汽車LIN網(wǎng)絡(luò)解決方案

介紹

長(zhǎng)期以來(lái)，許多大的汽車生產(chǎn)商采用的是對(duì)汽車所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中控制的解決方案。這些采用集中控制的節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)為車窗升降、鎖門(mén)和車鏡位置調(diào)整等幾種用戶操作提供接口和控制。

過(guò)去，這些采用集中控制的節(jié)點(diǎn)基于高性能的MCU，這個(gè)MCU負(fù)責(zé)處理模塊中的各種功能。

模塊通常通過(guò)CAN總線連接，現(xiàn)在該方法已在大量汽車平臺(tái)中得到實(shí)施。雖然該方法能夠解決大量聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題，但同時(shí)也導(dǎo)致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)太過(guò)復(fù)雜、速率要求過(guò)高。

汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)繼續(xù)對(duì)生產(chǎn)商提出更多要求。創(chuàng)新和功能增強(qiáng)一直是競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)因素：在現(xiàn)有平臺(tái)上實(shí)施這些功能已變得越來(lái)越困難。

增強(qiáng)各個(gè)集中控制節(jié)點(diǎn)的MCU功能是解決問(wèn)題的一個(gè)途徑，但是，MCU規(guī)格增大、互連數(shù)量增加、缺乏靈活性等問(wèn)題最終會(huì)導(dǎo)致效率降低。

還有一種方法是降低集中控制的集成度，將部分功能移植到更小，更可靠的節(jié)點(diǎn)。本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LIN)是實(shí)現(xiàn)該目的的理想網(wǎng)絡(luò)，提供了一種低速率、低成本的實(shí)施方法。

本文將以本地互連網(wǎng)絡(luò)為例，重點(diǎn)介紹這些簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)。將討論幾種LIN網(wǎng)絡(luò)方案，并且比較各個(gè)解決方案的優(yōu)劣勢(shì)。

LIN概況

LIN總線是針對(duì)低成本應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的汽車串行協(xié)議。它對(duì)現(xiàn)有CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了補(bǔ)充，支持車內(nèi)的分層式網(wǎng)絡(luò)。本協(xié)議是簡(jiǎn)單的主/從配置，主要流程在主節(jié)點(diǎn)上完成。為了減少成本，從節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)盡量簡(jiǎn)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(diǎn)發(fā)起?，F(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(diǎn)，即主-從傳輸(主節(jié)點(diǎn)中的從任務(wù)傳輸數(shù)據(jù))或從-從傳輸(主節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀頭，從某個(gè)從節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，然后由另一從節(jié)點(diǎn)接收該數(shù)據(jù))。這兩種方法具有不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

使用LIN協(xié)議的信息傳輸定時(shí)是可以預(yù)測(cè)的。該協(xié)議是時(shí)間觸發(fā)型，不需要總線仲裁，同樣可以計(jì)算每條信息幀在最差環(huán)境的定時(shí)。每條信息幀的傳輸都由主節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行的調(diào)度表控制。調(diào)度表在既定時(shí)間傳輸信息幀幀頭。

網(wǎng)絡(luò)實(shí)施

本節(jié)主要介紹單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)、多個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)和混合CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)方面。

單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)(多個(gè)門(mén)節(jié)點(diǎn))

在這類網(wǎng)絡(luò)中，車身控制器模塊(BCM)將通過(guò)單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)與其它所有節(jié)點(diǎn)相連。如下圖所示：

這類網(wǎng)絡(luò)具有非常直接的結(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(shè)計(jì)為對(duì)CAN進(jìn)行補(bǔ)充(而不是替換CAN)，但是如上圖所示的連接可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的LIN解決方案。

這是一個(gè)能降低成本的解決方案，因?yàn)樗恍枰魏蜟AN節(jié)點(diǎn)。BCM是LIN 網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)，所有LIN節(jié)點(diǎn)都可以接入LIN網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)乃行畔ⅰ２捎迷摲N解決方案，網(wǎng)絡(luò)上通常擁有5個(gè)LIN節(jié)點(diǎn)。減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量和定義初始信息傳輸方法使網(wǎng)絡(luò)更直接有效。

