基于M68HC08的LIN節(jié)點設計與實現(xiàn)

引言

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，電子裝置之間的控制也越來越復雜。傳統(tǒng)的布線連接方式，不僅使線束變得更加粗大、質(zhì)量增加，使車內(nèi)可利用的空間變小，且由于線路復雜，故障率增加，還會給維修帶來很大的不便。通過車用現(xiàn)場總線技術建立車身控制局域網(wǎng)，對汽車電子裝置、電器設備進行管理和控制，實現(xiàn)分布式多路傳輸，大大簡化汽車的線束，減輕線束的質(zhì)量，提高了系統(tǒng)工作的可靠性、穩(wěn)定性。

LIN(Local Interconnect Network)是由汽車廠商專門為汽車開發(fā)的一種低成本串行通信網(wǎng)絡，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制，其主要目的是為現(xiàn)有的汽車控制網(wǎng)絡 CAN(Control Area Network)提供輔助功能。在對CAN總線通信要求低的場合，諸如智能傳感器和制動裝置之間的通信，使用LIN總線可大大降低成本。

１ LIN總線介紹

LIN是一個串行通訊協(xié)議，它有效地支持汽車應用中分布式機械電子節(jié)點的控制。LIN總線控制方式是帶單主機節(jié)點和一組從機節(jié)點的A 類（10kbit／s(低速)）多點總線。

1.1 LIN總線特點

(1) 采用低成本單線12V進行數(shù)據(jù)傳輸，線的驅動和接收特性符合改進的IS09141單線標準；(2) 傳輸速率可達20kbit／s；(3) 采用單主／多從結構，不需要總線仲裁，由主節(jié)點來控制總線的訪問；(4) 基于通用UART／SCI的硬件接口，可使用低成本的半導體工藝實現(xiàn)，幾乎所有的微控制器都有LIN必需的硬件；(5) 從節(jié)點不需要晶振或陶瓷振蕩器就可實現(xiàn)自同步，從而減少了從節(jié)點的硬件成本；(6) 能保證最差狀況下信號傳送的等待時間，可避免總線訪問沖突。

1.2 LIN總線通信機制

LIN總線是基于SCI(UART)數(shù)據(jù)格式，采用單主控制器／多從設備的模式，僅使用一根12V信號總線。一個LIN 網(wǎng)絡由一個主節(jié)點、一個或多個從節(jié)點組成。所有節(jié)點都有一個從通訊任務，該通訊任務按功能分為發(fā)送任務和接收任務。主節(jié)點還有一個主發(fā)送任務，一個LIN 網(wǎng)絡上的通訊總是由主發(fā)送任務所發(fā)起的。主控制器發(fā)送一個起始報文，從控制單元在接受并且濾除消息標志符后，一個從任務被激活并且開始本消息的應答。

1.3 LIN報文幀

報文幀由主機任務向從機任務傳送同步和標識符信息，并將一個從機任務的信息傳送到所有其他從機任務。主機任務位于主機節(jié)點內(nèi)部，它負責報文的進度表、發(fā)送報文頭（HEADER）。從機任務位于所有的（即主機和從機）節(jié)點中其中一個主機節(jié)點或從機節(jié)點發(fā)送報文的響應（RESPONSE）。

一個報文幀（圖1）是由一個主機節(jié)點發(fā)送的報文頭和一個主機或從機節(jié)點發(fā)送的響應組成。報文幀的報文頭包括一個同步間隔場（SYNCH BREAK FIELD）、一個同步場（SYNCH FIELD）和一個標識符場。報文幀的響應（RESPONSE）則由3個到9個字節(jié)場組成:2、4或8字節(jié)的數(shù)據(jù)場（DATA FIELD）和一個校驗和場（CHECKSUM FIELD）。字節(jié)場由字節(jié)間空間分隔。報文幀的報文頭和響應是由一個幀內(nèi)響應空間分隔，最小的字節(jié)間空間和幀內(nèi)響應空間是0。

