汽車電子技術(shù)與單片機(ppt 71頁).ppt

1、第十一章 LIN總線收發(fā)器TJA1020,第一節(jié) 簡介 第二節(jié) 總體描述 第三節(jié) 從機應(yīng)用 第四節(jié) 主機應(yīng)用,第一節(jié) 簡介,LIN總線是一個低速的（最高20Kb/s）A類串行總線協(xié)議。LIN的子總線可以用于像座椅、門、控制板和方向盤等模塊。它的作用是將開關(guān)、執(zhí)行元件和傳感器從子總線連接到主總線（如CAN總線）。 LIN協(xié)議采用8N1編碼字節(jié)區(qū)的UART/SCI串行數(shù)據(jù)鏈路格式。LIN網(wǎng)絡(luò)包括一個主機節(jié)點和一個或多于一個從機點；主機節(jié)點控制媒體訪問。這樣一個單主機多從機的網(wǎng)絡(luò)如圖11-1所示。,下一頁,返回,第一節(jié) 簡介,LIN的物理層在ISO 9141標(biāo)準(zhǔn)中定義，并且為了符合汽車環(huán)境中的特殊應(yīng)

2、用（譬如EMC、ESD等），還作了一定的提高。 本章將講述TJA1020在LIN中作為物理媒體連接工具的技術(shù)實現(xiàn)。典型的LIN ECU如圖11-2所示。,上一頁,返回,第二節(jié) 總體描述,一、TJA1020的特征 TJA1020的主要特征是： （1）波特率高達20Kbps。 （2）修整輸出波形以使電磁輻射（EME）非常低。 （3）高抗電磁干擾性（EMI）。 （4）在低速應(yīng)用中使用低斜率模式以進一步減少EME。 （5）睡眠模式中的電流消耗極低。 （6）在LIN對GND短路時電池受到放電保護。 （7）傳輸數(shù)據(jù)（TXD）顯性超時功能。 （8）電池的工作范圍廣，可以從電壓降（5V）到跳變啟動情況（27V

3、）。,下一頁,返回,第二節(jié) 總體描述,（9）控制輸入電平和3.3V以及5V的器件兼容。 （10）LIN從機應(yīng)用時集成端電阻。 （11）睡眠模式下本地和遠程喚醒。 （12）喚醒源的識別（本地或遠程）。 （13）不上電情況下的自動防故障保護，沒有反向電流通路。 （14）總線終端可防止短路和汽車環(huán)境下的瞬變。 （15）直接的電池操作，可以防止負(fù)載斷電、跳躍啟動和瞬態(tài)。 （16）不需要5V電源。 （17）溫度保護。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 總體描述,二、TJA1020的方框圖 TJA1020的方框圖如圖11-3所示。 三、TJA1020的工作模式 TJA1020共有四種工作模式，它們分別是普通斜

4、率模式、低斜率模式、準(zhǔn)備模式和睡眠模式。這些操作模式的詳細(xì)情況如表11-1和圖11-4所示。 1.睡眠模式 TJA1020的睡眠模式使LIN ECU的功耗非常低。這是由于收發(fā)器本身的電流消耗非常低，而且通過INH輸出關(guān)斷了外部電壓調(diào)節(jié)器造成的。因此，睡眠模式中，INH引腳懸空。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 總體描述,盡管功率的消耗極低，但TJA1020仍能識別LIN引腳的遠程喚醒和NWAKE引腳的本地喚醒并將模式切換到準(zhǔn)備模式。而且，TJA1020還可以通過引腳NSLP直接激活普通或低斜率模式，這對于單片機的電源不是由INH輸出控制的應(yīng)用非常有用。 TJA1020收發(fā)器的接收器（LIN）的輸

