用于汽車網(wǎng)絡(luò)的LIN協(xié)議分析
LIN協(xié)議適用于汽車內(nèi)進行低成本、短距離、低速網(wǎng)絡(luò)通信,其用途是傳輸開關(guān)設(shè)置狀態(tài)以及對開關(guān)變化響應(yīng)。本文詳細分析了LIN總線協(xié)議的特性、消息協(xié)議的組成、檢錯機制等,并介紹如何基于PICmicro器件來實現(xiàn)LIN總線從節(jié)點。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/155598.htmLIN協(xié)議是由歐洲車輛制造商協(xié)會開發(fā)用來進行低成本、短距離、低速網(wǎng)絡(luò)通信,其用途是傳輸開關(guān)設(shè)置狀態(tài)以及對開關(guān)變化響應(yīng),因此通信事件是在百毫秒以上時間內(nèi)發(fā)生,而不像引擎管理等其它速度快得多的汽車應(yīng)用。此協(xié)議支持在單根線上進行雙向通信,使用由RC振蕩器驅(qū)動的低成本微控制器,這樣可以省去晶振或陶瓷振蕩器的成本。另外,此協(xié)議實際上是以時間和軟件上的代價換取硬件上成本的節(jié)約。LIN協(xié)議的每一條消息都包含自動波特率步進的數(shù)據(jù),最高可以支持波特率為20k,同時低功耗睡眠模式可以關(guān)斷總線,以避免產(chǎn)生不必要的功耗??偩€可以由任意一個節(jié)點提供電源。
LIN總線特性
LIN總線融合了I2C和RS232的特性:像I2C總線那樣,LIN總線通過一個電阻上拉到高電平,而每一個節(jié)點又都可以通過集電極開路驅(qū)動器將總線拉低;像RS232那樣通過起始位和停止位標識出每一個字節(jié),每一位在時鐘上異步傳輸。
圖1給出了典型的LIN協(xié)議配置。當任意一個節(jié)點將總線拉低時,總線處于低電平,標識著總線進入占用狀態(tài);而當所有節(jié)點都使總線浮空時總線處于電池的電壓(9-18V),則意味著總線處于非占用狀態(tài)(Recessive state);在空閑狀態(tài)下浮空的總線通過電阻被上拉到高電平。
總線工作在9到18伏的電壓下,但所有連接到總線上的器件必須能承受40V的電壓。一般情況下,微控制器通過線路驅(qū)動器或接收器與總線隔離。總線在每一個節(jié)點上被端接到Vbat,主節(jié)點通過一個1kΩ的電阻端接而從節(jié)點則通過一個20kΩ到47kΩ的電阻端接??偩€最大長度為40米。
總線上傳輸?shù)拿恳粋€字節(jié)都是與起始位和停止位一起組成幀。起始位的狀態(tài)與空閑狀態(tài)相反(即為0),而停止位則與空閑狀態(tài)同為1。在每個字節(jié)中,首先傳輸?shù)氖亲畹陀行弧?/p>
消息協(xié)議
主節(jié)點控制總線的方式是輪詢各個從節(jié)點并與總線上其余部分共享從節(jié)點的數(shù)據(jù)。從節(jié)點僅在接到主節(jié)點的命令時才進行數(shù)據(jù)傳輸,這樣就可以進行雙向傳輸并且無需進一步的仲裁。消息傳輸是以主節(jié)點發(fā)出一次同步中斷開始,緊接著是消息的同步字段和消息字段。通過在每條消息的起始處傳送的同步字段還設(shè)定了整個總線的時鐘,每個從節(jié)點用該字節(jié)來調(diào)整其波特率。
同步中斷使總線進入占用狀態(tài),該狀態(tài)保持時間為13位數(shù)據(jù)的傳輸時間,緊接著是一個停止位(非占用狀態(tài)),這告知從節(jié)點即將有消息傳輸。主節(jié)點與從節(jié)點的時鐘漂移最大允許在15%,因此從節(jié)點接收的同步中斷可能只有11位或長達15位數(shù)據(jù)位的傳輸時間。
每一條消息的第二個字節(jié)是標示字節(jié),用來告知總線在該字節(jié)后面?zhèn)鬏數(shù)氖鞘裁磾?shù)據(jù)和哪一個節(jié)點應(yīng)該應(yīng)答,以及應(yīng)答的長度(標示字段如圖2所示)。一條命令僅會有一個從節(jié)點對其進行響應(yīng),從節(jié)點僅在主節(jié)點的指示下才發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)只要出現(xiàn)在總線上,每一個節(jié)點都可以接收到。因此,無須主節(jié)點專門控制從節(jié)點之間的通信。
由于設(shè)計中采用廉價的RC振蕩器,從節(jié)點必須在每一次傳輸時檢測主節(jié)點的波特率并調(diào)整其自身當前的波特率。因此,每一次通信都由一個由交替的“0”和“1”組成的同步字節(jié)開始。標識字段緊跟在同步字段的后面,它告知總線后面?zhèn)鬏數(shù)膬?nèi)容是什么。標識字段又分為三個子字段,最低4位(0-3位)是尋址總線上的器件,中間兩位(4-5位)是后面?zhèn)鬏數(shù)南⒌拈L度,最高兩位(6-7)用作奇偶校驗位。
除了睡眠命令,LIN協(xié)議并沒有定義每一條消息的內(nèi)容。其它命令是由具體應(yīng)用來定義的。
檢錯機制
下面描述的錯誤必須被檢測出,并且在每個節(jié)點內(nèi)進行計數(shù)。
