LIN2.1協(xié)議在車窗控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

LIN協(xié)會(huì)于1999年發(fā)布了第一版LIN協(xié)議，至今已有十幾年了，在這十幾年中，LIN總線不斷發(fā)展，已經(jīng)在以車身控制為主的許多場合得到了應(yīng)用。LIN總線至今一共有7個(gè)版本，其中，LIN2.1協(xié)議于2006年11月發(fā)布，是目前較新的一個(gè)版本。它與最新的LIN2.2協(xié)議幾乎沒有區(qū)別，卻比它的前身LIN2.0協(xié)議有明顯的改進(jìn)，主要體現(xiàn)在加入了事件觸發(fā)幀的競爭處理、完善了節(jié)點(diǎn)配置功能和進(jìn)行了診斷分級(jí)三個(gè)方面。這些改進(jìn)使用戶可以更加方便和快速地組織LIN網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)自己的需求重新設(shè)置LIN網(wǎng)絡(luò)，既保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，又滿足了用戶的個(gè)性化需求，是LIN總線自身發(fā)展過程中很有意義的一步。

1　LIN2.1協(xié)議的新特點(diǎn)

1.1　事件觸發(fā)幀的競爭處理

如果有多于一個(gè)的從節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)幀時(shí)隙里響應(yīng)幀頭，就會(huì)導(dǎo)致競爭，競爭處理都是由主節(jié)點(diǎn)完成的。LIN2.0的事件觸發(fā)幀競爭處理機(jī)制如圖1所示。某主節(jié)點(diǎn)的進(jìn)度表中有無條件幀A、事件觸發(fā)幀和無條件幀B。當(dāng)競爭發(fā)生后，主節(jié)點(diǎn)會(huì)繼續(xù)按照之前的進(jìn)度表，在接收完所有與事件觸發(fā)幀相關(guān)的無條件幀后，再發(fā)送事件觸發(fā)幀幀頭。LIN2.1對(duì)此作出了改進(jìn)，它引入了競爭處理進(jìn)度表，LIN2.1的事件觸發(fā)幀競爭處理機(jī)制如圖2所示。每個(gè)事件觸發(fā)幀都有與之相對(duì)應(yīng)的競爭處理進(jìn)度表，主節(jié)點(diǎn)在競爭處理進(jìn)度表里處理完競爭后，再返回執(zhí)行普通的進(jìn)度表。顯然，LIN2.1的競爭處理機(jī)制需要花費(fèi)的時(shí)間較短。

圖1　LIN2.0的事件觸發(fā)幀競爭處理機(jī)制　　圖2　LIN2.1的事件觸發(fā)幀競爭處理機(jī)制

1.2　節(jié)點(diǎn)配置功能的完善

1.2.1　新增分配一系列幀ID的功能

將配置功能分配幀ID改為分配一系列幀ID。LIN2.0和LIN2.1協(xié)議中分配幀ID的格式如圖3所示。在LIN2.0中，只有NAD和Supplier ID都匹配的情況下，分配才能成功，但每次只能分配一個(gè)幀ID。而在LIN2.1中，只需要NAD匹配就可以了，每次可以分配最多4個(gè)幀ID，而LIN2.0中的Message ID在LIN2.1中已經(jīng)被取消了。這種改進(jìn)的目的是提高LIN網(wǎng)絡(luò)配置的效率，更改后分配幀ID的速度最快可達(dá)到原來的4倍。

圖3　LIN2.0和LIN2.1協(xié)議中分配幀ID的格式

1.2.2　新增保存配置的功能
LIN2.1協(xié)議新增了保存從節(jié)點(diǎn)配置信息的功能，將從節(jié)點(diǎn)的配置信息存入到掉電不易失的存儲(chǔ)空間中。這樣，主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)的配置在復(fù)位后也不會(huì)丟失。

1.3　診斷分級(jí)
LIN2.1的另一大新特點(diǎn)是根據(jù)診斷功能將從節(jié)點(diǎn)分為3個(gè)級(jí)別。

(1) 診斷一級(jí)
診斷一級(jí)一般應(yīng)用于智能傳感器或執(zhí)行器等一些不需要或只需要很少診斷功能的器件。診斷一級(jí)支持所有節(jié)點(diǎn)配置功能，并且只需要單幀傳輸。

(2) 診斷二級(jí)
與診斷一級(jí)相比，診斷二級(jí)的節(jié)點(diǎn)增加了節(jié)點(diǎn)辨識(shí)的功能。例如，用戶可以獲得產(chǎn)品的軟、硬件版本號(hào)等。此外，診斷二級(jí)還支持讀寫軟件內(nèi)部的參數(shù)，比如溫度、車速等。診斷二級(jí)支持多幀傳輸。

