第4.2章 lin總線技術(shù)(汽車電子技術(shù))

LIN總線：用于車體控制的總線標(biāo)準(zhǔn)1概述2LIN數(shù)據(jù)傳輸3LIN在汽車中的應(yīng)用1/14/202311概述LIN(LocalInterconnectNetwork)是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制，LIN的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)(例如CAN總線)提供輔助功能。因此，LIN總線是一種輔助的總線網(wǎng)絡(luò)，在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場合，比如智能傳感器和制動(dòng)裝置之間的通訊。1/14/20232本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)是一種用于汽車中分布電子系統(tǒng)的新型低成本串行通訊系統(tǒng)，它是現(xiàn)有汽車多重傳輸網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充。LIN瞄準(zhǔn)一些低端應(yīng)用，在這些應(yīng)用中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通訊成本都必須大大低于CAN而且不需要CAN的高性能、高帶寬和多功能。LIN相對于CAN的成本節(jié)省主要是由于采用單線傳輸、硅片中硬件或軟件的低實(shí)現(xiàn)成本和無需在從屬節(jié)點(diǎn)中使用石英或陶瓷諧振器。1/14/20233LIN實(shí)現(xiàn)了一種具有成本效益的智能傳感器和執(zhí)行器的通訊方式。這種通訊是基于串行通訊接口(SCI)數(shù)據(jù)格式、單宿主/多從概念、單線12V總線和沒有穩(wěn)定時(shí)間基的節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步。低端多路通訊的汽車標(biāo)準(zhǔn)不久前才出現(xiàn)。采用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，汽車制造商及其供應(yīng)商能以非常經(jīng)濟(jì)的方式創(chuàng)建、實(shí)現(xiàn)和處理復(fù)雜的分層化多路復(fù)用系統(tǒng)。1/14/20234LIN總線成本低的原因LIN相對于CAN的成本節(jié)省主要是由于采用單線傳輸、硅片中硬件或軟件的低實(shí)現(xiàn)成本和無需在從屬節(jié)點(diǎn)中使用石英或陶瓷諧振器。這些優(yōu)點(diǎn)是以較低的帶寬和受局限的單宿主總線訪問方法為代價(jià)的。1/14/20235LIN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)lin網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)組成。主節(jié)點(diǎn)主任務(wù)從任務(wù)主節(jié)點(diǎn)主任務(wù)從任務(wù)從節(jié)點(diǎn)1從任務(wù)從節(jié)點(diǎn)n從任務(wù)…1/14/20236除了宿主節(jié)點(diǎn)的命名之外，LIN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不使用有關(guān)系統(tǒng)設(shè)置的任何信息。我們可以在不要求其它從屬節(jié)點(diǎn)改變硬件和軟件的情況下向LIN中增加節(jié)點(diǎn)。1/14/20237LIN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)LIN線路接口采用+UARTLINRXTXLIN節(jié)點(diǎn)通信媒介（銅線）LINUART集成在微控制器部件中Lin節(jié)點(diǎn)擁有線路接口（LIN標(biāo)準(zhǔn)）以便同其他LIN電控單元之間處理信息數(shù)據(jù)。還有一部分是協(xié)議控制器（集成在微控制器中）。1/14/20238通訊概念LIN包含一個(gè)宿主節(jié)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)從屬節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)都包含一個(gè)被分解為發(fā)送和接收任務(wù)的從屬通訊任務(wù)，而宿主節(jié)點(diǎn)還包含一個(gè)附加的宿主發(fā)送任務(wù)。在實(shí)時(shí)LIN中，通訊總是由宿主任務(wù)發(fā)起的。宿主節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)包含同步中斷、同步字節(jié)和消息識別碼的消息報(bào)頭。從屬任務(wù)在收到和過濾識別碼后被激活并開始消息響應(yīng)的傳輸。響應(yīng)包含兩個(gè)、四個(gè)或八個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)和一個(gè)檢查和(checksum)字節(jié)。報(bào)頭和響應(yīng)部分組成一個(gè)消息幀。1/14/20239LIN總線是單線，通過從電池正極Vbat的端接電阻向?qū)Ь€或總線供電。總線收發(fā)器是ISO9141標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)。該總線可以采用兩個(gè)互補(bǔ)的邏輯電平：接近于地的電壓顯性值(dominantvalue)表示邏輯“0”，電壓接近于電池供電電壓的隱性值(recessivevalue)表示邏輯“1”。該總線的端接部分使用1k(在宿主節(jié)點(diǎn))和30k(在從屬節(jié)點(diǎn))的上拉電阻。從屬節(jié)點(diǎn)的端接電容通常為220pF。1/14/202310

