LIN總線節(jié)點的設計

摘要：介紹了汽車網絡系統(tǒng)A類串行總線通信標準LIN協(xié)議2.0版本（最新版本），設計了總線節(jié)點的硬件和通信程序，規(guī)劃了電動汽車車身網絡總線結構。

關鍵詞：LIN總線 通信 節(jié)點

隨著汽車電子業(yè)的飛速發(fā)展，車輛上的電子裝置越來越多，電子裝置之間的通信技術也越來越先進。傳統(tǒng)的電器系統(tǒng)大多采用點對點的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，這樣必然造成布線系統(tǒng)龐大，因而現(xiàn)代車輛上的電子系統(tǒng)廣泛采用網絡技術來實現(xiàn)彼此之間的通信。

1998年，汽車制造商奧迪公司、寶馬公司、戴姆勒克萊斯勒公司、沃爾沃汽車公司、大眾汽車公司、通信領域的專業(yè)廠商火山通信技術公司以及半導體生產商摩托羅拉公司共同創(chuàng)建了LIN（Local Interconnect Network）協(xié)會，其目的是為汽車網絡系統(tǒng)提供一個開放的A類（數據傳輸位速率通常小于10kb/sv的低速車身網絡）串行總線通信標準，允許在此基礎上開發(fā)汽車低端網絡系統(tǒng)，并且不需要使用者支持使用費用或版稅。

1 LIN協(xié)議的通信機制

1．1 主機和從機

從通訊協(xié)議的角度來看，一個LIN網絡由一個主機任務模塊（Master Task）若干個從機任務模塊（Slave Task）組成。主機節(jié)點中既有主機任務模塊又有從機任務模塊；其它節(jié)點中只有從機任務模塊。圖1是由一個主機節(jié)點、兩個從機節(jié)點組成的LIN網絡。

在LIN網絡中，主機任務模塊決定什么時候在總線上傳輸什么報文幀，而從機任務模塊則提供每一幀需要傳送的數據。主機任務模塊和從機任務模塊都是幀處理層的組成部分。

1．2 報文幀

一個報文幀由一個幀頭（由主機任務模塊提供）和一個響應幀（由從機任務模塊提供）組成。幀頭包括一個同步間隔場（SYNCH BREAK FIELD）、一個同步場（SYNCH FIELD）和一個標識符場。報文幀的用途由標識符唯一定義，約定的從機任務根據標識符提供相關的響應幀并發(fā)送到總線上（如圖2、圖3所示），響應幀由2、4或8字節(jié)的數據場（DATA FIELD）和一個校驗和場（CHECKSUM FIELD）組成。對這個標識符相聯(lián)的數據感興趣的從機任務將接收響應幀，校驗和檢驗通過后對數據進行處理。

