汽車LIN網(wǎng)絡解決方案

介紹

長期以來，許多大的汽車生產(chǎn)商采用的是對汽車所有節(jié)點進行集中控制的解決方案。這些采用集中控制的節(jié)點負責為車窗升降、鎖門和車鏡位置調整等幾種用戶操作提供接口和控制。

過去，這些采用集中控制的節(jié)點基于高性能的MCU，這個MCU負責處理模塊中的各種功能。

模塊通常通過CAN總線連接，現(xiàn)在該方法已在大量汽車平臺中得到實施。雖然該方法能夠解決大量聯(lián)網(wǎng)問題，但同時也導致基礎結構太過復雜、速率要求過高。

汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢繼續(xù)對生產(chǎn)商提出更多要求。創(chuàng)新和功能增強一直是競爭市場的驅動因素：在現(xiàn)有平臺上實施這些功能已變得越來越困難。

增強各個集中控制節(jié)點的MCU功能是解決問題的一個途徑，但是，MCU規(guī)格增大、互連數(shù)量增加、缺乏靈活性等問題最終會導致效率降低。

還有一種方法是降低集中控制的集成度，將部分功能移植到更小，更可靠的節(jié)點。本地互聯(lián)網(wǎng)絡(LIN)是實現(xiàn)該目的的理想網(wǎng)絡，提供了一種低速率、低成本的實施方法。

本文將以本地互連網(wǎng)絡為例，重點介紹這些簡化的網(wǎng)絡。將討論幾種LIN網(wǎng)絡方案，并且比較各個解決方案的優(yōu)劣勢。

LIN概況

LIN總線是針對低成本應用而開發(fā)的汽車串行協(xié)議。它對現(xiàn)有CAN網(wǎng)絡進行了補充，支持車內的分層式網(wǎng)絡。本協(xié)議是簡單的主/從配置，主要流程在主節(jié)點上完成。為了減少成本，從節(jié)點應當盡量簡單。

LIN總線是主從協(xié)議，總線中的所有數(shù)據(jù)傳輸都由主節(jié)點發(fā)起。現(xiàn)在有兩種完全不同的方法可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇墓?jié)點，即主-從傳輸(主節(jié)點中的從任務傳輸數(shù)據(jù))或從-從傳輸(主節(jié)點發(fā)送幀頭，從某個從節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，然后由另一從節(jié)點接收該數(shù)據(jù))。這兩種方法具有不同的優(yōu)勢和劣勢。

使用LIN協(xié)議的信息傳輸定時是可以預測的。該協(xié)議是時間觸發(fā)型，不需要總線仲裁，同樣可以計算每條信息幀在最差環(huán)境的定時。每條信息幀的傳輸都由主節(jié)點上執(zhí)行的調度表控制。調度表在既定時間傳輸信息幀幀頭。

網(wǎng)絡實施

本節(jié)主要介紹單個LIN網(wǎng)絡、多個LIN網(wǎng)絡和混合CAN/LIN網(wǎng)絡的各個方面。

單個LIN網(wǎng)絡(多個門節(jié)點)

在這類網(wǎng)絡中，車身控制器模塊(BCM)將通過單個LIN網(wǎng)絡與其它所有節(jié)點相連。如下圖所示：

這類網(wǎng)絡具有非常直接的結構體系，LIN連接有效地取代了CAN解決方案。雖然LIN協(xié)議最初是設計為對CAN進行補充(而不是替換CAN)，但是如上圖所示的連接可以實現(xiàn)一個簡單的LIN解決方案。

這是一個能降低成本的解決方案，因為它不需要任何CAN節(jié)點。BCM是LIN 網(wǎng)絡的主節(jié)點，所有LIN節(jié)點都可以接入LIN網(wǎng)絡上傳輸?shù)乃行畔?。采用該種解決方案，網(wǎng)絡上通常擁有5個LIN節(jié)點。減少節(jié)點數(shù)量和定義初始信息傳輸方法使網(wǎng)絡更直接有效。

但是，制定調度(定義哪條信息會在網(wǎng)絡中以什么順序出現(xiàn))比較困難。如果該系統(tǒng)使用從-從通信，就可以簡化調度表的制訂過程，并能有效地將網(wǎng)絡流量減少到最小程度。例如，如果一個車門有任何鍵盤操作，這時主節(jié)點需要作出決策：網(wǎng)絡上的任何節(jié)點都能在同一個信息幀內響應。

這類網(wǎng)絡信息流最短，從而引起的EMC問題最少。同時，流量密度的降低，還有助于減少輻射。由于所有節(jié)點都通過單線連接，接頭數(shù)量減少到最少，這樣增加了可靠性。

既然該方法具有如此顯著的優(yōu)勢，為什么許多生產(chǎn)商不實施該解決方案呢?原因如下：首先，網(wǎng)絡上各個節(jié)點的復雜度與CAN解決方案沒有太大區(qū)別。每個車門節(jié)點仍然需要控制車鏡、車窗升降和鎖門等操作，仍然是居于高性能MCU的方案。

