未來汽車中的終端節(jié)點(diǎn)通訊

本文旨在介紹本地互聯(lián)網(wǎng)這種低成本的串行通訊協(xié)議，它主要用于汽車的分布式電子系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)的車輛概念中。

本文介紹了現(xiàn)行的LIN版本，即從原來的LIN1.3版升級(jí)而來的LIN 2.0，并介紹了LIN網(wǎng)絡(luò)的一些基本知識(shí)。作為實(shí)施LIN2.0的實(shí)例，本文還介紹了支持LIN的無刷直流電機(jī)（BLDC）發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇控制的應(yīng)用，它以飛思卡爾的8位MCU為基礎(chǔ)，使用了Volcano LIN 開發(fā)包。

車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)解決方案

新技術(shù)為車輛帶來的眾多改變之一就是電子零部件的不斷增加，同時(shí)，帶有多種傳感器、執(zhí)行器、電子控制器的高級(jí)控制系統(tǒng)也對(duì)車用通訊技術(shù)提出了巨大需求。顯而易見，這些需求只能通過使用這種網(wǎng)絡(luò)解決方案來滿足，因?yàn)檐噧?nèi)環(huán)境各不相同，所以，本文將介紹三種能滿足成本、安全性和通訊速度需求的主要通訊標(biāo)準(zhǔn)。

FlexRay

CAN -控制器局域網(wǎng)絡(luò)

LIN -本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

以上三種通訊標(biāo)準(zhǔn)在通訊速度和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本方面的比較，見圖1

圖1： 主要汽車通訊協(xié)議

每個(gè)通訊標(biāo)準(zhǔn)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和目標(biāo)應(yīng)用平臺(tái)：

FlexRay--高速度（每信道高達(dá)10 Mbps）、雙信道、時(shí)間觸發(fā)、強(qiáng)大的容錯(cuò)協(xié)議，設(shè)計(jì)用作骨干網(wǎng)。一般的目標(biāo)應(yīng)用是所謂的X-by-wire（線控）概念。其目的是通過電子信號(hào)傳輸來替代傳統(tǒng)的制動(dòng)踏板和制動(dòng)器或方向盤和車輪之間的機(jī)械傳動(dòng)。 CAN（控制器局域網(wǎng)）--中等速度（最高1Mbps）、單信道、雙線容錯(cuò)協(xié)議，目前不僅在汽車業(yè)，還在許多工業(yè)應(yīng)用中廣泛使用。CAN協(xié)議的目標(biāo)應(yīng)用可以包括電機(jī)控制、懸架控制和車內(nèi)信息娛樂功能。 LIN-本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)--低速（最高20kbps）、單線低成本協(xié)議，可用于終端節(jié)點(diǎn)應(yīng)用。LIN的概念注定這種協(xié)議用于傳感器/執(zhí)行器中，一般用于低速通訊，即速度不是關(guān)鍵因素的應(yīng)用中。

圖2是面向總線的汽車設(shè)計(jì)理念的一個(gè)例子。這種設(shè)計(jì)顯示三種通訊協(xié)議的共存。

圖2：總線車概念

LIN--本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

如上所述，LIN是一種低成本的單線串行通訊接口。它基于通用的UART/SCI接口，可以20 kbps的波特率保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。LIN總線一般應(yīng)用于集成裝置，比如門、方向盤、座椅、溫度控制和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇等。在這些裝置中，LIN網(wǎng)絡(luò)對(duì)成本敏感的特性使其采用了一系列先進(jìn)的機(jī)械電子裝置，如智能傳感器/執(zhí)行器。此外，通過用數(shù)字編碼代替模擬編碼，機(jī)械電子裝置可以輕松連接到車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并易于進(jìn)行各種診斷和維修，包括系統(tǒng)的重新編程和更新。

LIN協(xié)議的另一個(gè)主要特征是從節(jié)點(diǎn)中可以自動(dòng)完成同步而無需晶振或陶瓷振蕩器。這一特性和基于SCI的通訊的簡便性是任何LIN實(shí)施提供經(jīng)濟(jì)高效性的主要因素。

操作基礎(chǔ)

LIN的操作概念基于一主多從的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種情況下，LIN集群（LIN 2.0版中LIN網(wǎng)絡(luò)的同義詞）包含一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和幾個(gè)（多達(dá)15個(gè)）從節(jié)點(diǎn)。

圖3： 操作概念

如圖3所示，LIN節(jié)點(diǎn)實(shí)際上可以分成兩個(gè)獨(dú)立的部分：

主任務(wù)（Master task），負(fù)責(zé)決定何時(shí)傳輸哪個(gè)幀 從任務(wù)（Slave task），提供將通過LIN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并允許通過節(jié)點(diǎn)從低功耗模式中喚醒LIN集群。

典型的主節(jié)點(diǎn)包含主任務(wù)和從任務(wù)，而從節(jié)點(diǎn)只包含從任務(wù)。

幀的組成

通過LIN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位叫作幀。每個(gè)幀包含兩個(gè)主要部分：

主任務(wù)提供的報(bào)頭。 從任務(wù)處理的響應(yīng)。

圖4：LIN幀的組成

報(bào)頭包含以下幾個(gè)部分：

中斷（Break） - 至少13位長的LIN總線的主導(dǎo)狀態(tài)，由主任務(wù)產(chǎn)生，包含每個(gè)LIN幀。 同步字段（Synchronisation field） - 數(shù)據(jù)值在0x55的位字段，使從任務(wù)能與主時(shí)鐘同步。 受保護(hù)的識(shí)別符(PID) - 獨(dú)特地定義消息內(nèi)容但不定義接收方的地址。PID以一個(gè)6位長的識(shí)別符開始，后面跟有兩個(gè)奇偶校驗(yàn)位。

LIN幀的響應(yīng)部分是節(jié)點(diǎn)的從任務(wù)提供的，可分為以下兩部分：

數(shù)據(jù)字段--傳輸1到8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。 檢驗(yàn)和字段--包含反向轉(zhuǎn)化的8個(gè)字節(jié)總和，包括后續(xù)(Carry Over)數(shù)據(jù)字節(jié)。

LIN幀的結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5：LIN幀結(jié)構(gòu)

在LIN幀的響應(yīng)部分傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容有三種類型：

信號(hào) - 響應(yīng)的數(shù)據(jù)字段中包含的梯狀值或字節(jié)陣列。在這種情況下，幀的ID必須在0x00和 0x3B之間。注意，數(shù)據(jù)段中信號(hào)的位置對(duì)帶有相同 PID的幀來說是固定的。 診斷信息 - 用來傳輸診斷或配置數(shù)據(jù)。這些信息總是8位長，并帶有預(yù)留的ID號(hào)。0x3C ID用于主請(qǐng)求， 而0x3D 用于從響應(yīng)。 保留信息 - 可用于用戶定義的擴(kuò)展名 (這種情況下ID等于0x3E)或預(yù)留用于未來的協(xié)議改進(jìn)（ID設(shè)為0x3F）。

主任務(wù)對(duì)報(bào)頭的傳輸基于集群的時(shí)間表。時(shí)間表規(guī)定了傳送幀的順序，以及當(dāng)前和下一個(gè)幀之間的間隔。由于時(shí)間表的數(shù)量從理論上講沒有限制，所以可以定義幾個(gè)不同的時(shí)間表來滿足集群運(yùn)行的不同需求。時(shí)間表概念是一個(gè)機(jī)制，有助于確保網(wǎng)絡(luò)不會(huì)過載，并確保有保證的數(shù)據(jù)傳輸。