這樣的通訊機制帶來了非常理想的效果：

*系統(tǒng)靈活性：在LIN網絡中可以直接增加節(jié)點而不需要對其它從機節(jié)點的硬件和軟件進行修改；

*報文路由：報文的內容由標識符定義；

*廣播：多個節(jié)點可以同時接收一個單獨的報文幀，并對報文作出反應。

2 LIN總線試驗平臺的軟硬件設計

2．1 MCU芯片

主機MCU選用了瑞薩（Renesas）公司的M16C/6N系列的M306NBFCTFP，其特點如下：

*128K ROM，5K RAM

*三路串行口（兩路UART/時鐘同步口，一路時鐘同步口）

*一路CAN模塊

*豐富的I/O資源

從機MCU選用Atmel公司的基于8051內核的微控制器AT89C2051，其特點為：

*2K字節(jié)的Flash

*128×8位的內部RAM

*兩個16位定時器/計數器

*可編程的串行UART口

采用M306NBFCTFP作為主機節(jié)點的MCU是因為它具有CAN接口模塊，而且增強型UART可用于支持LIN總線；采用AT89C2051作為從機節(jié)點的MCU是因為暫時不對從機節(jié)點所實現(xiàn)的具體功能進行設計，而只是著重于LIN網絡通訊部分的設計。要履行LIN規(guī)范的通訊時序，所有節(jié)點都必須配備一個精確的振蕩參考源，即主機節(jié)點（M306NBFCTFP）和從機節(jié)點（AT89C2051）上的晶振。M306NBFCTFP片內有一個專用的濾波特率發(fā)生器用于串口通訊，而AT89C2051則把定時器T1作為波特率發(fā)生器。M306NBFCTFP將I/O作為擴展區(qū)域。這兩種微控制器都具有增強型UART，可用于支持串行LIN傳輸。定時器T0可用于各種超時檢測。此外，由于LIN的同步間隔超過普通UART所能處理的長度，所以從機節(jié)點AT89C2051使用中斷來進行同步間隔檢測。

圖4和圖5分別為主機節(jié)點和從機節(jié)點的電路原理圖。

2．2 LIN總線通訊軟件的設計

LIN節(jié)點是通過應用程序中的主機任務和從機任務來實現(xiàn)LIN網絡通訊的。主機節(jié)點包含主機任務和從機任務，從機節(jié)點僅包含從機任務。主機任務流程圖如圖6所示，從機任務流程圖如圖7所示。

LIN主機任務包括以下內容：

*定義波特率（2kbit/s到20kbit/s）；

*發(fā)送間隔場和同步場信號序列；

*發(fā)送標識符場；

*監(jiān)控并檢查校驗和，驗證數據的有效性；

*請求從機進入睡眠模式，需要時再將有喚醒；

*對從機的喚醒進行響應。

從機任務包括以下內容：

*檢測間隔場信號；

*在同步區(qū)與網絡取得同步；

*解釋標識符，并作出相應動作；

——不需要任何通訊操作；

——接收數據場數據；

——發(fā)送響應幀；

*檢查/發(fā)送校驗和。

3 電動汽車車身總線網絡結構

根據LIN總線的物理層規(guī)定，LIN總線采用改進的ISO9141單總線標準，總線驅動為12V電源。編碼方式為NRZ（Not Return Zero），電平分為隱性電平“1”和顯性電平“0”兩種，其誤差要求如下：對于發(fā)出信息的節(jié)點，發(fā)出的隱性電平不得低于電源電壓的80%，顯性電平不得高于電源電壓的20%；對接收節(jié)點來說，接收到的隱性電平不得低于電源電壓的60%，顯性電平不得高于電源電壓的40%?？紤]到信號衰弱等因素，LIN總線的長度最大不超過40米；同時一個LIN子網絡上的節(jié)點數目小于16個。

根據電動汽車A類網絡各功能單元對通訊功能的實時性、傳輸距離的要求，均衡考慮性能和成本等因素，確定LIN總線在電動汽車車身上的網絡結構，可以從圖8中幾個典型的A類網絡功能單元進行分析。

車身系統(tǒng)網絡規(guī)劃如圖9所示。圖9中將車身系統(tǒng)的A類網絡功能單元劃分為車門模塊、空調模塊、座椅模塊、控制面板模塊以及組模塊，這些模塊分別作為LIN子網絡的主機節(jié)點。

LIN總線的目標是為現(xiàn)有汽車網絡提供一種低速總線通訊標準，它能滿足CAN總線所不需求的帶寬和功能，使用LIN總線可大大節(jié)省成本。而在我國，對于汽車總線的研究只是處于初步階段。為了縮短同國外轎車技術水平的差距，提高自身的競爭力，單純靠技術引起不利于我國汽車電子技術的長期發(fā)展，研究和開發(fā)我國自己的汽車網絡應用系統(tǒng)勢在必行。本文確定了MCU+LIN接口芯片的LIN節(jié)點硬件結構，實現(xiàn)了主機/從機任務的LIN網絡通訊，規(guī)劃出了我國電動汽車車身系統(tǒng)LIN總線結構，為我國汽車LIN總線A類網絡高層通訊協(xié)議的制定奠定了基礎。