如上文所述，LIN網(wǎng)絡(luò)基于主從節(jié)點(diǎn)構(gòu)架而形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主節(jié)點(diǎn)需要向從節(jié)點(diǎn)發(fā)出周期性的檢測信號，檢測結(jié)果由從節(jié)點(diǎn)反饋給主控制器。其中周期根據(jù)事件檢測的實(shí)時(shí)性要求而設(shè)定。

如圖二所示，LIN的信號由一個(gè)由主任務(wù)提供的標(biāo)頭（Header）和由從任務(wù)處理的響應(yīng)部分（Response）構(gòu)成。標(biāo)頭包含一個(gè)13位的同步間隔字段（SynchBreakField）、一個(gè)由主任務(wù)產(chǎn)生的同步字段（SynchField），以及一個(gè)辨識字段（IdentifierField）。其中每一個(gè)字節(jié)字段都以串行位元組方式發(fā)送，起始位的第一位為“0”，而終止位為“1”。由主任務(wù)執(zhí)行的信號標(biāo)頭會(huì)依整個(gè)LIN叢集的進(jìn)度表決定每個(gè)信號的傳輸時(shí)間，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性及避免網(wǎng)絡(luò)超載的危險(xiǎn)。在LIN網(wǎng)絡(luò)中只有主節(jié)點(diǎn)采用晶體振蕩器來為系統(tǒng)提供精確的基本時(shí)鐘，此時(shí)鐘會(huì)嵌入上述的同步字段中，讓從任務(wù)能與主節(jié)點(diǎn)時(shí)序同步。LIN信號的響應(yīng)部分包含一個(gè)數(shù)據(jù)域位（DataFiled），長度為2/4/8個(gè)字節(jié)，和一個(gè)長度為一個(gè)字節(jié)的驗(yàn)證字段（ChecksumField）。LIN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1/14/202311圖二LIN信號結(jié)構(gòu)示意圖1/14/202312

LIN總線中數(shù)據(jù)借助報(bào)文幀來傳輸，報(bào)文幀由報(bào)文頭和響應(yīng)組成。

報(bào)文頭只能由主機(jī)任務(wù)發(fā)送，它包括同步間隔場、同步場和標(biāo)識符場三個(gè)部分。同步間隔場為至少13個(gè)連續(xù)的顯性位（低電平），它標(biāo)志著一個(gè)報(bào)文幀的開始。其后為同步場，同步場邏輯值為0x55，從機(jī)節(jié)點(diǎn)利用同步場來實(shí)現(xiàn)與主機(jī)節(jié)點(diǎn)的同步。標(biāo)識符場緊跟在同步場之后，長度為一個(gè)字節(jié)。標(biāo)識符場中低6位為標(biāo)識符位，共可組成64個(gè)標(biāo)識符，其中60個(gè)用作一般報(bào)文傳輸、兩個(gè)用作診斷幀、一個(gè)用作用戶定義幀、一個(gè)留作LIN擴(kuò)展用。標(biāo)識符后兩位為奇偶校驗(yàn)位。

