利用雙節(jié)點(diǎn)位置檢測(cè)技術(shù)提高LIN總線性能

本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)作為低成本車載網(wǎng)絡(luò)的首選方案已得到認(rèn)可，尤其是用在包括空調(diào)、汽車門鎖以及車鏡控制裝置在內(nèi)的汽車車身及舒適系統(tǒng)中。總線通信結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低，這就意味著LIN功能可適用于大多數(shù)汽車模塊，而且?guī)缀醪粫?huì)對(duì)空間和成本造成任何影響。

基本的LIN網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和數(shù)個(gè)從節(jié)點(diǎn)組成，通過能夠產(chǎn)生有線“與”功能的單條通信線互聯(lián)。通信速率高達(dá)19.2Kbps，采用兩種被稱為“隱性”和“顯性”的電氣狀態(tài)傳輸信號(hào)，這兩種狀態(tài)分別代表邏輯1和0。當(dāng)總線上所有發(fā)送器均處于被動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由于主節(jié)點(diǎn)中1k(上拉電阻的作用，總線電壓始終保持在接近電池供電電壓。當(dāng)發(fā)送器主動(dòng)將總線電壓拉向地電位時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)“顯性”狀態(tài)。

不過，即便是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)置，卻給設(shè)計(jì)人員提出了各種挑戰(zhàn)，特別是在節(jié)點(diǎn)尋址和故障檢測(cè)方面。在正常模式的通信開始前，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)或重置時(shí)都被分配了一個(gè)唯一的地址。這主要通過以下兩種方式之一來(lái)實(shí)現(xiàn)：通過從節(jié)點(diǎn)的硬連線、對(duì)OTP位進(jìn)行編程、專用連接器或DIP開關(guān)設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn);或者通過被稱為從節(jié)點(diǎn)位置檢測(cè)(SNPD)的自動(dòng)尋址方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，在該過程中由主節(jié)點(diǎn)在上電時(shí)分配節(jié)點(diǎn)地址。

硬連線或手動(dòng)編程技術(shù)指的是配置一個(gè)系統(tǒng)或替換一個(gè)故障節(jié)點(diǎn)時(shí)，或者需要人工干預(yù)，或者需要依賴于提供大量具有不同LIN地址的節(jié)點(diǎn)。

自動(dòng)尋址則相反，它指的是具有相同功能的模塊可連接到LIN網(wǎng)絡(luò)上，而無(wú)需區(qū)分它們的地址。

該過程根據(jù)節(jié)點(diǎn)在總線上的位置為各個(gè)節(jié)點(diǎn)分配地址。因此，自動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置檢測(cè)是自動(dòng)尋址不可分割的一部分，這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)(即節(jié)點(diǎn)位置檢測(cè)和自動(dòng)尋址)有時(shí)是可以互換的。

在基本LIN系統(tǒng)(圖1)中使用的有線“與”連接指的是所有節(jié)點(diǎn)均無(wú)法確定其在總線上相對(duì)于其它節(jié)點(diǎn)的位置。各總線連接方式在電性能上都是等效的。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)位置檢測(cè)并采用此方法進(jìn)行自動(dòng)尋址，必須采取其它措施確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有可能在總線上確定其相對(duì)位置。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法就是：在各節(jié)點(diǎn)處將LIN線路隔離開，以便節(jié)點(diǎn)的物理層可以在節(jié)點(diǎn)分出的兩個(gè)總線部分之間通過電性能加以辨別(圖2)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有兩個(gè)LIN連接，所有的節(jié)點(diǎn)均通過“菊花鏈”連接起來(lái)。每個(gè)從節(jié)點(diǎn)中均包括一個(gè)檢測(cè)電阻(通常為1Ω)和電流源(通常為2mA)：距主節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)的從節(jié)點(diǎn)和總線之間只有一條單獨(dú)的連接(即沒有節(jié)點(diǎn)“下行”)，沒有其它電流存在，因此可以由主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別并分配地址。一旦該從節(jié)點(diǎn)分配到地址，就可以通過終止其電流源來(lái)停止參與位置檢測(cè)過程。因此，總線上“下一個(gè)”從節(jié)點(diǎn)當(dāng)前就是以該鏈路上“最后一個(gè)”節(jié)點(diǎn)的形式出現(xiàn)。該過程不斷繼續(xù)，直到所有節(jié)點(diǎn)都分配到各自的地址為止。

