從節(jié)點，處理的無刷直流電機（BLDC）控制功能，并為集群提供實際風扇轉(zhuǎn)速信息和風扇運行/錯誤狀態(tài)信息。評估板的LIN開發(fā)包系列 (EVB)是開發(fā)者輕松開發(fā)他們各自基于LIN的項目而無需關(guān)注硬件開發(fā)的一種方法。目前，這些評估板可用于飛思卡爾半導體的各種8/16位MCU：從非常小型、便宜的MC68HC908QY4 MCU到功能強大的MC68HC908S12C32。在本應(yīng)用中，我們選擇了MC68HC908QB8，它是低成本、小型的8位MCU系列的一員。 MC33395 EVB - 用于功率設(shè)計。飛思卡爾半導體的評估板概念不只限于這種基于MCU的板，還包括基于飛思卡爾SMARTMOS系列的評估板。MC33395 EVB非常適合各種12V的電機控制應(yīng)用，包括零交叉和背EMF (zero crossing and back EMF)無刷直流電機（BLDC）轉(zhuǎn)子位置檢測方法，使用戶可以輕松使用先進的電機控制程序。 無刷直流電機（BLDC）風扇-- 這種應(yīng)用使用EBM-Papst W3G300-EQ22-90軸向風扇。 以下是發(fā)動機風扇系統(tǒng)的功能。主節(jié)點發(fā)送有關(guān)要求的無刷直流電機（BLDC）負載循環(huán)、開/關(guān)命令和復位信號（用來清除從節(jié)點上的電流過高和過壓信號）的信息。所需的速度可以直接在主板上設(shè)置，也可以通過高級CAN總線發(fā)送給主節(jié)點。從節(jié)點為主節(jié)點提供實際無刷直流電機（BLDC）速度、電流過大和電壓過高標志。 將LIN2.0鏈接增加到獨立發(fā)動機風扇中的第一步是創(chuàng)建集群消息策略。它完整描述了集群中不同設(shè)備之間的通訊。它包括所有幀的一個列表，帶有定義的幀ID、幀發(fā)行者和用戶以及數(shù)據(jù)字段內(nèi)容（包括信號結(jié)構(gòu)）。為集群創(chuàng)建一份日程表也非常重要。這些都應(yīng)該包含在LIN描述文件(*.ldf)中，它的結(jié)構(gòu)由LIN規(guī)范包（LIN配置語言說明）規(guī)定。 對于項目的軟件部分，Volcano（訪問www.volcanoautomotive.com了解更多信息）LIN 目標包（LTP）用作LIN 2.0驅(qū)動器。這種工具可以從集群LDF文件中生成LIN特定的C代碼文件。然后，這些文件被直接添加到用戶編譯器/鏈接器中，以在項目中增加LIN鏈接程序。因此，應(yīng)用開發(fā)人員只需編寫用戶的特定程序而無需花時間來開發(fā)與LIN通訊有關(guān)的程序。欲了解這方面的更多信息，請參見飛思卡爾半導體應(yīng)用指南AN2767, 使用Volcano LTP的飛思卡爾8/16位MCU上的LIN 2.0鏈接。它是一篇簡單、易讀的文章，描述和介紹了LIN2.0的實施主題。 支持LIN的無刷直流電機（BLDC）發(fā)動機風扇控制在飛思卡爾半導體AN2983應(yīng)用指南中進行了詳細描述。該應(yīng)用指南包括完整的軟件代碼，可從飛思卡爾網(wǎng)站上免費下載。圖9顯示了該應(yīng)用的真實圖片。 圖10：支持LIN的無刷直流電機（BLDC）發(fā)動機風扇控制的實際安裝 飛思卡爾半導體提供廣泛的LIN產(chǎn)品系列，包括8/16/32位主MCU和8/16位從節(jié)點MCU。而且，模擬產(chǎn)品部（Analogue Product Group）也提供多種產(chǎn)品，包括LIN物理層接口、LIN/CAN SBC（系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片）和IDC（智能分布式控制）。IDC產(chǎn)品是高度集成的單一封裝芯片，包含一個8位MCU、LIN物理層接口、電壓調(diào)節(jié)器和各種功率驅(qū)動(SMARTMOS)組件，如半橋、高/低端開關(guān)、霍爾傳感器輸入等。此解決方案非常適合空間有限的應(yīng)用，如后視鏡或車窗升降器。