LIN總線在車身控制中的應(yīng)用

電子設(shè)計(jì)應(yīng)用2004年第9期

摘要：隨著車內(nèi)電控單元的增加，車內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò)也日趨多樣化。汽車電子協(xié)會(huì)（SAE）將車內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò)分成四類，其中A類低速網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在燈光控制，車門車窗控制等車身控制。LIN(Local Interconnect Network)是多家汽車制造商和半導(dǎo)體公司為降低通訊成本提高性能所提出的符合A類的通訊標(biāo)準(zhǔn)。LIN以其通訊成本低，開發(fā)方便等優(yōu)勢(shì)在車身控制方面有著良好的應(yīng)用前景。本文對(duì)LIN總線進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并以燈光控制為例說明LIN總線在車身控制中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：車內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò)   LIN總線  車身控制  燈光控制

The Application of LIN Bus in Automotive Body Control

Abstract：With the increasing of Electronic Control Unit (ECU) in vehicle, communication networks in vehicle are in variety. The Society of Automotive Engineers (SAE) classified in-vehicle networks into four classes, in which the Class A for low-speed networks mainly apply for body control system such as light control, doors and windows control. In order to reduce costs and enhance performance, many automotive manufactures and semiconductor companies created a new communication standard in line with Class A, that is LIN (Local Interconnect Network). LIN is a low-cost and easier development network, which will well apply for body control system. This paper describes LIN bus in detail and explains LIN bus how to apply for automotive body control by the example of light control. 

1. 引言

　　由于車內(nèi)電控單元的增多導(dǎo)致車內(nèi)線束大量增加，這帶來了很多問題：減少了布局空間；

　　給制造和安裝增加了難度；當(dāng)增加額外的功能時(shí)將會(huì)增加線束，使性價(jià)比難以改善；大量線束增加了車的重量，這不利于提高燃油效率和性能；數(shù)量眾多的連接點(diǎn)增加了故障隱患。因此車內(nèi)引入通訊網(wǎng)絡(luò)來管理逐漸增多的電子器件是非常必要的。汽車網(wǎng)絡(luò)能夠靈活方便的集成各子系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的系統(tǒng)，同時(shí)減少了車內(nèi)線束和車重量，減少了由電控單元帶來的成本的增加，并且提高了系統(tǒng)的可靠性。車內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò)種類很多，汽車電子協(xié)會(huì)（SAE）將車內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò)分成四類，見下表：

 
　　電控單元之間的通訊根據(jù)對(duì)通訊帶寬和通訊速度的要求選擇不同的通訊網(wǎng)絡(luò)。車身控制部分的電控單元由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較少且對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，所以車身控制部分采用A類低速通訊網(wǎng)絡(luò)即可。目前很多車身控制解決方案中采用CAN的低速網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)通訊。而最近多家汽車制造商和半導(dǎo)體公司共同制定了可實(shí)現(xiàn)車內(nèi)舒適性和方便性應(yīng)用的低速網(wǎng)絡(luò)的通訊標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)通訊標(biāo)準(zhǔn)便是LIN。由于LIN是基于通用的SCI/UART接口的，不像CAN需要專用的控制器，而且LIN是單線傳輸?shù)?，其通訊成本要低于CAN，因此用LIN來代替原有的低速CAN，可以降低系統(tǒng)成本提高系統(tǒng)性能。

2. LIN 總線概述

　　LIN總線的方案是由眾多汽車制造商和半導(dǎo)體公司創(chuàng)建的,其目的是為了找到更低成本的子總線網(wǎng)絡(luò)，作為使用廣泛的CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的輔助。LIN網(wǎng)絡(luò)是基于主從結(jié)構(gòu)的，使用單線通訊，減少了大量線束的重量和費(fèi)用。LIN目標(biāo)應(yīng)用是不需要CAN的性能、帶寬及復(fù)雜性的低速系統(tǒng)，如

　　開關(guān)類負(fù)載或位置型系統(tǒng)包括車的后視鏡、車鎖、車座椅、車窗等的控制。LIN更有助于實(shí)現(xiàn)汽車中與CAN網(wǎng)絡(luò)連接的分布式控制系統(tǒng)。

