汽車LIN網(wǎng)絡解決方案淺析

　　在對汽車所有節(jié)點進行集中控制方面，本地互聯(lián)網(wǎng)絡(LIN)提供了一種低速率、低成本的實施方法。

　　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(nèi)的分層式網(wǎng)絡。本文討了幾種LIN網(wǎng)絡方案，并比較了各個解決方案的優(yōu)劣勢。 

　　　                              圖1：單個LIN網(wǎng)路連接示意圖?！　?/p>

　　LIN總線是針對低成本應用而開發(fā)的汽車串行協(xié)議，是對現(xiàn)有CAN網(wǎng)絡的補充，支持車內(nèi)的分層式網(wǎng)絡。該協(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。

　　LIN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(diào)度表控制。調(diào)度表在既定時間傳輸信息幀幀頭。 

　　　                        圖2：2個LIN網(wǎng)絡連接示意圖?！　?/p>

　　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。如圖1所示：

　　這類網(wǎng)絡有非常直接的結(jié)構(gòu)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)，但是如圖1所示的連接可以實現(xiàn)一個簡單的LIN解決方案。 

　　                                       圖3：CANLIN混合網(wǎng)絡解決方案?！　?/p>

　　這還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，制訂進度表(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)使用從節(jié)點--從節(jié)點通信，就可以簡化進度表的制訂過程，因為它把把網(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(nèi)做出響應。

　　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。此外，由于所有節(jié)點都通過單線連接，因而將接頭數(shù)量減到最少，這樣增加了可靠性。 

　　　               圖4：LIN網(wǎng)絡車門解決方案1。　　

　　兩個LIN網(wǎng)絡

　　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。如圖2所示。

　　BCM控制兩個完全獨立的LIN網(wǎng)絡，使得制制訂進度表變得相對簡單，網(wǎng)絡靈活性也增強，即使出現(xiàn)撞車事件，大部分網(wǎng)絡保持完整性的可能性也很大仍能保持完整狀態(tài)。同時采用兩個完全獨立的LIN網(wǎng)絡，有利于各個網(wǎng)進行及時通信。

　　具備LIN分層結(jié)構(gòu)的CAN

　　僅僅依靠LIN不能克服所有的局限。那么，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。圖3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(nèi)的高性能控制器(MCU)，如常見的飛思卡爾HC908AZ60A, 直接控制車窗和車鏡。

　　采用LIN結(jié)構(gòu)實現(xiàn)車門功能，就可以選擇規(guī)格更小的MCU(如HC908GZ16)，它除了能為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(nèi)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)。 

　　　               圖5：LIN網(wǎng)絡車門解決方案2。

　　車門控制

　　前面的例子介紹了車門內(nèi)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。方法之一如圖4所示：

　　在本例中，車門內(nèi)部有兩個LIN網(wǎng)絡。從圖4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(guān)鍵組件，如門鎖等。
 
　　還有一種方法通過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。 

　　　               表1：Lin規(guī)范中信息幀傳輸持續(xù)時間?！　?/p>

　　典型的LIN節(jié)點

　　上面介紹了車門內(nèi)部的LIN網(wǎng)絡。下面是車內(nèi)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(nèi)部LIN網(wǎng)絡的控制和定時功能。它能控制車門內(nèi)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(guān)。

　　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(nèi)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(guān)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(guān))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，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(zhuǎn)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(nèi)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(diào)度操作轉(zhuǎn)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，減少或消除潛在錯誤。

　　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-從通信方法更迅捷。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(guān)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-從通信方法也有不足：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，因此針對數(shù)據(jù)漂移得有很高級別的容差范圍，但另一個接受數(shù)據(jù)的LIN 從節(jié)點卻沒有這么高，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。

　　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(shù)規(guī)范中也使用這些傳輸速率。如表1所示。

　　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。

　　本文小結(jié)

　　隨著汽車的一些智能控制功能轉(zhuǎn)移到最小節(jié)點中，對于能滿足這樣要求的小而可靠的微處理器的需求不斷增加。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。不過系統(tǒng)設計人員在設計時仍應考慮其它因素。