標(biāo)識符指出當(dāng)前幀的內(nèi)容，從機(jī)節(jié)點(diǎn)據(jù)此來確定自己是否應(yīng)該對當(dāng)前幀做出響應(yīng)、做出何種響應(yīng)。2.LIN數(shù)據(jù)傳輸1/14/202313響應(yīng)由從機(jī)任務(wù)發(fā)送，它由數(shù)據(jù)場和校驗(yàn)和場組成。數(shù)據(jù)場由報(bào)文幀所攜帶的數(shù)據(jù)組成，長度為一到八個(gè)字節(jié)。報(bào)文幀的最后為校驗(yàn)和場，長度為一字節(jié)，LIN1.3及其以前的規(guī)范版本中規(guī)定校驗(yàn)和場僅對數(shù)據(jù)場作校驗(yàn)，稱為傳統(tǒng)校驗(yàn)和，LIN2.0規(guī)范中規(guī)定校驗(yàn)和場校驗(yàn)范圍包括數(shù)據(jù)場和標(biāo)識符場，稱為增強(qiáng)校驗(yàn)和。一個(gè)完整的報(bào)文幀如圖所示。圖LIN報(bào)文幀1/14/202314

LIN信息傳輸過程

LIN從機(jī)向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)示如圖所示，整個(gè)過程在主機(jī)的協(xié)調(diào)下進(jìn)行。從機(jī)向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)

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LIN主機(jī)向兩個(gè)或兩個(gè)以上的從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)如圖所示，整個(gè)過程在主機(jī)的協(xié)調(diào)下進(jìn)行。主機(jī)向兩個(gè)或兩個(gè)以上的從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)1/14/202316

從機(jī)和從機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)如圖所示，整個(gè)過程在主機(jī)的協(xié)調(diào)下進(jìn)行。從機(jī)和從機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)1/14/202317一個(gè)報(bào)文幀由一個(gè)幀頭（由主機(jī)任務(wù)模塊提供）和一個(gè)響應(yīng)幀（由從機(jī)任務(wù)模塊提供）組成。幀頭包括一個(gè)同步間隔場(SYNCHBREAKFIELD)、一個(gè)同步場(SYNCHFIELD)和一個(gè)標(biāo)識符場。報(bào)文幀的用途由標(biāo)識符唯一定義，約定的從機(jī)任務(wù)根據(jù)標(biāo)識符提供相關(guān)的響應(yīng)幀并發(fā)送到總線上（如圖2、圖3所示），響應(yīng)幀由2、4或8字節(jié)的數(shù)據(jù)場(DATAFIELD)和一個(gè)校驗(yàn)和場(CHECKSUMFIELD)組成。對這個(gè)標(biāo)識符相聯(lián)的數(shù)據(jù)感興趣的從機(jī)任務(wù)將接收響應(yīng)幀，校驗(yàn)和檢驗(yàn)通過后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。報(bào)文幀1/14/202318根據(jù)傳輸條件的不同，報(bào)文幀可分為絕對幀、觸發(fā)幀、離散幀、診斷幀、用戶定義幀和保留幀六種。LIN總線上的所有通訊都由主機(jī)節(jié)點(diǎn)中的主機(jī)任務(wù)發(fā)起，主機(jī)任務(wù)根據(jù)進(jìn)度表來確定當(dāng)前的通訊內(nèi)容，發(fā)送相應(yīng)的幀頭，并為報(bào)文幀分配幀通道。總線上的從機(jī)節(jié)點(diǎn)接收幀頭之后，通過解讀標(biāo)識符來確定自己是否應(yīng)該對當(dāng)前通訊做出響應(yīng)、做出何種響應(yīng)?；谶@種報(bào)文濾波方式，LIN可實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)傳輸模式，且一個(gè)報(bào)文幀可以同時(shí)被多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收利用1/14/2023191/14/202320這樣的通訊機(jī)制帶來了非常理想的效果：·系統(tǒng)靈活性：在LIN網(wǎng)絡(luò)中可以直接增加節(jié)點(diǎn)而不需要對其它從機(jī)節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件進(jìn)行修改；·報(bào)文路由：報(bào)文的內(nèi)容由標(biāo)識符定義；·廣播：多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)接收一個(gè)單獨(dú)的報(bào)文幀，并對報(bào)文作出反應(yīng)。1/14/2023213LIN在汽車中的應(yīng)用現(xiàn)以車門LIN網(wǎng)絡(luò)為例介紹LIN總線設(shè)計(jì)的一般方法。車門控制LIN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及其在車門上的布置如右圖所示，該網(wǎng)絡(luò)由主機(jī)節(jié)點(diǎn)、后視鏡從機(jī)節(jié)點(diǎn)、搖窗機(jī)從機(jī)節(jié)點(diǎn)、門鎖從機(jī)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。車門控制LIN網(wǎng)絡(luò)LIN總線系統(tǒng)實(shí)例1：車門1/14/202322主機(jī)節(jié)點(diǎn)采集本地各控制開關(guān)的狀態(tài)并接受CAN總線上的遠(yuǎn)程信息，據(jù)此產(chǎn)生控制指令，并將指令轉(zhuǎn)換為LIN報(bào)文幀通過LIN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相應(yīng)從機(jī)節(jié)點(diǎn)，從機(jī)節(jié)點(diǎn)接收到與自己相關(guān)的報(bào)文幀后對報(bào)文幀進(jìn)行拆封、解讀，然后根據(jù)獲得的指令控制相應(yīng)的執(zhí)行器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對車門各部件的控制。同時(shí)，在需要時(shí)從機(jī)節(jié)點(diǎn)分別將其控制部件所處狀態(tài)反饋給主機(jī)節(jié)點(diǎn)，主機(jī)節(jié)點(diǎn)再將該狀態(tài)信息通過指示燈或喇叭提供給駕駛員或通過CAN總線發(fā)送給其他控制單元。主機(jī)節(jié)點(diǎn)也作為本LIN網(wǎng)絡(luò)與上層CAN網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)關(guān)。