(3) 診斷三級(jí)
診斷三級(jí)的節(jié)點(diǎn)不僅包含了前面兩級(jí)的所有功能，還支持內(nèi)部Flash的擦寫，用戶可以通過LIN總線燒寫程序。診斷三級(jí)支持多幀傳輸。

2　LIN2.1協(xié)議的節(jié)點(diǎn)配置功能

(1) 分配NAD
為了避免某個(gè)NAD被重復(fù)使用，用戶可能需要為從節(jié)點(diǎn)分配新的NAD。

(2) 有條件分配NAD
當(dāng)用戶替換或增加從節(jié)點(diǎn)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)兩種情況：

① 一種是用戶不知道新增從節(jié)點(diǎn)的初始NAD，因此，必須以“廣播”的方式尋找所有的從節(jié)點(diǎn)并分配有效的NAD(“廣播”指的是給網(wǎng)絡(luò)中的所有從節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，它有一個(gè)專用的NAD為0x7F)。但如果直接這樣做，會(huì)導(dǎo)致所有的從節(jié)點(diǎn)獲得同一個(gè)NAD，這顯然是不允許的。為了避免這個(gè)情況，可以加入限制條件。

② 另一種是用戶知道新增節(jié)點(diǎn)的初始NAD，但其和LIN網(wǎng)絡(luò)中已有從節(jié)點(diǎn)的NAD重復(fù)了。如果用戶只按照原始NAD分配新的NAD，則會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)從節(jié)點(diǎn)的NAD都被修改。因此，必須加入限制條件。

當(dāng)從節(jié)點(diǎn)獲得有條件分配NAD的請(qǐng)求后，將根據(jù)下面的步驟判斷是否要修改NAD：

① 根據(jù)ID讀取從節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息。
② 根據(jù)Byte提取相關(guān)信息中一個(gè)8位數(shù)據(jù)，例如Byte=1，則提取D1。
③ 與Invert進(jìn)行異或運(yùn)算。
④ 與Mask進(jìn)行與運(yùn)算。
⑤ 如果結(jié)果為0，則修改NAD。

例如：本產(chǎn)品被新增到一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)中，初始NAD為0x06，但網(wǎng)絡(luò)中已有了一個(gè)NAD為0x06的從節(jié)點(diǎn)。于是，用戶可以利用本產(chǎn)品的Function ID,假設(shè)為0x0000，分配新的NAD為0x08。這里假設(shè)已存在的從節(jié)點(diǎn)的Function ID不為0x0000。這樣，只有新增節(jié)點(diǎn)的NAD會(huì)被修改，而已存在從節(jié)點(diǎn)的NAD維持為0x06不變。

(3) 保存配置
保存配置是LIN2.1添加的新功能，用來將從節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前配置存入非易失的存儲(chǔ)空間中，下次上電時(shí)可以讀出配置數(shù)據(jù)，這里主要是保存NAD和幀ID。

(4) 分配一系列幀ID
這一功能可以配置最多4個(gè)幀ID，注意診斷幀ID和保留幀ID是不能配置的。

主節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求幀在D1中給出需要分配幀ID的第一個(gè)幀在幀數(shù)組中的序號(hào)，一般來說，從節(jié)點(diǎn)所用到的所有幀的ID會(huì)被排列成一個(gè)幀數(shù)組。如果要分配幀ID，則通過D2到D5給出新的幀ID；如果要禁止某個(gè)幀，則將這個(gè)幀對(duì)應(yīng)的PID設(shè)為0x00；如果要繼續(xù)使用現(xiàn)在的幀ID，則將這個(gè)幀對(duì)應(yīng)的PID設(shè)為0xFF。

(5) 讀取從節(jié)點(diǎn)信息
讀取節(jié)點(diǎn)信息根據(jù)D1中ID的值，可以讀取不同的從節(jié)點(diǎn)信息。目前，只規(guī)定了ID為0和ID為1的情況，其他可保留或由用戶自己確定。

3　LIN通信的實(shí)現(xiàn)

3.1　TLE9832的LIN模塊
TLE9832是一款由英飛凌公司生產(chǎn)的8位功率級(jí)單片機(jī)，專門用于車窗控制。其中的LIN總線模塊支持LIN2.1和LIN2.0，并向下兼容LIN1.3。該模塊可以工作在普通模式、接收模式和禁止模式下。各個(gè)模式的特點(diǎn)如表1所列。

表1　TLE9832 LIN模塊各個(gè)模式的特點(diǎn)