該技術(shù)的難點(diǎn)之一在于：在一個(gè)極易受電磁兼容性(EMC)以及其它電氣干擾的汽車環(huán)境里，需要相當(dāng)精確的電流測(cè)量。由于各種干擾會(huì)導(dǎo)致位置檢測(cè)產(chǎn)生錯(cuò)誤，因而該過程可能會(huì)相當(dāng)耗時(shí);而且該過程還需要一個(gè)主、從節(jié)點(diǎn)互連的固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為單獨(dú)而無(wú)分支的線性總線(主節(jié)點(diǎn)位于一端)。最后，如有任何故障，該系統(tǒng)在故障節(jié)點(diǎn)的位置就無(wú)法傳遞任何信息。

通過采用安森美半導(dǎo)體公司(如圖3所示)提出的另一操作方法，這些問題均可迎刃而解。即仍然采用相同的通用原理，但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都含有一個(gè)高壓(HV)開關(guān)，從而允許從節(jié)點(diǎn)傳送或阻止總線兩個(gè)部分之間的通信。

圖3：安森美半導(dǎo)體的解決方案在每個(gè)節(jié)點(diǎn)都含有一個(gè)高壓(HV)開關(guān)，從而允許從節(jié)點(diǎn)傳送或阻止總線兩個(gè)部分之間的通信。

分配地址(如圖4所示)的過程始于啟動(dòng)或重置階段，即當(dāng)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入初始狀態(tài)時(shí)，此時(shí)高壓開關(guān)處于開啟狀態(tài)。LIN總線的所有部分均被分隔開，只有與主節(jié)點(diǎn)直接相連的從節(jié)點(diǎn)才會(huì)對(duì)來(lái)自主節(jié)點(diǎn)的LIN信息頭做出反應(yīng)。主節(jié)點(diǎn)發(fā)送初始化命令后，上述從節(jié)點(diǎn)獲得地址并關(guān)閉其通往總線下一部分的高壓開關(guān)。這使得第二個(gè)從節(jié)點(diǎn)可以和主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，以便依次獲取其地址。該過程如此繼續(xù)下去，直到所有節(jié)點(diǎn)都獲得各自的地址為止。

實(shí)際上，基于開關(guān)的系統(tǒng)在遵循上概基本原理的同時(shí)，通常要將開關(guān)功能從外部電子節(jié)點(diǎn)LIN1和LIN2移入收發(fā)器的低壓部分(如圖5所示)。實(shí)際上，每個(gè)從節(jié)點(diǎn)都包含了一個(gè)完整LIN收發(fā)器的兩種情況。信息流的傳播或阻止都是通過對(duì)發(fā)往各個(gè)發(fā)送器和來(lái)自各個(gè)接收器的邏輯信號(hào)進(jìn)行控制而實(shí)現(xiàn)的。這免除了安裝能經(jīng)受汽車系統(tǒng)中嚴(yán)苛環(huán)境條件(尤其是脈沖干擾、系統(tǒng)ESD和EMC)的開關(guān)的需求，且提高了可靠性。

在正常操作期間，為保證各電線部分在邏輯上表現(xiàn)為一根單獨(dú)的總線，每個(gè)從節(jié)點(diǎn)上發(fā)送器和接收器的邏輯互連電路必須確?？偩€信號(hào)雙向正確傳送。在其中一個(gè)LIN連接引腳上接收到的數(shù)據(jù)必須被發(fā)送至其它引腳，反之亦然。因此，數(shù)字模塊實(shí)際上起到了中繼系統(tǒng)的作用。

該設(shè)計(jì)對(duì)精確度的要求確保了系統(tǒng)時(shí)序的正確性(如圖6所示)。當(dāng)其中一個(gè)LIN互連引腳接收到顯性狀態(tài)時(shí)，必須立即向其它LIN引腳重復(fù)發(fā)送，并進(jìn)而發(fā)送到菊花鏈上。但是，當(dāng)初始顯性狀態(tài)結(jié)束，中繼機(jī)制在將這種變化沿菊花鏈傳遞時(shí)不可避免地會(huì)有輕微的時(shí)間延遲。這樣一來(lái)，持續(xù)的顯性狀態(tài)自身可被傳回網(wǎng)絡(luò)的初始啟動(dòng)部分，導(dǎo)致兩條總線將永久保持顯性的互鎖狀態(tài)。因此，必須引入額外延時(shí)概念，在此期間，總線狀態(tài)被視為不能夠有效重復(fù)。這種延時(shí)必須能夠涵蓋中繼系統(tǒng)最差情況下的總延時(shí)。額外延時(shí)的邏輯實(shí)現(xiàn)被稱為反饋抑制。當(dāng)然，同樣的論點(diǎn)雙向適用。因而，包含反饋抑制的中繼器功能相對(duì)于兩個(gè)LIN連接是完全對(duì)稱的。