5、入、本地喚醒輸入（NWAKE）和睡眠控制輸入（NSLP）使用濾波器和/或定時器，以防止由汽車瞬態(tài)或EMI造成的不必要的喚醒。因此，所有的喚醒都要維持一段時間（tBUS，tWAKE，tgotonorm）,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 總體描述,如果睡眠輸入引腳NSLP的低電平維持了至少tgotonorm(見圖11-5)而且這段時間內(nèi)沒有發(fā)生喚醒事件，則TJA1020進入睡眠模式。這段濾波時間可以防止TJA1020由于EMI 產(chǎn)生的不必要的瞬態(tài)而進入睡眠模式。如果引腳LIN和/或NWAKE連接到地也可以激活睡眠模式，譬如對地短路。 睡眠模式中，連接引腳LIN和BAT的內(nèi)部從機端電阻RSLAVE禁能

6、；可以將它看做是一個弱點流源。當(dāng)LIN總線對地短路時，它將電流的消耗減到最低。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 總體描述,2.準(zhǔn)備模式 準(zhǔn)備模式是一個中間模式，只有當(dāng)TJA1020在睡眠模式時產(chǎn)生遠程和本地喚醒時才會進入準(zhǔn)備模式。準(zhǔn)備模式中，INH引腳輸出高電平，將外部電壓調(diào)節(jié)器激活。另外，連接引腳LIN和BAT的內(nèi)部從機端電阻RSLAVE激活。 TJA1020用RXD引腳的低電平來標(biāo)志準(zhǔn)備模式。它也可以作為單片機的喚醒中斷請求。另外，喚醒源可以用引腳TXD的下拉來標(biāo)志。遠程喚醒事件會在引腳TXD產(chǎn)生弱下拉，而本地喚醒事件將在TXD引腳產(chǎn)生強下拉。外部的上啦電阻由所使用的單片機來決定。,上一頁,

7、下一頁,返回,第二節(jié) 總體描述,圖11-6和圖11-7是遠程和本地喚醒的時序圖以及在引腳RXD和TXD的特定輸出。如果LIN總線在一個隱形總線電平之后的顯性電平至少持續(xù)tBUS，則可以通過LIN總線檢測到遠程喚醒。如果低電平持續(xù)了至少tNWAKE，則NWAKE引腳的下降沿將引起本地喚醒。 3.普通斜率模式 普通斜率模式用于通過LIN總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)?？偩€數(shù)據(jù)流由接收器轉(zhuǎn)換成數(shù)字位流并在RXD引腳輸出到單片機。RXD引腳的高電平表示LIN總線是隱形電平，而低電平表示LIN總線是顯性電平。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 總體描述,TJA1020的發(fā)送器將在TXD輸入的單片機數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成LIN總線

8、信號波形，并加以修整，使EME達到最小。TXD輸入的低電平會使LIN總線是顯性電平。而高電平性則是LIN總線是隱性電平。 普通斜率模式中，內(nèi)部從機端電阻RSLAVE將LIN總線引腳拉高。引腳INH的電池高電平使外部電壓調(diào)節(jié)器保持接通。 將引腳NSLP和TXD置高電平，并持續(xù)至少tgotonorm,max,也可以進入普通斜率模式。當(dāng)tgotonorm超時后會執(zhí)行模式轉(zhuǎn)換。圖11-8是從睡眠模式或準(zhǔn)備模式轉(zhuǎn)換成普通斜率模式的時序圖。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 總體描述,4.低斜率模式 如果LIN系統(tǒng)的速率低于10Kb/s，可以使用低斜率模式。它和普通斜率模式相比可以進一步減少（普通斜率模式中）

9、已經(jīng)非常低的EME。因此，它和普通斜率模式的唯一不同點式總線符號的過渡時間。低斜率模式的過渡時間是普通斜率模式過渡時間的兩倍，如圖11-9. 低斜率模式只能通過睡眠或準(zhǔn)備模式進入，不可能直接從普通斜率模式直接轉(zhuǎn)換成低斜率模式。 當(dāng)引腳TXD的低電平和引腳NSLP的高電平維持了至少tgotonorm.max,TJA1020進入低斜率模式。當(dāng)tgotonorm超時后會執(zhí)行模式轉(zhuǎn)換。圖11-10是從睡眠模式或準(zhǔn)備模式轉(zhuǎn)換成低斜率模式的時序圖。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 總體描述,四、TJA1020和3.3V器件兼容 TJA1020被設(shè)計成用于日益增長的汽車低電壓應(yīng)用。它的引腳TXD和NSLP減小

