基于LIN總線的車(chē)身控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

　　LIN（Local Interconnect Network）是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN 的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)（例如CAN 總線）提供輔助功能，因此LIN 總線是一種輔助的總線網(wǎng)絡(luò)。在不需要CAN 總線的帶寬和多功能的場(chǎng)合，比如智能傳感器和制動(dòng)裝置之間的通訊使用LIN 總線可大大節(jié)省成本。LIN 技術(shù)規(guī)范中除定義了基本協(xié)議和物理層外還定義了開(kāi)發(fā)工具和應(yīng)用軟件接口。LIN 通訊是基于SCI（UART）數(shù)據(jù)格式，采用單主控制器/多從設(shè)備的模式。僅使用一根12V 信號(hào)總線和一個(gè)無(wú)固定時(shí)間基準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)同步時(shí)鐘線。這種低成本的串行通訊模式和相應(yīng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境已經(jīng)由LIN 協(xié)會(huì)制定成標(biāo)準(zhǔn)。LIN 的標(biāo)準(zhǔn)化將為汽車(chē)制造商以及供應(yīng)商在研發(fā)應(yīng)用操作系統(tǒng)降低成本。

　　典型的LIN 總線應(yīng)用是汽車(chē)中的聯(lián)合裝配單元，如：門(mén)、方向盤(pán)、座椅、空調(diào)、照明燈、濕度傳感器，交流發(fā)電機(jī)等。對(duì)于這些成本比較敏感的單元，LIN 可以使那些機(jī)械元件如智能傳感器、制動(dòng)器或光敏器件得到較廣泛的使用。這些元件可以很容易的連接到汽車(chē)網(wǎng)絡(luò) 中并得到十分方便的維護(hù)和服務(wù)。在LIN 實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)中通常將模擬信號(hào)量用數(shù)字信號(hào)量 所替換，這將使總線性能優(yōu)化。在以下的汽車(chē)電子控制系統(tǒng)中使用LIN 來(lái)實(shí)現(xiàn)將得到非常完美的效果：

　　LIN節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　1 LIN接口總體設(shè)計(jì)

　　LIN 節(jié)點(diǎn)硬件上主要包括LIN接口電路部分、控制輸入部分、顯示電路或負(fù)載驅(qū)動(dòng)輸出等，其中LIN接口為節(jié)點(diǎn)的核心。以Microchip公司的 PIC16F87為控制器、TJA1020為L(zhǎng)IN收發(fā)器、SA57022 為開(kāi)關(guān)電源的LIN接口電路如圖1所示。SA57022電源輸出的打開(kāi)與關(guān)斷由LIN收發(fā)器控制通過(guò)INH引腳控制。

圖1 LIN接口原理圖

　　因主機(jī)節(jié)點(diǎn)需為網(wǎng)絡(luò)中的從機(jī)節(jié)點(diǎn)提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，故在主機(jī)節(jié)點(diǎn)中為PIC16F87配置了外部晶振。在從機(jī)節(jié)點(diǎn)中，從機(jī)節(jié)點(diǎn)可通過(guò)主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀頭中的同步場(chǎng)來(lái)校準(zhǔn)自身波特率，故可省去外部晶振而使用PIC16F87內(nèi)置的RC振蕩器。

　　2 LIN收發(fā)器應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　TJA1020 為L(zhǎng)IN收發(fā)器，它是LIN 協(xié)議控制器和LIN傳輸媒體之間的接口，是節(jié)點(diǎn)的核心器件，負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)總線的波形調(diào)整和電平轉(zhuǎn)換及節(jié)點(diǎn)多種工作模式的實(shí)現(xiàn)。TJA1020按LIN物理層規(guī)范集成了片內(nèi)從機(jī)端電阻，在從機(jī)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用中無(wú)須再外接從機(jī)端電阻，在主機(jī)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用中按圖1所示在其INH引腳和LIN引腳之間串接主機(jī)端電阻和二極管可提高總線的驅(qū)動(dòng)能力，并在總線對(duì)地短路時(shí)使節(jié)點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，減少電流損耗。

　　以TJA1020為收發(fā)器構(gòu)造的LIN節(jié)點(diǎn)具有普通、低斜率、睡眠、準(zhǔn)備四種工作模式，以盡可能降低功耗和電磁輻射，各種模式下的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和模式間轉(zhuǎn)換如圖2所示。

圖2 工作模式的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)以及模式間的切換

　　LIN節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　1 LIN主機(jī)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　LIN主機(jī)節(jié)點(diǎn)行使幀處理和LIN網(wǎng)絡(luò)的通信管理職能，程序流程如圖3所示。

圖3 主機(jī)程序流程

　　LIN規(guī)范規(guī)定，同步間隔場(chǎng)為至少13個(gè)連續(xù)的顯性位（低電平）。LIN 通信基于通用UART/SCI接口，字節(jié)傳送使用8N1編碼，無(wú)法直接產(chǎn)生這樣一個(gè)顯性序列。

　　總線的正常通信波特率為9.6k,從機(jī)節(jié)點(diǎn)始終以此波特率工作，主機(jī)節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送同步間隔場(chǎng)時(shí)將波特率降低到4.8k,并發(fā)送0x00,則工作于9.6k 波特率的從機(jī)節(jié)點(diǎn)將檢測(cè)到18個(gè)連續(xù)的顯性位，從而判斷一個(gè)新報(bào)文幀的到來(lái)。主機(jī)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完同步間隔場(chǎng)后將波特率恢復(fù)到9.6k.