2.1 LIN總線特點(diǎn)
　
　　•低成本的單線12v數(shù)據(jù)傳輸，線的驅(qū)動(dòng)和接收特性符合改進(jìn)的ISO 9141單線標(biāo)準(zhǔn)

　　•傳輸速率可達(dá)20Kbit/s

　　•單主/多從的結(jié)構(gòu)，不需要總線仲裁，由主節(jié)點(diǎn)來控制總線的訪問

　　•基于通用UART/SCI的硬件接口，使用成本低的半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)，幾乎所有的微控制器都有LIN 必需的硬件

　　•從節(jié)點(diǎn)不需要晶振或陶瓷振蕩器就可實(shí)現(xiàn)自同步，從而減少了從節(jié)點(diǎn)硬件成本

　　•保證在最差狀況下信號(hào)傳送的等待時(shí)間，來避免總線訪問沖突。

2.2 LIN的通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)幀格式

　　LIN網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。所有的節(jié)點(diǎn)都包括一個(gè)從任務(wù)(slave task)，從任務(wù)又分成發(fā)送和接受任務(wù)，主節(jié)點(diǎn)還包括一個(gè)主任務(wù)(master task)。在LIN網(wǎng)絡(luò)中所有通訊都是由主任務(wù)發(fā)起的，如下圖所示。主任務(wù)發(fā)送一幀頭（message head）給所有的從任務(wù)，幀頭由三部分組成：同步間隔（synch break），同步場(chǎng)（synch field）和信息識(shí)別符（identifier）。

　　從任務(wù)通過信息識(shí)別符來判斷是否響應(yīng)主任務(wù)，若需要響應(yīng)主任務(wù)則開始發(fā)送響應(yīng)信息。響應(yīng)信息由2，4或8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)和1個(gè)校驗(yàn)和字節(jié)組成。

　　信息識(shí)別符表示的是信息的內(nèi)容，而不是信息的目的地址。這樣定義可使多個(gè)節(jié)點(diǎn)收到同樣的信息，并且數(shù)據(jù)能夠以多種方式交換。數(shù)據(jù)可以從主節(jié)點(diǎn)發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)，也可以通過從節(jié)點(diǎn)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)或其他從節(jié)點(diǎn)。因此從節(jié)點(diǎn)之間通訊并不需要經(jīng)過主節(jié)點(diǎn)，并且主節(jié)點(diǎn)可以將信息廣播給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)中的主任務(wù)控制數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)序和優(yōu)先級(jí)。

　　主節(jié)點(diǎn)傳送信息到從節(jié)點(diǎn)，而從節(jié)點(diǎn)只在主節(jié)點(diǎn)詢問時(shí)才傳送信息。從節(jié)點(diǎn)僅在需要發(fā)出喚醒信息的時(shí)候才主動(dòng)地發(fā)送信息。

　　LIN的數(shù)據(jù)幀由幀頭和響應(yīng)信息組成，如圖1所示。幀頭由主任務(wù)發(fā)出，主任務(wù)在發(fā)出同步間隔后發(fā)送同步場(chǎng)（0x55），從節(jié)點(diǎn)利用同步場(chǎng)將它的波特率調(diào)整到傳送來的信號(hào)的波特率。之后，發(fā)送一字節(jié)的信息識(shí)別符，其中0～3位表示信息類別，4~5位表示信息長(zhǎng)度，7~8位是奇偶校驗(yàn)。從任務(wù)通過該字節(jié)判斷數(shù)據(jù)是否自己有關(guān)，并確定自己如何處理該數(shù)據(jù)。響應(yīng)信息是由從任務(wù)發(fā)出的，由2個(gè)、4個(gè)或8個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)和1個(gè)字節(jié)的和校驗(yàn)構(gòu)成。和校驗(yàn)（checksum）表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束，和校驗(yàn)是通過計(jì)算數(shù)據(jù)的全部字節(jié)而得到的（不包括識(shí)別字節(jié)及同步場(chǎng)）。

　　LIN 總線的另一個(gè)幀是睡眠幀，由主任務(wù)發(fā)出，它的作用是讓總線和節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。睡眠幀的識(shí)別字段包含數(shù)值 0x80之外，除此之外，睡眠幀與數(shù)據(jù)幀是相似的。當(dāng)收到喚醒信號(hào)時(shí)，總線睡眠狀態(tài)便中止。喚醒信號(hào)由從任務(wù)發(fā)出。
　　
2.3 LIN的物理接口