10、了輸入閥值，輸出引腳RXD和TXD為漏極開路。因此。它可以和使用3.3V或5V電壓的單片機兼容。這樣，TJA1020和主單片機之間不需要5V的轉(zhuǎn)換接口，而且收發(fā)器本身不需要額外的Vcc電源。 為使引腳RXD和TXD達到高電平，當(dāng)單片機的端口引腳沒有集成上拉電阻時，要加外部上拉電阻。,上一頁,下一頁,返回,第二節(jié) 總體描述,五、TJA1020的特性 1.限制值 根據(jù)絕對最大等級系統(tǒng)（IEC 60134），所有電壓都參考引腳GND。限制值如表11-2所示。 2.溫度特性 根據(jù)IEC7471 TJA1020的溫度特性如表11-3所示。 3.特征 TJA1020特征見表11-4，其中，VBAT=527

11、V；Tvj=-40+150；RL(LIN-BAT)=500；所有電壓根據(jù)地定義；流入IC的是正向電流；典型值是在VBAT=12V的情況下得出。,上一頁,返回,第三節(jié) 從機應(yīng)用,一、結(jié)構(gòu) 圖11-11是LIN收發(fā)器TJA1020的從機應(yīng)用。單片機通過UART/SCI接口或標(biāo)準(zhǔn)I/O口引腳連接到LIN收發(fā)器。TJA1020的TXD引腳是發(fā)送數(shù)據(jù)輸入，RXD引腳是接收數(shù)據(jù)輸出.LIN收發(fā)器的睡眠控制輸入NSLP可以通過單片機的端口引腳來控制。TJA1020還有一個內(nèi)部從機端電阻。因此，從機應(yīng)用不需要外部的LIN總線端電阻。推薦使用圖11-11中的電容CSLAVE，以提高LIN系統(tǒng)的EME和EMI性能

12、。,下一頁,返回,第三節(jié) 從機應(yīng)用,二、詳細(xì)的引腳描述 1.NSLP引腳 睡眠控制引腳NSLP有內(nèi)部下拉電阻RSLP，當(dāng)發(fā)生開路故障時，仍能保持一個固定的輸入電平。NSLP的低電平使TJA1020進入睡眠模式，并將功率的消耗減到最小。器件電源的輸入閥值范圍是5V和3.3V。典型的NSLP引腳應(yīng)用如圖11-12所示。 單片機端口引腳對NSLP引腳的最小驅(qū)動能力可以用下面的方程計算，即當(dāng)VcVIH(SLP)時，端口在最小高電平時的引腳輸出能力為： 式中：VIH(SLP)，minNSLP高電平輸入電壓的最小值； RSLP,minNSLP下拉電阻的最小值； IIL（SLP），maxNSLP低電平輸入電

13、流的最大值。,上一頁,下一頁,返回,（11-1）,第三節(jié) 從機應(yīng)用,2.TXD引腳 （1）喚醒源識別。TXD是一個雙向引腳。在普通斜率模式和低斜率模式中，它作為發(fā)送數(shù)據(jù)輸入，而在準(zhǔn)備模式中用于標(biāo)至喚醒源。TXD引腳的低電平輸出表面在NWAKE引腳發(fā)生本地喚醒事件。如果NWAKE引腳被用作本地喚醒源，TXD引腳要被上拉。這個上拉可以用兩種方法執(zhí)行： 單片機的端口引腳有集成的上拉電阻RTX（C） （見圖11-13（a） ）； 將外部上拉電阻RTX（ext）連接到本地VCC（見圖11-13（b） ）,上一頁,下一頁,返回,第三節(jié) 從機應(yīng)用,如果沒有本地喚醒源，則不需要外部上拉電阻。TXD不會被TJA