a.主機(jī)節(jié)點(diǎn)b.從機(jī)節(jié)點(diǎn)LIN主機(jī)節(jié)點(diǎn)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)CAN/LIN網(wǎng)關(guān)1/14/202323主機(jī)節(jié)點(diǎn)主要由控制器、電源、控制按鈕、LIN接口、CAN接口和指示燈幾部分組成。后視鏡從機(jī)節(jié)點(diǎn)主要由控制器、電源、LIN接口、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)單元和執(zhí)行器如后視鏡調(diào)整電機(jī)、除霜加熱器等組成。a.主機(jī)節(jié)點(diǎn)b.從機(jī)節(jié)點(diǎn)CAN/LIN網(wǎng)關(guān)1/14/202324主機(jī)節(jié)點(diǎn)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)控制器均采用PHILIPS的高性能8位單片機(jī)P87LPC768，該單片機(jī)除具有51系列單片機(jī)典型功能，完全滿足LIN控制器的硬件要求外，還具有片內(nèi)看門狗和振蕩器等模塊，可有效簡化LIN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，降低成本。LIN收發(fā)器采用PHILIPS公司生產(chǎn)的TJA1020，其可用波特率范圍2.4-20Kbits/s，它具有較高的抗電磁干擾性（EMI）,可以自動(dòng)修整輸出波形降低電磁輻射（EME），且當(dāng)傳輸速率低于10Ｋｂ/ｓ時(shí),TJA1020可以工作在低斜率模式下而進(jìn)一步降低電磁輻射。電源模塊主要由PHILIPS公司生產(chǎn)的電壓調(diào)節(jié)器SA57022構(gòu)成，SA57022可通過ON/OFF引腳開啟或關(guān)閉，它與LIN收發(fā)器配合實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的睡眠和喚醒。主機(jī)節(jié)點(diǎn)的CAN接口由CAN控制器SAJ1000和CAN驅(qū)動(dòng)器82C250組成。1/14/202325

