基于SPMC75單片機(jī)的LIN Bus系統(tǒng)

　　1.1 引言

　　LIN 是低成本網(wǎng)絡(luò)中的汽車通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，LIN(Local Interconnect Network)是低成本的汽車網(wǎng)絡(luò)，它是現(xiàn)有多種汽車網(wǎng)絡(luò)在功能上的補(bǔ)充由于能夠提高質(zhì)量、降低成本，LIN 將是在汽車中使用汽車分級(jí)網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)因素。LIN 的標(biāo)準(zhǔn)化將簡(jiǎn)化多種現(xiàn)存的多點(diǎn)解決方案且將降低在汽車電子領(lǐng)域中的開發(fā)生產(chǎn)服務(wù)和后勤成本。

　　LIN 標(biāo)準(zhǔn)包括傳輸協(xié)議規(guī)范、傳輸媒體規(guī)范、開發(fā)工具接口規(guī)范和用于軟件編程的接口LIN在硬件和軟件上保證了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互操作性并有可預(yù)測(cè)EMC的功能。

　　1.2 芯片簡(jiǎn)介

　　SPMC75系列MCU是凌陽(yáng)科技公司設(shè)計(jì)開發(fā)的高性能16位通用MCU，具有很強(qiáng)的抗干擾性能、豐富易用的資源以及優(yōu)良的結(jié)構(gòu)，特別是增強(qiáng)的定時(shí)計(jì)數(shù)器和PWM輸出功能。SPMC75系列MCU使用凌陽(yáng)u'nSP內(nèi)核，u'nSP內(nèi)核是一種高效的16位CISC內(nèi)核。支持乘法、乘法累加、32/16位除法、FIR等高性能運(yùn)算;支持兩種中斷模式?？梢苑奖愕漠a(chǎn)生SPWM波、空間向量PWM(SVPWM)等各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形。

　　除了擁有高性能的CPU外，SPMC75系列MCU還集成了多種功能模塊：多功能I/O口、同步和異步串行口、高性能ADC、普通的定時(shí)計(jì)數(shù)器、多功能的捕獲比較模塊、BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用位置偵測(cè)接口、兩相增量編碼器接口、能產(chǎn)生各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形的PWM發(fā)生器等。同時(shí)，SPMC75系列單片機(jī)內(nèi)部集成了32K Words的Flash和2K Words的SRAM。利用這些硬設(shè)支持，SPMC75系列單片機(jī)可以完成諸如家用電變頻驅(qū)動(dòng)、標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)變頻驅(qū)動(dòng)器、多環(huán)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等復(fù)雜應(yīng)用。

　　TJA1020(Philips)是LIN 主/從協(xié)議控制器和LIN(Local Interconnect Network)物理總線之間的接口，主要用作為車輛中的副網(wǎng)絡(luò)。使用的波特率可從2.4 到20Kbits/s。TJA1020支持普通斜率和低斜率兩種工作模式，并可在普通斜率模式以及低斜率模式間進(jìn)行切換。TJA1020還支持睡眠模式，以減小系統(tǒng)功耗。

　　1.3 LIN總線簡(jiǎn)介

　　LIN(Local Interconnect Network) Bus是一種串行通訊總線，它有效地支持汽車應(yīng)用中分布式機(jī)械電子節(jié)點(diǎn)的控制。它的使用范圍是帶單主機(jī)節(jié)點(diǎn)和一組從機(jī)節(jié)點(diǎn)的多點(diǎn)總線，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1-1所示。LIN Bus系統(tǒng)主要特性有：

　　■單主機(jī)多從機(jī)組織(即沒有總線仲裁)，配置靈活;

　　■基于普通UART/SCI 接口的低成本硬件實(shí)現(xiàn)低成本軟件協(xié)議;

　　■帶時(shí)間同步的多點(diǎn)廣播接收，從機(jī)節(jié)點(diǎn)無(wú)需石英或陶瓷諧振器，可以實(shí)現(xiàn)自同步;

　　■保證信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間?？蛇x的報(bào)文幀長(zhǎng)度：2、4 和8 字節(jié);

