LIN總線節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

摘要：介紹了汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)A類串行總線通信標(biāo)準(zhǔn)LIN協(xié)議2.0版本（最新版本），設(shè)計了總線節(jié)點(diǎn)的硬件和通信程序，規(guī)劃了電動汽車車身網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：LIN總線 通信 節(jié)點(diǎn)

隨著汽車電子業(yè)的飛速發(fā)展，車輛上的電子裝置越來越多，電子裝置之間的通信技術(shù)也越來越先進(jìn)。傳統(tǒng)的電器系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對點(diǎn)的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，這樣必然造成布線系統(tǒng)龐大，因而現(xiàn)代車輛上的電子系統(tǒng)廣泛采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)彼此之間的通信。

1998年，汽車制造商奧迪公司、寶馬公司、戴姆勒克萊斯勒公司、沃爾沃汽車公司、大眾汽車公司、通信領(lǐng)域的專業(yè)廠商火山通信技術(shù)公司以及半導(dǎo)體生產(chǎn)商摩托羅拉公司共同創(chuàng)建了LIN（Local Interconnect Network）協(xié)會，其目的是為汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供一個開放的A類（數(shù)據(jù)傳輸位速率通常小于10kb/sv的低速車身網(wǎng)絡(luò)）串行總線通信標(biāo)準(zhǔn)，允許在此基礎(chǔ)上開發(fā)汽車低端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并且不需要使用者支持使用費(fèi)用或版稅。

1 LIN協(xié)議的通信機(jī)制

1．1 主機(jī)和從機(jī)

從通訊協(xié)議的角度來看，一個LIN網(wǎng)絡(luò)由一個主機(jī)任務(wù)模塊（Master Task）若干個從機(jī)任務(wù)模塊（Slave Task）組成。主機(jī)節(jié)點(diǎn)中既有主機(jī)任務(wù)模塊又有從機(jī)任務(wù)模塊；其它節(jié)點(diǎn)中只有從機(jī)任務(wù)模塊。圖1是由一個主機(jī)節(jié)點(diǎn)、兩個從機(jī)節(jié)點(diǎn)組成的LIN網(wǎng)絡(luò)。

在LIN網(wǎng)絡(luò)中，主機(jī)任務(wù)模塊決定什么時候在總線上傳輸什么報文幀，而從機(jī)任務(wù)模塊則提供每一幀需要傳送的數(shù)據(jù)。主機(jī)任務(wù)模塊和從機(jī)任務(wù)模塊都是幀處理層的組成部分。

1．2 報文幀

一個報文幀由一個幀頭（由主機(jī)任務(wù)模塊提供）和一個響應(yīng)幀（由從機(jī)任務(wù)模塊提供）組成。幀頭包括一個同步間隔場（SYNCH BREAK FIELD）、一個同步場（SYNCH FIELD）和一個標(biāo)識符場。報文幀的用途由標(biāo)識符唯一定義，約定的從機(jī)任務(wù)根據(jù)標(biāo)識符提供相關(guān)的響應(yīng)幀并發(fā)送到總線上（如圖2、圖3所示），響應(yīng)幀由2、4或8字節(jié)的數(shù)據(jù)場（DATA FIELD）和一個校驗(yàn)和場（CHECKSUM FIELD）組成。對這個標(biāo)識符相聯(lián)的數(shù)據(jù)感興趣的從機(jī)任務(wù)將接收響應(yīng)幀，校驗(yàn)和檢驗(yàn)通過后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

這樣的通訊機(jī)制帶來了非常理想的效果：

*系統(tǒng)靈活性：在LIN網(wǎng)絡(luò)中可以直接增加節(jié)點(diǎn)而不需要對其它從機(jī)節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件進(jìn)行修改；