位錯誤-傳輸節(jié)點必須將它認為應(yīng)該傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位與總線上實際出現(xiàn)的數(shù)據(jù)位進行比較。由于總線需要響應(yīng)時間,控制器必須在檢測數(shù)據(jù)位之前等待足夠長的時間。假設(shè)最小的電壓翻轉(zhuǎn)速率為1V/μs,而總線最高電壓為18V,則發(fā)送器必須等待18μs才能檢測總線上的數(shù)據(jù)位是否正確。
校驗和錯誤-每一條消息的內(nèi)容都是由校驗和字節(jié)進行保護。
奇偶校驗錯-命令字節(jié)的6個數(shù)據(jù)位由兩個奇偶校驗位進行保護,需要重新進行計算這些位并比較。如果錯誤出現(xiàn),應(yīng)當忽略當前命令并且記錄下錯誤。LIN協(xié)議中沒有直接的錯誤報告機制,但每一個從節(jié)點應(yīng)當跟蹤其自身的錯誤,主節(jié)點可以要求從節(jié)點將錯誤狀態(tài)作為正常消息協(xié)議的一部分來傳輸。
LIN總線與CAN總線
LIN協(xié)議并不直接與CAN總線兼容,但人們期望兩者進行相互操作。CAN總線可能用在整個汽車內(nèi)來實現(xiàn)通信,而LIN總線僅用在汽車的局部電路內(nèi),如車門。為了連接兩種總線,需要采用CAN-LIN協(xié)議接口節(jié)點,該節(jié)點從LIN總線節(jié)點收集信息然后傳送到CAN總線上。
低功耗睡眠模式
主節(jié)點通過發(fā)送標識碼0x80指示所有節(jié)點進入睡眠模式,睡眠命令后面跟隨的數(shù)據(jù)字節(jié)的內(nèi)容沒有定義。收到睡眠命令的從節(jié)點應(yīng)當對本身進行設(shè)置,以便當總線發(fā)生改變時能喚醒,并關(guān)閉自身的電壓以使電流消耗最低。當處于睡眠模式時總線將處于高電平并且不消耗電流。
任意一個節(jié)點都可以通過發(fā)送喚醒信號來喚醒總線。當收到喚醒信號后,一般情況下所有的節(jié)點應(yīng)當激活并等待主節(jié)點開始總線輪詢。
硬件示例
圖3給出了有兩個按鈕和三個LED組成的硬件示例。每按動十下按鈕1 LED1改變一次狀態(tài)。同樣,每按動十下按鈕2,LED2改變一次狀態(tài)。作為標識為ID1的響應(yīng),按鈕的按動次數(shù)被傳送到總線上。作為標識為ID4的響應(yīng),按鈕的按動次數(shù)的刷新被傳送到總線上。
軟件操作
LIN協(xié)議程序工作在由RB0觸發(fā)的中斷下以實現(xiàn)總線的睡眠/喚醒。在觸發(fā)中斷時,程序?qū)Φ碗娖綌?shù)據(jù)位的長度進行計數(shù),然后讀同步字節(jié)并確定數(shù)據(jù)位時間,最后再將其與最初的數(shù)據(jù)位時間進行比較,以確定最初的低電平時間是否大于10個數(shù)據(jù)位的時間,大于10為同步中斷,小于10為喚醒信號。如果是喚醒信號,程序退出并繼續(xù)等待同步中斷;如果是同步中斷,程序就讀取命令字節(jié),檢查奇偶位并檢查動作表(action table)來確定接下來的動作。動作表定義了總線上數(shù)據(jù)的來源或目的地。
為了初始化LIN協(xié)議的從節(jié)點句柄(Slavehandler),用戶必須調(diào)用InitLinSlave程序,這個程序初始化RB0中斷引腳和TMR0寄存器。TMR0寄存器用來測量數(shù)據(jù)位的長度并生成波特率。初始化完成之后,用戶可以執(zhí)行自己的程序。一旦檢測到RB0引腳上的下降沿,用戶程序就將被中斷。當檢測到下降沿時,程序就跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序。必須禁止除了TMR0和RB0中斷之外所有的中斷源,以便對同步字段進行精確測量。計算出波特率之后,中斷服務(wù)程序就退出執(zhí)行。
在下一次RB0中斷發(fā)生時,LIN協(xié)議Slavehandler自動進入接收模式,以接收標識字段或數(shù)據(jù)字節(jié)。如果檢測到標識字段的起始位,就對標識字段進行接收和解碼。然后,根據(jù)收到的標識執(zhí)行相應(yīng)的代碼,例如存儲數(shù)據(jù)或點亮LED??偩€上一個幀傳輸完成之后,標志FCOMPLETE被置位。這個標志指示所有的數(shù)據(jù)都已正確接收完畢并可以進行后續(xù)的處理。此標志由用戶固件清除。
LIN協(xié)議從節(jié)點句柄Slavehandler最高可以工作在20K的波特率下,需要420字的程序存儲空間以及23字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲空間。
由于其低成本,LIN協(xié)議具有在汽車應(yīng)用中廣泛采用的潛力??梢允褂脙?nèi)置的RC振蕩器并且運行在4MHz的時鐘頻率下的諸如Microchip的各種器件的微處理器,使得設(shè)計師們能以最低的可能成本設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)。
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