但是，制定調(diào)度(定義哪條信息會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中以什么順序出現(xiàn))比較困難。如果該系統(tǒng)使用從-從通信，就可以簡(jiǎn)化調(diào)度表的制訂過(guò)程，并能有效地將網(wǎng)絡(luò)流量減少到最小程度。例如，如果一個(gè)車門(mén)有任何鍵盤(pán)操作，這時(shí)主節(jié)點(diǎn)需要作出決策：網(wǎng)絡(luò)上的任何節(jié)點(diǎn)都能在同一個(gè)信息幀內(nèi)響應(yīng)。

這類網(wǎng)絡(luò)信息流最短，從而引起的EMC問(wèn)題最少。同時(shí)，流量密度的降低，還有助于減少輻射。由于所有節(jié)點(diǎn)都通過(guò)單線連接，接頭數(shù)量減少到最少，這樣增加了可靠性。

既然該方法具有如此顯著的優(yōu)勢(shì)，為什么許多生產(chǎn)商不實(shí)施該解決方案呢?原因如下：首先，網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度與CAN解決方案沒(méi)有太大區(qū)別。每個(gè)車門(mén)節(jié)點(diǎn)仍然需要控制車鏡、車窗升降和鎖門(mén)等操作，仍然是居于高性能MCU的方案。

在安全性十分重要的應(yīng)用中(如汽車 )，每個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)完全依靠單主節(jié)點(diǎn)/單線連接。如果使用本網(wǎng)絡(luò)的汽車發(fā)生撞車，那么所有節(jié)點(diǎn)都很容易被破壞，進(jìn)而可能無(wú)法響應(yīng)。

在低功率應(yīng)用中(仍以汽車為例)，網(wǎng)絡(luò)需要頻繁的返回到低功率狀態(tài)，這時(shí)所有節(jié)點(diǎn)都處于睡眠模式。盡管所有LIN節(jié)點(diǎn)都能喚醒網(wǎng)絡(luò)，但主節(jié)點(diǎn)可能需要一定時(shí)間才能決定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)喚醒網(wǎng)絡(luò)。

兩個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)(左邊和右邊)

為了克服單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，部分公司開(kāi)始使用雙LIN網(wǎng)絡(luò)。結(jié)構(gòu)圖如下：

BCM控制兩個(gè)完全獨(dú)立的LIN網(wǎng)絡(luò)，使得制定調(diào)度表變得相對(duì)簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)靈活性也增強(qiáng)，即使出現(xiàn)撞車事件，大部分網(wǎng)絡(luò)仍能保持完整狀態(tài)。同時(shí)采用兩個(gè)完全獨(dú)立的LIN網(wǎng)絡(luò)，有利于各個(gè)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行通信。

但是，這個(gè)方法仍然有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，各個(gè)節(jié)點(diǎn)智能沒(méi)有降低，仍然需要高性能的MCU。其次，盡管信息定義變得更簡(jiǎn)單，但兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的信息交換變得困難，有時(shí)比較慢。在這種配置中，雖然鍵盤(pán)作為L(zhǎng)IN節(jié)點(diǎn)配置在網(wǎng)絡(luò)右側(cè)，但鍵盤(pán)的大量功能卻需要左手方網(wǎng)絡(luò)控制，這會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間延遲的問(wèn)題。

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。

因此，在汽車應(yīng)用中，怎么應(yīng)用LIN呢?我們?cè)谇懊娴慕榻B中提到，LIN是作為CAN的補(bǔ)充，而不是徹底替換CAN。下圖是CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)的解決方案：

如前所述，通常BCM和四個(gè)車門(mén)通過(guò)一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)連接。這是目前大量生產(chǎn)商采用的典型方案。這時(shí)，每個(gè)車門(mén)內(nèi)的高性能控制器(MCU)，如常見(jiàn)的Freescale HC908AZ60A, 直接控制車窗和車鏡。

采用LIN結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車門(mén)功能，就可以選擇規(guī)格更小的MCU(如HC908GZ16)，其除了能為BCM通信提供必要的CAN接口，還有足夠的資源去控制單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)。在本例中，駕駛員車門(mén)MCU除了是BCM 的CAN 接口，還是控制后視鏡、鍵盤(pán)、鎖和車窗升降等操作的LIN網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)。