*報文路由：報文的內(nèi)容由標(biāo)識符定義；

*廣播：多個節(jié)點(diǎn)可以同時接收一個單獨(dú)的報文幀，并對報文作出反應(yīng)。

2 LIN總線試驗(yàn)平臺的軟硬件設(shè)計

2．1 MCU芯片

主機(jī)MCU選用了瑞薩（Renesas）公司的M16C/6N系列的M306NBFCTFP，其特點(diǎn)如下：

*128K ROM，5K RAM

*三路串行口（兩路UART/時鐘同步口，一路時鐘同步口）

*一路CAN模塊

*豐富的I/O資源

從機(jī)MCU選用Atmel公司的基于8051內(nèi)核的微控制器AT89C2051，其特點(diǎn)為：

*2K字節(jié)的Flash

*128×8位的內(nèi)部RAM

*兩個16位定時器/計數(shù)器

*可編程的串行UART口

采用M306NBFCTFP作為主機(jī)節(jié)點(diǎn)的MCU是因?yàn)樗哂蠧AN接口模塊，而且增強(qiáng)型UART可用于支持LIN總線；采用AT89C2051作為從機(jī)節(jié)點(diǎn)的MCU是因?yàn)闀簳r不對從機(jī)節(jié)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的具體功能進(jìn)行設(shè)計，而只是著重于LIN網(wǎng)絡(luò)通訊部分的設(shè)計。要履行LIN規(guī)范的通訊時序，所有節(jié)點(diǎn)都必須配備一個精確的振蕩參考源，即主機(jī)節(jié)點(diǎn)（M306NBFCTFP）和從機(jī)節(jié)點(diǎn)（AT89C2051）上的晶振。M306NBFCTFP片內(nèi)有一個專用的濾波特率發(fā)生器用于串口通訊，而AT89C2051則把定時器T1作為波特率發(fā)生器。M306NBFCTFP將I/O作為擴(kuò)展區(qū)域。這兩種微控制器都具有增強(qiáng)型UART，可用于支持串行LIN傳輸。定時器T0可用于各種超時檢測。此外，由于LIN的同步間隔超過普通UART所能處理的長度，所以從機(jī)節(jié)點(diǎn)AT89C2051使用中斷來進(jìn)行同步間隔檢測。

圖4和圖5分別為主機(jī)節(jié)點(diǎn)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)的電路原理圖。

2．2 LIN總線通訊軟件的設(shè)計

LIN節(jié)點(diǎn)是通過應(yīng)用程序中的主機(jī)任務(wù)和從機(jī)任務(wù)來實(shí)現(xiàn)LIN網(wǎng)絡(luò)通訊的。主機(jī)節(jié)點(diǎn)包含主機(jī)任務(wù)和從機(jī)任務(wù)，從機(jī)節(jié)點(diǎn)僅包含從機(jī)任務(wù)。主機(jī)任務(wù)流程圖如圖6所示，從機(jī)任務(wù)流程圖如圖7所示。

LIN主機(jī)任務(wù)包括以下內(nèi)容：

*定義波特率（2kbit/s到20kbit/s）；

*發(fā)送間隔場和同步場信號序列；

*發(fā)送標(biāo)識符場；

*監(jiān)控并檢查校驗(yàn)和，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性；

*請求從機(jī)進(jìn)入睡眠模式，需要時再將有喚醒；

*對從機(jī)的喚醒進(jìn)行響應(yīng)。

從機(jī)任務(wù)包括以下內(nèi)容：

*檢測間隔場信號；

*在同步區(qū)與網(wǎng)絡(luò)取得同步；

*解釋標(biāo)識符，并作出相應(yīng)動作；

——不需要任何通訊操作；

——接收數(shù)據(jù)場數(shù)據(jù)；

——發(fā)送響應(yīng)幀；

*檢查/發(fā)送校驗(yàn)和。

3 電動汽車車身總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)LIN總線的物理層規(guī)定，LIN總線采用改進(jìn)的ISO9141單總線標(biāo)準(zhǔn)，總線驅(qū)動為12V電源。編碼方式為NRZ（Not Return Zero），電平分為隱性電平“1”和顯性電平“0”兩種，其誤差要求如下：對于發(fā)出信息的節(jié)點(diǎn)，發(fā)出的隱性電平不得低于電源電壓的80%，顯性電平不得高于電源電壓的20%；對接收節(jié)點(diǎn)來說，接收到的隱性電平不得低于電源電壓的60%，顯性電平不得高于電源電壓的40%。考慮到信號衰弱等因素，LIN總線的長度最大不超過40米；同時一個LIN子網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)目小于16個。

根據(jù)電動汽車A類網(wǎng)絡(luò)各功能單元對通訊功能的實(shí)時性、傳輸距離的要求，均衡考慮性能和成本等因素，確定LIN總線在電動汽車車身上的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以從圖8中幾個典型的A類網(wǎng)絡(luò)功能單元進(jìn)行分析。

車身系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃如圖9所示。圖9中將車身系統(tǒng)的A類網(wǎng)絡(luò)功能單元劃分為車門模塊、空調(diào)模塊、座椅模塊、控制面板模塊以及組模塊，這些模塊分別作為LIN子網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)節(jié)點(diǎn)。

LIN總線的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)提供一種低速總線通訊標(biāo)準(zhǔn)，它能滿足CAN總線所不需求的帶寬和功能，使用LIN總線可大大節(jié)省成本。而在我國，對于汽車總線的研究只是處于初步階段。為了縮短同國外轎車技術(shù)水平的差距，提高自身的競爭力，單純靠技術(shù)引起不利于我國汽車電子技術(shù)的長期發(fā)展，研究和開發(fā)我國自己的汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)勢在必行。本文確定了MCU+LIN接口芯片的LIN節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)/從機(jī)任務(wù)的LIN網(wǎng)絡(luò)通訊，規(guī)劃出了我國電動汽車車身系統(tǒng)LIN總線結(jié)構(gòu)，為我國汽車LIN總線A類網(wǎng)絡(luò)高層通訊協(xié)議的制定奠定了基礎(chǔ)。