在安全性十分重要的應用中(如汽車 )，每個節(jié)點應完全依靠單主節(jié)點/單線連接。如果使用本網(wǎng)絡的汽車發(fā)生撞車，那么所有節(jié)點都很容易被破壞，進而可能無法響應。

在低功率應用中(仍以汽車為例)，網(wǎng)絡需要頻繁的返回到低功率狀態(tài)，這時所有節(jié)點都處于睡眠模式。盡管所有LIN節(jié)點都能喚醒網(wǎng)絡，但主節(jié)點可能需要一定時間才能決定哪個節(jié)點負責喚醒網(wǎng)絡。

兩個LIN網(wǎng)絡(左邊和右邊)

為了克服單個LIN網(wǎng)絡的缺點，部分公司開始使用雙LIN網(wǎng)絡。結構圖如下：

BCM控制兩個完全獨立的LIN網(wǎng)絡，使得制定調度表變得相對簡單，網(wǎng)絡靈活性也增強，即使出現(xiàn)撞車事件，大部分網(wǎng)絡仍能保持完整狀態(tài)。同時采用兩個完全獨立的LIN網(wǎng)絡，有利于各個網(wǎng)絡準時進行通信。

但是，這個方法仍然有幾個缺點。首先，各個節(jié)點智能沒有降低，仍然需要高性能的MCU。其次，盡管信息定義變得更簡單，但兩個網(wǎng)絡之間的信息交換變得困難，有時比較慢。在這種配置中，雖然鍵盤作為LIN節(jié)點配置在網(wǎng)絡右側，但鍵盤的大量功能卻需要左手方網(wǎng)絡控制，這會導致響應時間延遲的問題。

具備LIN分層結構的CAN

僅僅依靠LIN不能克服所有的局限。

因此，在汽車應用中，怎么應用LIN呢?我們在前面的介紹中提到，LIN是作為CAN的補充，而不是徹底替換CAN。下圖是CAN/LIN混合網(wǎng)絡的解決方案：

如前所述，通常BCM和四個車門通過一個CAN網(wǎng)絡連接。這是目前大量生產(chǎn)商采用的典型方案。這時，每個車門內的高性能控制器(MCU)，如常見的Freescale HC908AZ60A, 直接控制車窗和車鏡。

采用LIN結構實現(xiàn)車門功能，就可以選擇規(guī)格更小的MCU(如HC908GZ16)，其除了能為BCM通信提供必要的CAN接口，還有足夠的資源去控制單個LIN網(wǎng)絡。在本例中，駕駛員車門MCU除了是BCM 的CAN 接口，還是控制后視鏡、鍵盤、鎖和車窗升降等操作的LIN網(wǎng)絡的主節(jié)點。

這樣做雖然會增加車門內的MCU，但如果對MCU和LIN狀態(tài)機進行合適的選擇，就可以獲得功能更強大、更靈活的分布式系統(tǒng)。

在當今飛速變化的行業(yè)中，客戶要求更多能滿足其需求的定制產(chǎn)品，靈活性是實現(xiàn)這種需求的重要因素。通過在車內引入規(guī)格更小的單獨模塊，汽車生產(chǎn)商能夠迅速修改其標準產(chǎn)品平臺，去迎合客戶的需求。

車門控制

前面的例子介紹了車門內部的典型LIN網(wǎng)絡，同時還針對上面提及的局限性提出了解決方法。但是，現(xiàn)在車門網(wǎng)絡仍然存在幾個問題，特別是功能失效和安全問題。車鏡是系統(tǒng)中最容易被破壞的部件，在市區(qū)駕駛時經(jīng)常被人取走，從而造成網(wǎng)絡中斷，甚至給部分生產(chǎn)商帶來無法承受的風險。在安全方面，大量罪犯可以輕松取走車鏡，從而獲得駕駛員車門MCU的直接接入。這又是一個重大風險。

有幾種方法可以減少這種風險。方法之一如下：

在本例中，車門內部有兩個LIN網(wǎng)絡。從圖上可以看到，車鏡與系統(tǒng)其它部分有效地隔離開，大大降低車鏡被取走而帶來的危害。任何罪犯行為只能訪問駕駛員車門MCU，但無法接入關鍵組件，如門鎖等。

還有一種方法是從LIN子節(jié)點控制車鏡。

在本例中，安全和可靠性問題都能夠有效解決。車鏡由鍵盤MCU或LIN節(jié)點直接控制。兩種方法都是合適的系統(tǒng)設計。

典型的LIN節(jié)點

上圖介紹了車門內部的LIN網(wǎng)絡。

下面是車內常見LIN節(jié)點的例子。

駕駛員車門模塊

在上面的系統(tǒng)中，該模塊是車門網(wǎng)絡的主節(jié)點，提供車門內部LIN網(wǎng)絡的控制和定時功能。它能控制車門內所有LIN 節(jié)點，同時也充當車身控制模塊(BCM)和本地LIN 網(wǎng)絡之間的網(wǎng)關。

后視鏡模塊

典型的新型后視鏡鏡通常

能夠支持X、Y方向和折疊功能。車鏡模塊還保存車鏡位置等詳細信息，有時駕駛員或乘客車鏡還安裝溫度感應器來持續(xù)監(jiān)控外界環(huán)境。該信息一般被用作駕駛員信息，也可以作為復雜的發(fā)動機管理系統(tǒng)信息。車鏡模塊通常是LIN從節(jié)點。