這樣做雖然會(huì)增加車門(mén)內(nèi)的MCU，但如果對(duì)MCU和LIN狀態(tài)機(jī)進(jìn)行合適的選擇，就可以獲得功能更強(qiáng)大、更靈活的分布式系統(tǒng)。

在當(dāng)今飛速變化的行業(yè)中，客戶要求更多能滿足其需求的定制產(chǎn)品，靈活性是實(shí)現(xiàn)這種需求的重要因素。通過(guò)在車內(nèi)引入規(guī)格更小的單獨(dú)模塊，汽車生產(chǎn)商能夠迅速修改其標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品平臺(tái)，去迎合客戶的需求。

車門(mén)控制

前面的例子介紹了車門(mén)內(nèi)部的典型LIN網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還針對(duì)上面提及的局限性提出了解決方法。但是，現(xiàn)在車門(mén)網(wǎng)絡(luò)仍然存在幾個(gè)問(wèn)題，特別是功能失效和安全問(wèn)題。車鏡是系統(tǒng)中最容易被破壞的部件，在市區(qū)駕駛時(shí)經(jīng)常被人取走，從而造成網(wǎng)絡(luò)中斷，甚至給部分生產(chǎn)商帶來(lái)無(wú)法承受的風(fēng)險(xiǎn)。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(mén)MCU的直接接入。這又是一個(gè)重大風(fēng)險(xiǎn)。

有幾種方法可以減少這種風(fēng)險(xiǎn)。方法之一如下：

在本例中，車門(mén)內(nèi)部有兩個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)。從圖上可以看到，車鏡與系統(tǒng)其它部分有效地隔離開(kāi)，大大降低車鏡被取走而帶來(lái)的危害。任何罪犯行為只能訪問(wèn)駕駛員車門(mén)MCU，但無(wú)法接入關(guān)鍵組件，如門(mén)鎖等。

還有一種方法是從LIN子節(jié)點(diǎn)控制車鏡。

在本例中，安全和可靠性問(wèn)題都能夠有效解決。車鏡由鍵盤(pán)MCU或LIN節(jié)點(diǎn)直接控制。兩種方法都是合適的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

典型的LIN節(jié)點(diǎn)

上圖介紹了車門(mén)內(nèi)部的LIN網(wǎng)絡(luò)。

下面是車內(nèi)常見(jiàn)LIN節(jié)點(diǎn)的例子。

駕駛員車門(mén)模塊

在上面的系統(tǒng)中，該模塊是車門(mén)網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)，提供車門(mén)內(nèi)部LIN網(wǎng)絡(luò)的控制和定時(shí)功能。它能控制車門(mén)內(nèi)所有LIN 節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也充當(dāng)車身控制模塊(BCM)和本地LIN 網(wǎng)絡(luò)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(xì)信息，有時(shí)駕駛員或乘客車鏡還安裝溫度感應(yīng)器來(lái)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(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)信息。車鏡模塊通常是LIN從節(jié)點(diǎn)。

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(diǎn)一般是LIN 從節(jié)點(diǎn)，有時(shí)前車窗模塊同時(shí)充當(dāng)BCM的LIN從節(jié)點(diǎn)和后車門(mén)的主節(jié)點(diǎn)。

門(mén)鎖模塊

鎖定功能包括標(biāo)準(zhǔn)鎖和童鎖。車門(mén)內(nèi)部的LIN直接與模塊連接，這也是實(shí)現(xiàn)童鎖功能的前提條件，這樣司機(jī)才能取消特定的門(mén)鎖功能。門(mén)鎖模塊一般是LIN 從節(jié)點(diǎn)。

前開(kāi)關(guān)面板

汽車舒適性控制的大量功能(如鎖門(mén)、車窗升降和車鏡控制的開(kāi)關(guān))有時(shí)集成到單個(gè)模塊中，作為L(zhǎng)IN網(wǎng)絡(luò)的從節(jié)點(diǎn)。

通信方法

如前所述，LIN網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)控制，有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

主-從通信

主節(jié)點(diǎn)傳輸信息ID(參見(jiàn)第2節(jié))，進(jìn)而發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸命令。網(wǎng)上所有LIN節(jié)點(diǎn)將該信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行相應(yīng)的操作。