14、1020強下拉至低電平。如果TJA1020使用本地喚醒特征，外部上拉電阻RTX要求的上拉能力由下面的條件定義： 當(dāng)發(fā)生本地喚醒事件時，集成的喚醒源晶體管具有拉引腳TXD到低的驅(qū)動能力； TJA1020的集成TXD下拉電阻RTXD。 單片機端口引腳的能力以及上拉電阻RTX的值可以用下面的方程計算，即在VTX（C）VIH（TXD），min時的最小高電平上拉電流為：,上一頁,下一頁,返回,（11-2）,第三節(jié) 從機應(yīng)用,當(dāng)VTX（C）VIH（TXD），min時的最大低電平上拉電流為： 式中：VTXD=0.4V。 上拉電阻的阻值范圍是：RTX,minxRTXRTX,max,上一頁,下一頁,返回,（11

15、-3）,（11-4）,第三節(jié) 從機應(yīng)用,式中：VIH（TXD），minTXD高電平輸入的最小電壓； VIL（TXD），maxTXD低電平輸入的最大電壓； RTXD，minTXD下拉電阻的最小阻值； IIL（TXD），maxTXD低電平輸入的最大電流； IOL（TXD），minTXD低電平輸出的最小電流； 注意：由于TXD引腳的LIN信號上升和下降的過程對稱，因此它對整個系統(tǒng)的容差有影響。所以建議TXD輸入的RC（負(fù)載）時間常數(shù)盡量小。,上一頁,下一頁,返回,第三節(jié) 從機應(yīng)用,（2）開路處理。引腳TXD有一個內(nèi)部弱下拉電阻RTXD，它可以保證在出現(xiàn)開路故障時還能維持定義的輸入電平。TXD的輸入電

16、平時顯性，TXD控制超時功能可以防止LIN總線被箝位在顯性電平而禁能發(fā)送器，而且弱下拉可以提供一個輸出電平來釋放TXD引腳。 （3）RXD引腳。接收數(shù)據(jù)輸出RXD提供了一個開漏特性以獲得和單片機電源電壓適配的輸出電平。因此，3.3V的單片機可以在不用兼容接口時使用。如果單片機沒有集成的上拉電阻，則要加上連接到單片機電壓電壓VCC的外部上拉電阻。圖11-14是典型的RXD應(yīng)用。,上一頁,下一頁,返回,第三節(jié) 從機應(yīng)用,上拉電阻RRX的阻值由TJA1020的RXD輸出引腳的驅(qū)動能力確定，可以通過下式計算上拉電阻的阻值范圍： RRX，minRRXRRX，max 其中,上一頁,下一頁,返回,（11-5

17、）,第三節(jié) 從機應(yīng)用,式中：ILH（RXD），max最大的RXD高電平漏電流； IOL（RXD），min最小的RXD低電平漏電流； VHIGH（RX），min單片機端口引腳（RX）最小的高電平輸入電壓； VLOW（RX），max單片機端口引腳（RX）最大的低電平輸入電壓； 注意：由于RXD引腳的LIN信號上升和下降的過程對稱，因此它對整個系統(tǒng)的容差有影響。所以建議RXD輸出的RC（負(fù)載）時間常數(shù)盡量小，但上拉電阻RRX不應(yīng)當(dāng)?shù)陀?k。,上一頁,下一頁,返回,第三節(jié) 從機應(yīng)用,（4）NWAKE引腳?？梢酝ㄟ^本地喚醒輸入引腳NWAKE的下降沿檢測本地喚醒事件。在下降沿后必須要有維持至少tNWAKE