　　LIN的物理接口如下圖所示，LIN的物理接口是基于通用的SCI (UART)的硬件接口的，SCI (UART)接口是幾乎所有的微處理器都集成的硅模塊，因此使用LIN更加方便。LIN是單線傳輸數(shù)據(jù)的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過上拉電阻線與總線，電源從汽車電源網(wǎng)絡(luò)獲得VBAT。和上拉電阻串聯(lián)的二極管可以防止電子控制單元ECU 在本地電池掉電的情況下通過總線上電。

3. Lin車身控制應(yīng)用方案

　　車身控制系統(tǒng)主要包括燈光控制模塊，車門控制模塊和儀表顯示模塊等，這些模塊的基本原理是采集各種開關(guān)的狀態(tài)量根據(jù)這些狀態(tài)量來驅(qū)動(dòng)負(fù)載動(dòng)作，所以車身控制系統(tǒng)的控制對(duì)象主要是不同功率的燈、低速電機(jī)、電磁閥和開關(guān)量器件。它們對(duì)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求不高, 因此車身控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)采用A類標(biāo)準(zhǔn)即可。LIN正是眾多汽車生產(chǎn)商和半導(dǎo)體公司聯(lián)合提出的A類車用通訊網(wǎng)的開放總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)考慮到車身控制系統(tǒng)對(duì)成本比較敏感，LIN以其低成本的優(yōu)勢(shì)成為車身控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的首選。

　　下圖給出了卡車車身控制系統(tǒng)的解決方案。車身控制系統(tǒng)的這些電控模塊與汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分開有利于保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，這也是汽車內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò)分級(jí)的一個(gè)原因。車身控制系統(tǒng)的中央控制模塊也是一個(gè)網(wǎng)關(guān)，將CAN網(wǎng)絡(luò)和LIN網(wǎng)絡(luò)連接起來。

　　本文選取中央控制模塊和燈光控制模塊來說明LIN總線的應(yīng)用。中央控制模塊位于車的駕駛室內(nèi)，主要檢測(cè)駕駛室內(nèi)控制開關(guān)的狀態(tài)，并根據(jù)這些控制開關(guān)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制策略，然后將控制命令通過LIN總線發(fā)送給向各子模塊，同時(shí)通過CAN總線接收上層CAN網(wǎng)絡(luò)的某些信息。中央控制模塊的MCU選用Motorola公司的08系列單片機(jī)MC68HC908GZ16，該芯片是一款可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)的汽車專用芯片，其內(nèi)部集成了CAN的控制器，并有SCI模塊，這方便了CAN和LIN的開發(fā)。中央控制模塊中的CAN接口芯片采用Motorola公司的MC33388,LIN的接口芯片采用Motorola公司的MC33399。中央控制模塊的POWER單元作用是將車內(nèi)24v電壓轉(zhuǎn)換成5v供給MCU。DETECT單元作用是采集開關(guān)量的狀態(tài)，將并行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)送給MCU。中央控制模塊還可以根據(jù)不同需求增加驅(qū)動(dòng)單元，在本例中，中央控制模塊還完成了驅(qū)動(dòng)車內(nèi)的內(nèi)飾燈和雨刷電機(jī)的工作，驅(qū)動(dòng)芯片分別選取Motorola公司的MC33286和MC33289。

　　燈光控制模塊有兩塊，分別位于車的前部和后部，主要控制前部和后部的車燈。燈光控制模塊的MCU采用Motorola公司的低成本的單片機(jī)MC68HC908EY4，驅(qū)動(dòng)芯片根據(jù)車燈所需功率來選取，本文選取了多片Motorola公司的MC33288和MC33286。

4.結(jié)論

　　LIN總線在車身控制系統(tǒng)的應(yīng)用，降低了低端通訊網(wǎng)絡(luò)的成本，同時(shí)增加了設(shè)計(jì)的靈活性，提高了系統(tǒng)的可靠性，有利于分布式車身控制系統(tǒng)的開發(fā)。因此LIN總線在汽車領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，此外LIN總線作為一種開放協(xié)議，還可用在工業(yè)和家電領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度要求不高，短距離連接的設(shè)備間的通訊。

參考文獻(xiàn)：

1 LIN Specification Package 2.0 online. LIN Consortium.2003

2 Local Interconnect Network Applications. Motorola Inc.2004

3 Local Interconnect Network (LIN) Demonstration. Motorola Inc.2000