LINBus建置優(yōu)勢與門控開發(fā)實(shí)例

1、LIN Bus建置優(yōu)勢與門控開發(fā)實(shí)例LIN Bus在車用總線中以低成本、省資源為其特點(diǎn)，妥善運(yùn)用將可提高汽車附加價值。本文將介紹LIN Bus技術(shù)現(xiàn)況、運(yùn)作架構(gòu)、系統(tǒng)最佳化技術(shù)、與CAN Bus的區(qū)隔，并以門控建置開發(fā)實(shí)例提供進(jìn)一步的說明。今日汽車的設(shè)計(jì)在安全、舒適、便利和環(huán)保等訴求下，對電子技術(shù)的仰賴日益加深。目前在汽 車架構(gòu)中的車體(Car body八傳動系統(tǒng)(Power train)、安全系統(tǒng)(Safety)和車載資通娛樂系統(tǒng)(Tele matics/lnfotainment)等各個部分中，都可以看到愈來愈多的電子控制組件( ECU)，它們賦與汽車更具智 能性的操控能力，例如會自動檢查門

2、窗、車燈是否關(guān)閉，在駕駛?cè)诉M(jìn)入車內(nèi)前自動接通電源，離開時則會 檢查是否切斷電源等等。目前汽車內(nèi)電子組件的連結(jié)愈來愈復(fù)雜，一臺車中平均存在著 80個左右的電子組件或模組系統(tǒng)。過去采用傳統(tǒng)的電纜方式來連結(jié)車燈、電動機(jī)、電磁閥、加熱器、空調(diào)等設(shè)備，若以此方式來連結(jié)電子組 件，龐大的纜線數(shù)量將造成車體重量的沉重負(fù)擔(dān)。因此，有必要導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)化的總線技術(shù)，此舉除了降低建 置的困難度及配線重量外，也能提升控制的精確性，而且比較不會有線路老化、磨損的問題。在此趨勢下，已有各種總線技術(shù)出現(xiàn)在車載網(wǎng)路(In-Vehicle Network )當(dāng)中，它們各有其技術(shù)特色，適合不同的應(yīng)用領(lǐng)域。大致上可以分為五類：第一類是

3、傳輸速度最低的LIN、TTP/A，適用于車體控制；第二類包括低速CAN、SAE J1850、VAN ( Vehicle Area Network )等中速網(wǎng)路總線，適用于對即時性要求不高的通信應(yīng)用；第三類包括高速CAN、TTP/C等，適用于高速、即時閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)；第四類包括IDB-C、IDB-M ( D2B、MOST、IDB1394 )、IDB-Wireless (藍(lán)芽)等，專門用在車載資通娛 樂網(wǎng)路之中；第五類則包括FlexRay和Byteflight，用在最具關(guān)鍵性、即時性最高的人身安全系統(tǒng)(請參考表一)。本文將探討LIN的技術(shù)規(guī)格現(xiàn)況及在門控系統(tǒng)中的建置實(shí)例。LIN Bus技術(shù)現(xiàn)

4、況區(qū)域互連網(wǎng)路(Local Interconnect Network, LIN )是基于序列通信協(xié)定的車載總線的子集系統(tǒng)(sub-bus system)。為了支持多個智慧性節(jié)點(diǎn)的分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，LIN提供標(biāo)準(zhǔn)化的API以及軟件設(shè)計(jì)流程。它的傳輸速度雖然不高，但其低成本的特性，能為不需要用到CAN的裝置提供較為完善的網(wǎng)路功能，包括空調(diào)控制(Climate Control )后照鏡(Mirrors )、車門模組(Door Modules)、座椅(Seats、智 能性交換器(Smart Switches)、低成本感測器(Low-cost Sensors)等，請參考圖一。 圖一 UN的應(yīng)用 領(lǐng)域在重要