其中，普通模式又可根據(jù)傳輸速率的大小分為低速模式、中速模式、高速模式和Flash模式。低速模式的最大傳輸速率為10.4 kbps；中速模式是普通的LIN傳輸模式，最大傳輸速率為20 kbps；高速模式的最大傳輸速率為40 kbps；Flash模式的最大傳輸速率為115 kbps。為了避免打斷傳輸過程，在普通模式下禁止改變傳輸速率。正確的做法是先禁止發(fā)送功能，再改變傳輸速率，最后允許發(fā)送功能。

LIN模塊在普通模式下還建立了一種自動(dòng)省電機(jī)制。當(dāng)發(fā)送隊(duì)列中沒有數(shù)據(jù)時(shí)，將自動(dòng)禁止發(fā)送功能；當(dāng)有發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，將自動(dòng)開啟發(fā)送功能。

3.2　基于TLE9832的車窗防夾控制系統(tǒng)
基于TLE9832的防夾車窗控制系統(tǒng)是英飛凌同濟(jì)微控制器與嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的最新研究成果。用戶可以通過按鍵或者LIN總線控制車窗的上升和下降?；赥LE9832的防夾車窗系統(tǒng)原理圖如圖4所示?？赏ㄟ^控制PWM信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而霍爾傳感器TLE4966又會(huì)采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速并傳送給TLE9832，這樣就構(gòu)成了閉環(huán)控制。此外，電機(jī)的電樞電流在轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后，被傳送給TLE9832的ADC模塊。如果車窗在上升過程中遇到不正常的阻力，電樞電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速都會(huì)發(fā)生異常的變化，TLE9832可以根據(jù)這種變化判斷是否執(zhí)行防夾算法，避免傷害乘客。

圖4　基于TLE9832的防夾車窗系統(tǒng)原理圖

3.3　LIN通信部分的軟件設(shè)計(jì)
LIN通信部分的程序流程如圖5所示。可將車窗控制器中LIN通信部分的程序分為兩個(gè)部分：

圖5　LIN通信部分程序流程

① 第一部分為初始化，在每次重新上電后，程序都會(huì)首先讀取Flash中的數(shù)據(jù)，若0x8000中的數(shù)據(jù)為0x78，則判斷產(chǎn)品在出廠后執(zhí)行過保存配置的功能。所以程序會(huì)將存儲(chǔ)在Flash中的NAD和幀ID讀出來，作為當(dāng)前的NAD和幀ID。接著是初始化LIN模塊，包括設(shè)置與LIN通信相關(guān)的定時(shí)器和UART等外設(shè)，設(shè)置從節(jié)點(diǎn)的各個(gè)參數(shù)、波特率等。

② 第二部分則放在定時(shí)器中斷里面，在每次中斷時(shí)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)配置、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。首先是根據(jù)幀ID判斷有無節(jié)點(diǎn)配置任務(wù)，若有則根據(jù)SID執(zhí)行各種節(jié)點(diǎn)配置任務(wù)；接著根據(jù)收到的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容控制車窗的自動(dòng)上升和自動(dòng)下降；最后將車窗信息，包括電樞電流、車窗位置等發(fā)給主節(jié)點(diǎn)。

4　LIN通信的測(cè)試結(jié)果
本測(cè)試借助Kvaser公司出品的LIN通信測(cè)試工具Leaf Professional LIN及其配套軟件CANLab完成。測(cè)試時(shí)測(cè)試工具設(shè)置為主節(jié)點(diǎn)，TLE9832單片機(jī)設(shè)置為從節(jié)點(diǎn)，比特率設(shè)置為19 200 bps。初始NAD設(shè)置為0x06，初始幀ID為無條件幀0x00、0x01和診斷配置幀0x3C、0x3D，SupplierID和Function ID都為0x0000。

首先測(cè)試節(jié)點(diǎn)配置的各個(gè)功能：先測(cè)試分配NAD功能，將NAD修改為0x03；接著測(cè)試有條件分配NAD功能，將NAD修改為0x08；然后測(cè)試分配一系列幀ID功能，并保存設(shè)置；最后重新上電，并讀取從節(jié)點(diǎn)信息。節(jié)點(diǎn)配置功能的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6　節(jié)點(diǎn)配置功能的測(cè)試結(jié)果

然后通過LIN總線控制車窗自動(dòng)上升和下降，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7　車窗自動(dòng)上升下降功能的測(cè)試結(jié)果

最后通過LIN總線獲得車窗上升過程中電樞電流的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成圖形，如圖8所示。其中電流值為經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。

圖8　車窗上升過程中的電樞電流值

結(jié)語
本文基于LIN2.1協(xié)議設(shè)計(jì)了防夾車窗控制系統(tǒng)中的通信模塊。可以看出，該模塊可以很好地滿足用戶在數(shù)據(jù)傳輸和診斷等方面的需求。LIN總線自身的發(fā)展必將推動(dòng)車身控制領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。