圖1 LIN報文幀

2 LIN節(jié)點設計

2.1 M68HC08系列芯片簡介

Motorola 的M68HC08是一種高性能的8位單片機系列，具有速度快、功能強和價格低等特點。它的CPU與M68HC05單片機向上兼容，具有16位變址寄存器和堆棧指針，有200余條指令和10余種尋址方式，最快指令周期僅為0.125μS。

2.2 LIN主節(jié)點設計

本設計選用M68HC08系列的MC68HC908GZ32作為LIN主節(jié)點的MCU，其電路原理如圖2所示。選用MC68HC908GZ32，主要因為它具有如下其特點：

·32 Kbytes FLASH，1536 bytes RAM

·8-MHz內(nèi)部總線頻率

·豐富的I／O資源

·兩個雙通道16bit定時接口模塊（TIM）

·一個MSCAN08 (Motorola 可升級的CAN)控制器模塊

·一個串行外圍接口（SPI）模塊

·一個增強型串行通信接口（ESCI）模塊

ESCI模塊可以使MCU和外圍設備及其它MCU異步通信，故它可以作為LIN的主結點。由于MC68HC908GZ32內(nèi)部帶有CAN控制器（MSCAN08），因此它除了能夠作為LIN的主節(jié)點，還可以作為CAN/LIN網(wǎng)關。

本設計選用64腳QFP封裝的GZ32芯片，VDD,VDDA,VDDAD均由＋5V供電，TXD、RXD引腳分別接 LIN的收發(fā)器（TJA1020）的TXD、RXD引腳，經(jīng)過收發(fā)器LIN引腳出來的信號就是＋12V的LIN信號了。GZ32的CANRX與CANTX 引腳分別接CAN收發(fā)器（TJA1050）的RXD和TXD，經(jīng)過收發(fā)器CANL和CANH引腳出來的就是具有差分信號的CAN信號。GZ32其它的大部分引腳都可以做I/O口使用，滿足車身電器控制的需要。

圖2 LIN主節(jié)點的電路原理圖

主節(jié)點可以采用查詢或中斷的方式發(fā)送主機任務，本設計采用中斷的方式發(fā)送主機任務。首先發(fā)送同步間隔（13個bit的顯性電平加1個bit的隱性電平），GZ32里面專門用中止位（SBK）來發(fā)送同步間隔。將寄存器SCC2中的發(fā)送中止位SBK置1即會裝載中止符（全0）置發(fā)送移位寄存器，再將SBK置0，移位寄存器中止最后一個中止符且至少發(fā)送1個邏輯1，構成13個bit的低電平和1個bit的高電平。同步間隔是區(qū)別全零數(shù)據(jù)字節(jié)的關鍵，必須按照這種方式發(fā)送才能把它與全零字節(jié)區(qū)別開來。然后按照SCI串行格式發(fā)送同步場0x55和標志符場。如果主節(jié)點還有從機發(fā)送任務，還需要按照SCI串行格式發(fā)送數(shù)據(jù)場和校驗和場。

2.3 LIN從節(jié)點設計

本設計選用M68HC08系列的MC68HC908QL4作為LIN從節(jié)點的MCU，其電路原理圖如圖3所示，選用MC68HC908QL4，主要因為其具有如下特點：

·4096 bytes FLASH, 128 bytes RAM

·5-V 和 3.3-V 工作電壓

·5 V時內(nèi)部總線頻率為8-MHz ，3.3 V 時為4-MHz

·一個雙通道16bit定時接口模塊（TIM）

·13個雙向輸入輸出口，1個只輸入口

·一個LIN從機接口控制器（SLIC）模塊

SLIC模塊用來提供LIN總線上從機的連通性，與通用I/O口共享其引腳。它有以下特點：

·自動的波特率設置和LIN信息幀同步

·自動識別和確認LIN信息的同步間隔和同步場

·自動計算校驗和場和確認錯誤報告

·無錯誤的情況下每個標準LIN信息幀可有最多2個中斷

·高速的LIN可以從83.33 kbps 到 120.00 kbps

本設計選用16腳TSSOP封裝的QL4芯片，VDD接＋5V電源，SLCTX、SLCRX引腳分別接LIN的收發(fā)器（TJA1020）的TXD、RXD引腳。經(jīng)過收發(fā)器LIN引腳進來＋12V的LIN信號，經(jīng)過收發(fā)器轉換成＋5V的接受和發(fā)送信號，分別傳到QL4的接受和發(fā)送引腳。