18、的低電平以保證最基本的EMI濾波。NWAKE引腳有一個電流流向電池的內(nèi)部弱下拉電流源IIL（NWAKE），它在開路故障時可以定義一個引腳高電平。建議連接一個外部上拉電阻RWAKE1為外部喚醒開關(guān)或晶體管提供足夠的電流。如果NWAKE的喚醒源和TJA1020的接地通路不同，建議在NWAKE引腳和喚醒源之間連接一個串聯(lián)電阻RWAKE2.如果在喚醒源仍然連接到地而ECU丟失了地時，串聯(lián)電阻RWAKE2可以通過NWAKE的內(nèi)部保護二極管保護ECU不會有反向電流。圖11-15是一個典型的NWAKE引腳應(yīng)用，它通過外部開關(guān)進行本地喚醒。,上一頁,下一頁,返回,第三節(jié) 從機應(yīng)用,上拉電阻RWAKE1只是由喚

19、醒源要求的電流決定，而串聯(lián)電阻RWAKE2主要由應(yīng)用中的ECU和外部喚醒源的電平偏移決定。用下式計算建議的串聯(lián)電阻阻值范圍： 串聯(lián)電阻的阻值范圍： 其中：,上一頁,下一頁,返回,第三節(jié) 從機應(yīng)用,式中 VIL(NWAKE),max最大的NWAKE低電平輸入電壓； IIL(NWAKE),min最小的NWAKE上拉電流； INWAKE,min最小的NWAKE輸出電流限值；,上一頁,下一頁,返回,（11-6）,第三節(jié) 從機應(yīng)用,由于NWAKE引腳內(nèi)部上拉電阻和濾波特性，因此當(dāng)應(yīng)用不需要本地喚醒時，NWAKE要保持開路。建議將NWAKE引腳直接連接到BAT引腳（見圖11-16（b） ）。 對于其他引腳

20、3是VCC電源輸入而不是本地喚醒輸入的LIN收發(fā)器，TJA1020也可以在硬件上兼容。因此，NAWKE輸入的喚醒閥值被定義為高于5V。這樣，這個引腳可以直接連接到應(yīng)用的VCC電源，而且當(dāng)VCC下降時也不會產(chǎn)生喚醒事件。 但在一些應(yīng)用中，要求LIN節(jié)點在上電后會自動喚醒。這個功能可以用NWAKE引腳上的RC電路來實現(xiàn)（見圖11-16（b）。上電期間，這個RC電路可以將NWAKE的輸入電壓VNWAKE維持在VIL(NWAKE)，max至少tNWAKE，max時間，以產(chǎn)生一個本地喚醒。,上一頁,下一頁,返回,第三節(jié) 從機應(yīng)用,圖11-17是電池電壓VBAT和在上電期間的NWAKE電壓VNWAKE，它

21、顯示了喚醒TJA1020的限制。RC電路可以通過下面的方程計算，即上電后喚醒的RC時間常數(shù)為： 式中，tNWAKE，max通過NWAKE喚醒的最大顯性時間； tBAT-ON，maxVBAT的最大上電斜坡上升時間。,上一頁,下一頁,返回,（11-7）,第三節(jié) 從機應(yīng)用,（5）INH引腳。 INH控制的電壓調(diào)節(jié)器。INH輸出引腳是一個連接著BAT引腳的開漏輸出，它可以控制一個外部電壓調(diào)節(jié)器。典型的INH引腳應(yīng)用如圖11-18（a）所示。 下拉電阻RINH的阻值范圍可以用下面的方程計算，即下拉電阻的阻值范圍：,上一頁,下一頁,返回,（11-8）,第三節(jié) 從機應(yīng)用,式中：ILH(INH)，max最大的