　　■數(shù)據(jù)校驗(yàn)和的安全性和錯(cuò)誤檢測(cè)，自動(dòng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的故障節(jié)點(diǎn);

　　■使用最小成本的半導(dǎo)體組件(小型貼片，單芯片系統(tǒng))。

　　■速度高達(dá)20kbit/s;

　　圖 1-1 LIN Bus系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1.4 LIN協(xié)議在SPMC75F2313A上的實(shí)現(xiàn)

　　LIN Bus是一種簡(jiǎn)單的單總線系統(tǒng)，其軟件協(xié)議棧比較簡(jiǎn)單。一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)以上的從機(jī)節(jié)點(diǎn)組成，所有的節(jié)點(diǎn)都包括有從機(jī)服務(wù)程序來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)包含有主機(jī)服務(wù)程序。主機(jī)程序主要用于發(fā)送同步間隔、同步場(chǎng)和ID場(chǎng)(也可以是命令)，用于控制和協(xié)調(diào)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的有序無(wú)紊的通訊。

　　1.4.1 LIN信息傳輸

　　LIN信息是以報(bào)文的形式傳送的。報(bào)文傳輸是由報(bào)文幀的格式形成和控制的。報(bào)文幀由主機(jī)任務(wù)向從機(jī)任務(wù)傳送同步和標(biāo)識(shí)符信息，并將一個(gè)從機(jī)任務(wù)的信息傳送到所有其它從機(jī)任務(wù)。主機(jī)任務(wù)位于主機(jī)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，它負(fù)責(zé)報(bào)文的進(jìn)度表、發(fā)送報(bào)文頭(HEADER)。從機(jī)任務(wù)位于所有的(即主機(jī)和從機(jī))節(jié)點(diǎn)中，其中一個(gè)(主機(jī)節(jié)點(diǎn)或從機(jī)節(jié)點(diǎn))發(fā)送報(bào)文的響應(yīng)(RESPONSE)。

　　一個(gè)報(bào)文幀如圖 1-2所示，是由一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文頭和一個(gè)主機(jī)或從機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的響應(yīng)組成。報(bào)文幀的報(bào)文頭包括一個(gè)同步間隔場(chǎng)(SYNCH BREAK FIELD)、一個(gè)同步場(chǎng)(SYNCH FIELD)和一個(gè)標(biāo)識(shí)符場(chǎng)。報(bào)文幀的響應(yīng)(RESPONSE)則由3 個(gè)到9 個(gè)字節(jié)場(chǎng)組成：2、4 或8 字節(jié)的數(shù)據(jù)場(chǎng)(DATA FIELD)和一個(gè)校驗(yàn)和場(chǎng)(CHECKSUM FIELD)。字節(jié)場(chǎng)由字節(jié)間空間分隔，報(bào)文幀的報(bào)文頭和響應(yīng)是由一個(gè)幀內(nèi)響應(yīng)空間分隔。最小的字節(jié)間空間和幀內(nèi)響應(yīng)空間是0，這些空間的最大長(zhǎng)度由報(bào)文幀的最大長(zhǎng)度TFRAME_MAX。

　　圖 1-2 LIN 報(bào)文幀

　　1.4.2 LIN信息傳輸過程

　　LIN從機(jī)向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)示如圖 1-3所示，整個(gè)過程在主機(jī)的協(xié)調(diào)下進(jìn)行。

　　圖 1-3 從機(jī)向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)

　　LIN主機(jī)向兩個(gè)或兩個(gè)以上的從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)如圖 1-4所示，整個(gè)過程在主機(jī)的協(xié)調(diào)下進(jìn)行。

　　圖 1-4 主機(jī)向兩個(gè)或兩個(gè)以上的從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)

　　從機(jī)和從機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)如圖 1-5所示，整個(gè)過程在主機(jī)的協(xié)調(diào)下進(jìn)行。

　　圖 1-5 從機(jī)和從機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)

　　1.4.3 LIN物理層控制

　　■ 同步間隔(SYNCHRONISATION BREAK)檢測(cè)