圖3 LIN從節(jié)點電路原理圖

從節(jié)點在初始化完成后，其它操作都在中斷里面完成。SLIC狀態(tài)向量寄存器（SLCSV）提供一個索引偏移量直接反映 LIN模塊當前的工作狀態(tài)，它可以和用戶提供的跳轉表一起用來快速進入一個中斷服務子程序。LIN模塊的所有狀態(tài)在SLCSV里面都有相應的值對應，其值不僅反映LIN模塊狀態(tài)的索引偏移量，還反映中斷的優(yōu)先級。

3 LIN節(jié)點在車身控制中的應用示例

“長安之星”SC6350汽車是長安公司推出的具有轎車性能的微型客車，其車身電器包括：前后車燈、雨刮電機、升降車窗、中控門鎖、空調(diào)、車身儀表等，共達近百個。因為用電器比較多，主體設計采用CAN/LIN結合的網(wǎng)絡方式，按照用電器的就近原則，將整個車身網(wǎng)絡分成五個部分，如圖4所示。

圖4　長安SC6350車身網(wǎng)絡圖

汽車前端放置高低速CAN網(wǎng)關（采用MC9S12DG128微控制器），其高速CAN與對信號的傳輸實時性要求很高的用電器如AMT、ABS、Engine相連，其低速CAN與組合開關和大部分用電器的開關相連。汽車前面兩側放置兩塊GZ32電路板，它控制汽車前面兩側的車燈和一些電機，同時它還作為LIN網(wǎng)絡中的LIN主節(jié)點。LIN網(wǎng)絡從節(jié)點（QL4電路板）放置在汽車后面兩側，控制汽車后面的車燈和電機。由于汽車后部的用電器比較少，需要使用的I/O口就比較少，正好符合QL4 I/O口比較少的特點。

長安SC6350汽車后部的用電器包括后左轉向燈、后右轉向燈、后左霧燈、后右霧燈、左后制動燈、右后制動燈、駐車制動指示燈、左牌照燈、右牌照燈、后刮水電機、后除霜器等。我們將它們分成左右兩組，分別接到兩側的QL4電路板上。GZ32發(fā)送報文頭和響應場，QL4接收主機發(fā)送的LIN報文幀，將數(shù)據(jù)場各bit所攜帶的信息提取出來，驅動車燈和電機。由于用電器比較少，數(shù)據(jù)場只需要2個字節(jié)就足夠。數(shù)據(jù)場的字節(jié)分配如圖 5所示，各個bit反映相關用電器的狀態(tài)，1表示燈亮和電機工作（電機采用直流電機，上電即可工作，故也只有0/1兩種狀態(tài)），0表示燈滅和電機不工作。

圖5 LIN數(shù)據(jù)場字節(jié)分配

兩個LIN從機分別接在兩個LIN主機上，而且它們都是只接收報文幀，不用發(fā)送響應場，故可用相同的標志符0x1C。另外還有睡眠和喚醒2個命令幀，分別用LIN總線保留的標識符0x3C和0x00來識別。

4 結束語

本文作者的創(chuàng)新點在于：根據(jù)LIN總線特點，設計了MCU+LIN接口芯片的LIN節(jié)點硬件結構，實現(xiàn)了主機／從機任務的LIN網(wǎng)絡通訊，并根據(jù)長安SC6350微車制定了LIN應用層協(xié)議，構建了一個基于CAN/LIN總線的車身網(wǎng)絡（該車身網(wǎng)絡已經(jīng)通過國家863 項目組的驗收），為我國汽車LIN總線A類網(wǎng)絡高層通訊協(xié)議的制定奠定了基礎。

參考文獻

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