22、INH高電平漏電流； VLOW(VoltReg)，max最大的限制低電平輸入電壓（電壓調(diào)節(jié)器）。 直接的電壓調(diào)節(jié)器電源。由于INH具有驅(qū)動能力，TJA1020可以直接給電壓調(diào)節(jié)器供電。圖11-18（b）是一個從設(shè)備的典型INH引腳應(yīng)用。 INH引腳到電壓調(diào)節(jié)器的最大電源電流IINH，max和最大的電壓降VDROP可以用下面的方程計算，即引腳INH的最大電源調(diào)節(jié)器電源電流為：,上一頁,下一頁,返回,第三節(jié) 從機應(yīng)用,式中：IINH，max50mA INH引腳的最大電壓降:,上一頁,下一頁,返回,（11-9）,（11-10）,（11-11）,第三節(jié) 從機應(yīng)用,式中：PQ，max最大的靜止功率功耗（

23、普通斜率模式，總線隱性，VINH=VBAT），圖11-19； PTX，max最大的發(fā)動器功率消耗（普通斜率模式，發(fā)送占空比=50%， VINH=VBAT ），見圖11-19； RSW(INH)，maxBAT和INH的最大開關(guān)阻抗； Tvj，max最大的虛擬連接點溫度（K）； Tamb，max最大的環(huán)境溫度（K）； Rth（j-a）溫度阻抗（K/W）。,上一頁,下一頁,返回,第三節(jié) 從機應(yīng)用,（6）LIN引腳。引腳LIN用于在LIN總線上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。發(fā)送是由一個控制波形的下方開關(guān)管來執(zhí)行，而接收是由接收器執(zhí)行。接收器的閥值Vth（rx）和BAT引腳電壓有關(guān)，并有滯后Vthr（hys）. LI

24、N引腳具有弱上拉電流源IIL（LIN）和一個與BAT并聯(lián)的從機端電阻RSLAVE。從機端電阻、電流源以及下方開關(guān)管都有一個保護電流二極管。因此，不需要外部元件。而且，在LIN總線上使用一個電容負(fù)載可以改善EME和EMI特性，如圖11-11所示。 由于從機端電阻RSLAVE在睡眠模式中關(guān)斷，電流源IIL（LIN）可以作為一個額外的弱上拉。因此，當(dāng)LIN對地短路時，轉(zhuǎn)換到睡眠模式將減少電流消耗。,上一頁,返回,第四節(jié) 主機應(yīng)用,一、主機終端直接連接到BAT 如圖11-20所示，主機應(yīng)用通過在LIN和BAT引腳之間串聯(lián)的反響電流二極管和電阻RMASTER實現(xiàn)。 這樣的主機應(yīng)用解決方案在LIN總線錯誤

25、地對地短路時并不提供自動防故障功能。短路電流不能被關(guān)斷，所以電池將持續(xù)放電。 二、主機終端連接到INH 為了實現(xiàn)自動防故障，TJA1020支持使用INH引腳驅(qū)動主機終端電阻RMASTER的高級應(yīng)用解決方案。如圖11-21主機端電阻和反向電流二極管串聯(lián)連接到INH引腳而不是BAT引腳。這個解決方案的優(yōu)點是可以通過切換到睡眠模式來關(guān)斷主機終端，這樣就解決了上面提到的LIN對地短路。,下一頁,返回,第四節(jié) 主機應(yīng)用,在應(yīng)用中，單片機檢測到由于LIN總線對地短路而產(chǎn)生的持續(xù)顯性電平后，可以通過選擇睡眠模式來減少功率消耗。切換到睡眠模式可以關(guān)斷外部電壓調(diào)節(jié)器、主機終端RMASTER和內(nèi)部的從機端電阻RSLAVE。內(nèi)部的弱上拉電流源IIL（LIN）和TJA1020的內(nèi)部電流消耗決定了LIN節(jié)點在這個故障情況下的電流消耗。 三、INH和BAT的主機終端分離 由于前面提到的高級主機終端提供了一個自動防故障系統(tǒng)，而且睡眠模式中有高的LIN總線阻抗。如果LIN總線可以容忍高的短路電流，則可以選擇如圖11-22所示的終端概念。,上一頁,下一頁,返回,第四節(jié) 主機應(yīng)用,當(dāng)TJA1020在準(zhǔn)備、普通