根據(jù)該主-從通信模式，主節(jié)點(diǎn)內(nèi)部有一個(gè)從節(jié)點(diǎn)正在運(yùn)行。它對(duì)正確的ID進(jìn)行響應(yīng)，然后將規(guī)定的比特傳輸?shù)絃IN總線。不同LIN節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中都擁有完整的LIN幀，同時(shí)還按照各自的不同應(yīng)用提供主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和流程。

例如，主節(jié)點(diǎn)可能希望所有門(mén)鎖都打開(kāi)，這樣每個(gè)門(mén)鎖節(jié)點(diǎn)被設(shè)定為對(duì)單個(gè)信息進(jìn)行響應(yīng)，然后完成開(kāi)鎖;或者主節(jié)點(diǎn)可能傳輸四條不同信息，然后選擇性地打開(kāi)門(mén)鎖。

主-從通信模式將大部分調(diào)度操作轉(zhuǎn)移到主節(jié)點(diǎn)上，從而簡(jiǎn)化其它節(jié)點(diǎn)操作。因此，LIN從節(jié)點(diǎn)硬件大幅減少，甚至可能減少為單個(gè)狀態(tài)設(shè)備。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，由于主節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)與所有節(jié)點(diǎn)通信，已信息和要求的ID數(shù)量都大大減少。

主節(jié)點(diǎn)將所有數(shù)據(jù)通信發(fā)送到全部節(jié)點(diǎn)(然后在所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌O(shè)備之前從節(jié)點(diǎn)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(diǎn)對(duì)所有通信進(jìn)行監(jiān)測(cè)，減少并消除潛在錯(cuò)誤。

但是，這種通信方法速度緩慢。這時(shí)，LIN節(jié)點(diǎn)很難及時(shí)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(diǎn)。

從-從通信

主節(jié)點(diǎn)同樣發(fā)送信息幀頭。但是，在從-從通信模式下，響應(yīng)從任務(wù)的是遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，如鍵盤(pán)。當(dāng)鍵盤(pán)填滿信息幀數(shù)據(jù)字節(jié)時(shí)，網(wǎng)上所有節(jié)點(diǎn)都能看到整個(gè)傳輸過(guò)程，并響應(yīng)相應(yīng)的操作。本例中，車窗LIN 從節(jié)點(diǎn)響應(yīng)鍵盤(pán)LIN節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

與主-從通信相比，從-從通信方法更迅速。各個(gè)信息幀上的節(jié)點(diǎn)共用信息，從而極大地提高響應(yīng)速度。單個(gè)信息可以打開(kāi)兩扇車窗，關(guān)閉一個(gè)車門(mén)，打開(kāi)三個(gè)車門(mén)或者移動(dòng)車窗。這樣就可以明顯減少網(wǎng)上的數(shù)據(jù)流量。

但是，從-從通信方法有重要的局限：首先，各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘源未知，因此從節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)時(shí)(根據(jù)主節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求)，數(shù)據(jù)可能發(fā)生漂移。主節(jié)點(diǎn)有一個(gè)精確度很高的時(shí)鐘，數(shù)據(jù)漂移有較大的誤差范圍，但另一個(gè)接受數(shù)據(jù)的LIN 從節(jié)點(diǎn)卻沒(méi)有，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤譯。其次，這種情況下，主節(jié)點(diǎn)不顯示從-從通信已經(jīng)失效。

數(shù)據(jù)傳輸速率

信息幀傳輸持續(xù)時(shí)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(shí)的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間。本協(xié)議專用于1kbps和 20kbps之間的運(yùn)行，建議在LIN技術(shù)規(guī)范中也使用這些傳輸速率。

這些數(shù)據(jù)可能看起來(lái)速率很慢(特別是與CAN 比較時(shí))，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(jiǎn)化從節(jié)點(diǎn)。

結(jié)論

隨著汽車的一些智能控制功能轉(zhuǎn)移到最小的節(jié)點(diǎn)中，對(duì)滿足這樣要求的小而可靠的微處理器的需求越來(lái)越多。

LIN網(wǎng)絡(luò)方案使大量節(jié)點(diǎn)之間的互連變得簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效，因此是理想的解決方案。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮大量其它因素。