5、規(guī)格的演進(jìn)上，自1999年推出UN 1.0版、2002年12月修訂UN 1.3版，并在2003年9月再次發(fā)布UN 2.0版規(guī)范，持續(xù)改進(jìn)了 LIN總線的性能與適用性。此外，美國汽車工程師協(xié)會(SAE)下屬的車輛架構(gòu)任務(wù)組(Task Force)也基于LIN 2.0提出J2602規(guī)范，進(jìn)一步降低了 UN 2.0中軟件單元 的復(fù)雜性，此舉讓LIN從節(jié)點(diǎn)所需要的軟件代碼長度縮短，在建置上會更有效率。此外，市場上的領(lǐng)導(dǎo)業(yè) 者也會針對LIN的效能提出改善技術(shù)，例如ST的LINSCI。一般來說，LIN的主要特色及優(yōu)勢包括：-采用一個主節(jié)點(diǎn)、多個從節(jié)點(diǎn)的概念(最多支持16個節(jié)點(diǎn))； -由于基于普通UART/

6、SCI接口協(xié)定，其軟硬件成本極低;- 在從節(jié)點(diǎn)(slave node)中不用晶體振蕩器( crystal oscillator) 或陶瓷諧振器(ceramic resona tor)時鐘，也能做到自同步性，這能進(jìn)一步降低成本；-信號傳播時間可預(yù)先計(jì)算，以滿足信號傳輸?shù)拇_定性；-基于應(yīng)用交互作用的信號；-可達(dá)20 kbps資料傳輸率；-總線電纜的長度最多可以擴(kuò)展到40公尺；LIN Bus運(yùn)作架構(gòu)LIN網(wǎng)路是基于一主多從的主從原則( master/slave principle)而形成的拓樸結(jié)構(gòu)，因此需要 由主節(jié)點(diǎn)周期性地對從節(jié)點(diǎn)發(fā)岀詢問動作。周期的設(shè)定必須根據(jù)事件偵測的即時性要求，并將從節(jié)點(diǎn)的偵

7、 測結(jié)果傳送到到主控制器。在LIN上傳輸?shù)挠嵦?，其訊框結(jié)構(gòu)上是由一個由主任務(wù)提供的標(biāo)頭(header)和由從任務(wù)處理的回應(yīng)部分(Response)所構(gòu)成。標(biāo)頭包含一個 13位的同步間隔欄位(synch break field); 一個由主任務(wù) 產(chǎn)生的同步欄位(synch field )；以及一個辨識欄位(identifier field)。其中每一個位組欄位都以串行位 元組方式發(fā)送，起始位元組的第一位編碼為“0”而終止位編碼為“1”在回應(yīng)部分則包含二、四或八個位組的資料欄位( data filed)，以及一個位組的驗(yàn)證欄位(che cksum field )。由主任務(wù)執(zhí)行的訊框標(biāo)頭會依整個LI

8、N叢集的進(jìn)度表決定每個訊框的傳輸時間，以確保網(wǎng)路不會超載，并能確保資料傳輸?shù)拇_定性。在LIN網(wǎng)路中只有主節(jié)點(diǎn)采用晶體振蕩器來為系統(tǒng)提供精確的基本時鐘，此時鐘會嵌入上述的同步欄位中，讓從任務(wù)能與主節(jié)點(diǎn)時序同步。請參考圖二。圖二 LIN訊框結(jié)構(gòu)示意圖LINSCI最佳化LIN系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)SCI所建置的LIN網(wǎng)路雖已具備極佳的建置優(yōu)勢，但讓想讓系統(tǒng)等級獲得最佳化，仍存 在一些限制。若想得到最佳化的LIN系統(tǒng)，必須考慮以下因素：-LIN傳輸所需要的CPU負(fù)荷；-應(yīng)用上所需要的時脈準(zhǔn)確性；-LIN傳輸?shù)念l寬；-LIN界面的穩(wěn)定性/有效性；因此，為了達(dá)到最佳化的需求，有必要在硬體技術(shù)上進(jìn)行強(qiáng)化。ST的LINS

9、CI即是經(jīng)過強(qiáng)化的硬體SCI埠，可透過減少CPU負(fù)載來提升系統(tǒng)效能；另外，其內(nèi)部的1MHz震蕩器、帶有運(yùn)算放大器的快速10位ADC，以及低電壓檢測器的可修整重啟電路一可透過消除對這些功能所需之外部電路的需求來簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并降低制造成本。8Kbyte的擴(kuò)充快閃記憶體能在單一供給電壓下操作，以降低電路板復(fù)雜度并提 供更快速的編程能力。LINSCI可以被嵌入在一顆很小的8-bit MCU中，它的目的就是要讓從設(shè)備的 LIN功能能完全發(fā)揮，其功能包括標(biāo)頭偵測(Header Detection)、指示器(Identifier)和非相關(guān)位組過濾(Irrelevant Byte F iltering )、延