　　2 LIN從機(jī)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　LIN從機(jī)節(jié)點(diǎn)的職能可概括為幀頭檢測(cè)與接收和幀處理這兩部分。在每個(gè)報(bào)文幀的幀頭中由配置晶體振蕩器的主機(jī)節(jié)點(diǎn)通過(guò)同步場(chǎng)給從機(jī)節(jié)點(diǎn)提供波特率基準(zhǔn)，從機(jī)節(jié)點(diǎn)通過(guò)測(cè)量同步場(chǎng)來(lái)校準(zhǔn)自身波特率，以保證在報(bào)文傳輸中各節(jié)點(diǎn)之間的同步。

　　同步場(chǎng)邏輯值為0x55,波形如圖4所示。從機(jī)節(jié)點(diǎn)通過(guò)測(cè)量同步場(chǎng)中第1和第5個(gè)下降沿之間的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算校準(zhǔn)自身波特率。

圖4 同步場(chǎng)波形圖

　　設(shè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)的串行口均工作于方式1（8位UART,波特率可變），主機(jī)節(jié)點(diǎn)波特率為B,從機(jī)節(jié)點(diǎn)以定時(shí)器測(cè)量同步場(chǎng)第1和第5個(gè)下降沿得到的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為C,從機(jī)節(jié)點(diǎn)振蕩器當(dāng)前頻率為fs,得到式（1）。

　　設(shè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)器1作為波特率發(fā)生器工作于常數(shù)自動(dòng)重新裝入的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式，得到式（2）。

　　使從機(jī)節(jié)點(diǎn)與主機(jī)節(jié)點(diǎn)同步，則令：

　　Bs=B

　　由式（1）~式（3）可得到式（4）。

　　從機(jī)節(jié)點(diǎn)以由式（4）計(jì)算得到的N值作計(jì)數(shù)器1產(chǎn)生波特率的重新裝入值，可產(chǎn)生與主機(jī)節(jié)點(diǎn)一致的波特率。

　　節(jié)點(diǎn)制作與實(shí)驗(yàn)

　　利用該設(shè)計(jì)制作LIN節(jié)點(diǎn)構(gòu)建LIN網(wǎng)絡(luò)，對(duì)其進(jìn)行了通信試驗(yàn)和初步的抗干擾試驗(yàn)。由于報(bào)文幀頭和報(bào)文幀響應(yīng)均由主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送，報(bào)文幀幀頭和報(bào)文幀響應(yīng)間的幀間響應(yīng)間隔較小。

　　當(dāng)LIN從機(jī)節(jié)點(diǎn)在LIN主機(jī)節(jié)點(diǎn)的引導(dǎo)下相互傳送指令或信息時(shí)，LIN網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行從機(jī)節(jié)點(diǎn)到從機(jī)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)LIN主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文幀幀頭，一個(gè)LIN從機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文幀響應(yīng)，另一個(gè)或幾個(gè)LIN從機(jī)節(jié)點(diǎn)接收?qǐng)?bào)文幀響應(yīng)。由于這種報(bào)文幀傳送需要3個(gè)甚至3個(gè)以上節(jié)點(diǎn)參與，故預(yù)留了較長(zhǎng)的幀間間隔，以便報(bào)文幀響應(yīng)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)有充足的響應(yīng)時(shí)間，確保報(bào)文幀傳送的順利完成。

　　當(dāng)LIN主機(jī)節(jié)點(diǎn)向某從機(jī)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，LIN總線上進(jìn)行從機(jī)節(jié)點(diǎn)到主機(jī)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)LIN主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文幀頭， LIN從機(jī)節(jié)點(diǎn)接收?qǐng)?bào)文幀幀頭后發(fā)送報(bào)文幀響應(yīng)， LIN主機(jī)節(jié)點(diǎn)接收?qǐng)?bào)文幀響應(yīng)。

　　汽車(chē)電磁環(huán)境惡劣，因此汽車(chē)通信系統(tǒng)的抗干擾能力尤為重要，按該設(shè)計(jì)制作的LIN網(wǎng)絡(luò)在BZ-5型汽車(chē)電火花干擾試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了抗干擾實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)中網(wǎng)絡(luò)通信順利，各項(xiàng)功能正常。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　對(duì)總線式車(chē)身控制系統(tǒng)中的CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深入研究，給出車(chē)身混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中主控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在車(chē)身控制系統(tǒng)中，將LIN總線連入低速車(chē)身系統(tǒng)中，通過(guò)主控節(jié)點(diǎn)將CAN總線和LIN總線構(gòu)建成混合控制網(wǎng)絡(luò)，使其控制系統(tǒng)兼具可靠性、高性能和低成本優(yōu)點(diǎn)。在器件選型上采用FREESCALE典型汽車(chē)電子芯片和智能觸點(diǎn)檢測(cè)模塊，既實(shí)現(xiàn)了可靠網(wǎng)絡(luò)控制功能，同時(shí)也降低汽車(chē)的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)成本，具有較高實(shí)用性。