　　為了能清楚識(shí)別報(bào)文幀的開始，報(bào)文幀的第一個(gè)場(chǎng)是一個(gè)同步間隔。同步間隔場(chǎng)(SYNCH BREAK FIELD)是由主機(jī)任務(wù)發(fā)送，它使所有的從機(jī)任務(wù)與總線時(shí)鐘信號(hào)同步。同步間隔場(chǎng)有兩個(gè)不同的部分如圖 1-6所示。第一個(gè)部分是由一個(gè)持續(xù)TSYNBRK或更長(zhǎng)時(shí)間(即最小是TSYNBRK不需要很嚴(yán)格)的顯性總線電平。接著的第二部分是最少持續(xù)TSYNDEL 時(shí)間的隱性電平，作為同步界定符。第二個(gè)場(chǎng)允許用來(lái)檢測(cè)下一個(gè)同步場(chǎng)(SYNCH FIELD)的起始位。最大的間隔和界定符時(shí)間沒有精確的定義，但必須符合整個(gè)報(bào)文頭THEADER_MAX 的總體時(shí)間預(yù)算，THEADER_MAX在表 1-1中定義。

　　圖 1-6 同步間隔場(chǎng)

　　表 1-1 報(bào)文的定時(shí)

　　同步間隔場(chǎng)的顯性電平長(zhǎng)度至少為TSYNBRK(可以更長(zhǎng))，這個(gè)時(shí)間是用主機(jī)位定時(shí)來(lái)測(cè)量。最小值應(yīng)根據(jù)連接從機(jī)節(jié)點(diǎn)指定的最小本地時(shí)鐘頻率所要求的閥值而得出。

　　在SPMC75F2313A上，同步間隔里的各個(gè)時(shí)間測(cè)量都是通過捕獲輸入實(shí)現(xiàn)的。SPMC75F2313A的捕獲輸入可以很方便的測(cè)量TSYNBRK和TSYNDEL，并在檢測(cè)完成后與TSYNDEL的下降沿同步。

　　■ 波特率測(cè)量

　　波特率測(cè)量是在LIN總線的同步場(chǎng)(SYNCH FIELD)進(jìn)行的。同步場(chǎng)包含了時(shí)鐘的同步信息。同步場(chǎng)的格式如圖 1-7所示，它通過使UART發(fā)送"0x55"來(lái)實(shí)現(xiàn)，表現(xiàn)在8 個(gè)位定時(shí)中有5 個(gè)下降沿(即："隱性"跳變到"顯性"的邊沿)。使用SPMC75F2313A的捕獲輸入功能可以很方便的測(cè)量出相鄰兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間間隔，利用這個(gè)時(shí)間間隔就可以算出波特率。

　　圖 1-7 同步場(chǎng)示意圖

　　1.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)電路原理框圖如錯(cuò)誤!未找到引用源。所示。電路由MCU控制核心電路和LIN接口兩部分構(gòu)成。

　　MCU控制核心電路主要由SPMC75F2313A實(shí)現(xiàn)，它主要完成LIN協(xié)議的實(shí)現(xiàn)和整個(gè)系統(tǒng)的控制。SPMC75F2313A集成有實(shí)現(xiàn)LIN總線結(jié)點(diǎn)的必要硬件，包括UART、捕獲輸入和足夠的定時(shí)器。特別是其捕獲輸入功能，為L(zhǎng)IN的幀頭識(shí)別、幀同步和波特率測(cè)量提供了極大的便利。

　　LIN接口部分主要是由LIN物理層接口芯片TJA1020構(gòu)成，它主要完成MCU通信信號(hào)與LIN物理總線信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。為MCU提供一個(gè)與LIN物理總線的接口。

　　圖 1-8 硬件原理圖

　　1.6 結(jié)語(yǔ)

　　凌陽(yáng)科技公司新推出SPMC75是一系列功能強(qiáng)大的工業(yè)級(jí)MCU，具有極強(qiáng)的抗干擾能力。其內(nèi)部集成有高性能的ADC、增強(qiáng)型的定時(shí)計(jì)數(shù)器等功能部件，強(qiáng)大捕獲比較功能和PWM生成功能使其在如LIN、RF Mode、IrA等通信領(lǐng)域有非常杰出的表現(xiàn)。用SPMC75系列MCU可以方便的構(gòu)成各種簡(jiǎn)潔高效的通信系統(tǒng)。