車窗升降模塊

電子車窗包括升、降和防夾控制。

車窗升降節(jié)點一般是LIN 從節(jié)點，有時前車窗模塊同時充當BCM的LIN從節(jié)點和后車門的主節(jié)點。

門鎖模塊

鎖定功能包括標準鎖和童鎖。車門內部的LIN直接與模塊連接，這也是實現(xiàn)童鎖功能的前提條件，這樣司機才能取消特定的門鎖功能。門鎖模塊一般是LIN 從節(jié)點。

前開關面板

汽車舒適性控制的大量功能(如鎖門、車窗升降和車鏡控制的開關)有時集成到單個模塊中，作為LIN網(wǎng)絡的從節(jié)點。

通信方法

如前所述，LIN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信主要包括兩種不同方法：主-從數(shù)據(jù)傳輸或從-從數(shù)據(jù)傳輸。兩種方法都由主節(jié)點控制，有各自的優(yōu)勢和劣勢。

主-從通信

主節(jié)點傳輸信息ID(參見第2節(jié))，進而發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸命令。網(wǎng)上所有LIN節(jié)點將該信息進行轉換，然后再進行相應的操作。

根據(jù)該主-從通信模式，主節(jié)點內部有一個從節(jié)點正在運行。它對正確的ID進行響應，然后將規(guī)定的比特傳輸?shù)絃IN總線。不同LIN節(jié)點在網(wǎng)絡中都擁有完整的LIN幀，同時還按照各自的不同應用提供主節(jié)點數(shù)據(jù)和流程。

例如，主節(jié)點可能希望所有門鎖都打開，這樣每個門鎖節(jié)點被設定為對單個信息進行響應，然后完成開鎖;或者主節(jié)點可能傳輸四條不同信息，然后選擇性地打開門鎖。

主-從通信模式將大部分調度操作轉移到主節(jié)點上，從而簡化其它節(jié)點操作。因此，LIN從節(jié)點硬件大幅減少，甚至可能減少為單個狀態(tài)設備。另一個優(yōu)勢是，由于主節(jié)點能夠同時與所有節(jié)點通信，已信息和要求的ID數(shù)量都大大減少。

主節(jié)點將所有數(shù)據(jù)通信發(fā)送到全部節(jié)點(然后在所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌O備之前從節(jié)點上接收該數(shù)據(jù))，這樣可以檢查傳輸數(shù)據(jù)的有效性。該操作允許主節(jié)點對所有通信進行監(jiān)測，減少并消除潛在錯誤。

但是，這種通信方法速度緩慢。這時，LIN節(jié)點很難及時地接收和處理數(shù)據(jù)，并選擇性地將它傳輸給其它節(jié)點。

從-從通信

主節(jié)點同樣發(fā)送信息幀頭。但是，在從-從通信模式下，響應從任務的是遠程節(jié)點，如鍵盤。當鍵盤填滿信息幀數(shù)據(jù)字節(jié)時，網(wǎng)上所有節(jié)點都能看到整個傳輸過程，并響應相應的操作。本例中，車窗LIN 從節(jié)點響應鍵盤LIN節(jié)點數(shù)據(jù)。

與主-從通信相比，從-從通信方法更迅速。各個信息幀上的節(jié)點共用信息，從而極大地提高響應速度。單個信息可以打開兩扇車窗，關閉一個車門，打開三個車門或者移動車窗。這樣就可以明顯減少網(wǎng)上的數(shù)據(jù)流量。

但是，從-從通信方法有重要的局限：首先，各個從節(jié)點的時鐘源未知，因此從節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡時(根據(jù)主節(jié)點請求)，數(shù)據(jù)可能發(fā)生漂移。主節(jié)點有一個精確度很高的時鐘，數(shù)據(jù)漂移有較大的誤差范圍，但另一個接受數(shù)據(jù)的LIN 從節(jié)點卻沒有，這會導致數(shù)據(jù)誤譯。其次，這種情況下，主節(jié)點不顯示從-從通信已經(jīng)失效。

數(shù)據(jù)傳輸速率

信息幀傳輸持續(xù)時間

下表介紹了2、4、8字節(jié)信息在傳輸速率為600bit/sec 和19200bit/sec時的最長持續(xù)時間。本協(xié)議專用于1kbps和 20kbps之間的運行，建議在LIN技術規(guī)范中也使用這些傳輸速率。

這些數(shù)據(jù)可能看起來速率很慢(特別是與CAN 比較時)，但這樣規(guī)定有多方面的原因，兩大主要原因是最大限度地降低EMC輻射和簡化從節(jié)點。

結論

隨著汽車的一些智能控制功能轉移到最小的節(jié)點中，對滿足這樣要求的小而可靠的微處理器的需求越來越多。

LIN網(wǎng)絡方案使大量節(jié)點之間的互連變得簡單、經(jīng)濟高效，因此是理想的解決方案。同時，系統(tǒng)設計人員在設計時還應考慮大量其它因素。