從機(jī)節(jié)點(diǎn)中以BTS432等半導(dǎo)體功率開關(guān)器件取代傳統(tǒng)的繼電器作為各執(zhí)行器的開關(guān)器件，具有響應(yīng)迅速、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，并可通過其反饋引腳診斷負(fù)載狀態(tài)。1/14/202326隨著汽車技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，汽車信息通信的網(wǎng)絡(luò)化是必然趨勢。汽車信息通信的多樣化促進(jìn)了汽車分級制網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。LIN作為一種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉的新型A類總線，必將進(jìn)一步促進(jìn)汽車分級制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實(shí)施和完善，推動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，LIN作為一個(gè)開放的協(xié)議，在工業(yè)及家電領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景。1/14/202327LIN總線系統(tǒng)實(shí)例2：鏡子鏡子功能可被集成到一個(gè)或更多個(gè)LIN從屬節(jié)點(diǎn)上。這些功能包括：鏡子上下、進(jìn)出馬達(dá)控制；加熱；水坑燈；轉(zhuǎn)向燈；減少刺眼現(xiàn)象(電鍍彩色鏡，ECM)等。帶CAN接口和USART/增強(qiáng)USART的高性能8位控制器應(yīng)能滿足宿主節(jié)點(diǎn)的需求。存儲(chǔ)器需求和封裝尺寸要求取決于軟件功能、CAN軟件堆棧和硬件I/O需求。在這個(gè)例子中，從屬節(jié)點(diǎn)功能可由低性能8位控制器實(shí)現(xiàn)。1/14/202328LIN網(wǎng)絡(luò)在車鏡控制上的應(yīng)用1/14/202329LIN和系統(tǒng)要求那么LIN是如何滿足對低功耗、低系統(tǒng)成本、功能增加甚至減少汽車總重量的要求呢？首先它可以方便地用軟件實(shí)現(xiàn)LIN協(xié)議，該協(xié)議不需要單片機(jī)給予過多的硬件支持，通過使用一個(gè)簡單的USART或增強(qiáng)型USART就可以實(shí)現(xiàn)。USART支持諸如自動(dòng)波特率檢測等功能，這意味著在LIN應(yīng)用中可以使用一個(gè)簡單的質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的8位單片機(jī)。還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是LIN在協(xié)議層不需要復(fù)雜的操作系統(tǒng)，不多的軟件開銷還使得設(shè)計(jì)人員能夠選擇存儲(chǔ)器容量較小的單片機(jī)。如何運(yùn)用像LIN這樣的簡單協(xié)議對汽車進(jìn)行控制呢？以車鏡控制為例，許多汽車的車鏡相互之間仍是硬連接，或者在豪華型汽車中通過CAN這樣的昂貴協(xié)議連接，其實(shí)利用LIN總線就可以方便地將左右車鏡和四向儀(可以改變車鏡位置的四方向開關(guān))連接起來。在典型的LIN方案中，四向儀是主節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)車鏡是從節(jié)點(diǎn)。四向儀讀取按鍵的狀態(tài)，將報(bào)文發(fā)送給相應(yīng)的車鏡。1/14/202330從屬節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)根據(jù)LIN從屬節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的復(fù)雜性和從微控制器的預(yù)算，LIN可用軟件方式實(shí)現(xiàn)，也可以使用標(biāo)準(zhǔn)的USART、EUSART或?qū)Ｓ玫腖IN硬件來實(shí)現(xiàn)。用純軟件來實(shí)現(xiàn)開關(guān)板、溫度傳感器和LED顯示器等低復(fù)雜性的系統(tǒng)。這種最低成本方案的實(shí)現(xiàn)是以相對較高的CPU負(fù)載為代價(jià)。包含一個(gè)片上RC振蕩器和物理收發(fā)器接口的PIC16C4