10、伸性錯誤偵測(Extended Error Detection)和再同步化(Resynchronisation)等。LINSCI 的訊 框架構(gòu)請參考圖三。圖三 LINSCI的訊框架構(gòu)進(jìn)一步來看，LIN的鮑率(Baud rate)是10kbps和20kbps，這很難達(dá)成標(biāo)準(zhǔn) SCI位時間取樣原 則所需要的2%準(zhǔn)確性。這是因?yàn)轷U率預(yù)定標(biāo)器(prescaler)的有限分辨率所造成的。假設(shè)CPU的頻率是8MHz，LIN的鮑率是20kbps，由于LIN的時脈容忍度是 15%，這造成2.33%的量化錯誤。在 LINSCI中則 以12位unsigned定點(diǎn)值(即LDIV )來取代8位整數(shù)值的鮑率預(yù)定標(biāo)器，能

11、讓上述的量化誤差下降到0.15%。門控系統(tǒng)建置案例以下將以門控模組系統(tǒng)的建置，進(jìn)一步說明LIN總線的應(yīng)用及設(shè)計(jì)要求。在今日中階及高階車款中的門控系統(tǒng)，往往需要這些功能：-門鎖(lock)和防盜門鎖(dead lock latch )；-動力車窗(Power Window)升降；-踏腳燈(Footstep light)；-切換面板照明(Switch panel illumination )；圖四顯示以LIN網(wǎng)路組成的門控系統(tǒng)，它的主控節(jié)點(diǎn)是由一個中央車體控制單元(Central Body ECU)，它和車體 CAN網(wǎng)路相連結(jié)。每個車門都由一個車門模組(DM-Driver, DM-Passenge

12、r, DM-RearRight, DM-RearLeft )所組成，能夠提供動力車窗及門鎖功能。此外，兩個前門都有后視鏡控制(MMR,MML )的從節(jié)點(diǎn)。在此系統(tǒng)中，還會有一個嵌在駕駛端的中央切換面板(Central Switch panel, SP)，它是一個獨(dú)立的從節(jié)點(diǎn)，由它來控制所有的動力車窗、手動門鎖及后視鏡調(diào)整等功能。圖四 LIN網(wǎng)路門控系統(tǒng)示意圖此系統(tǒng)會對LIN網(wǎng)路形成下述要求：-當(dāng)主控器收到從遙控鑰匙發(fā)岀的有效訊號時，必須要啟動門控系統(tǒng)，從節(jié)點(diǎn)通常是通過CAN總線來接收；-當(dāng)正確的鑰匙打開前門時，也同時啟動門控系統(tǒng)；從節(jié)點(diǎn)會直接反應(yīng)而不需經(jīng)由與主控器的通訊；-對切換面板的詢問動作

13、(Polling )，以確保回應(yīng)對各個驅(qū)動裝置控制(動力車窗、后視鏡調(diào)整、門鎖)的主動式切換；-對所有從節(jié)點(diǎn)的詢問動作，以得到車窗升降的位置狀態(tài)，以及車門的開關(guān)情況； -對所有從節(jié)點(diǎn)的睡眠模式控制(即電池供應(yīng)操作模式)；在清楚了 LIN網(wǎng)路的要求后，我們必須選擇功能相符的微控制器（MCU ）來達(dá)成。這些 MCU必須針對車窗的升降提供防夾（ Anti pinch）、馬達(dá)的PWM控制及車窗位置的監(jiān)控功能；能以 SPI接口來 控制門鎖馬達(dá)；對于車鑰匙的拔岀及開門的動作，能夠提供電源供應(yīng)模式的接觸式監(jiān)控，以及對后視鏡及 切換面板的操控功能。（圖五）是門控模組的功能方塊圖架構(gòu)。在系統(tǒng)的規(guī)劃上，要一些注意

14、的要領(lǐng)，這包括時序的準(zhǔn)確性，也就是為了正確的運(yùn)作，車門模組需要一個容忍度小于 3%的時間參考，車窗防夾（anti- pinch）功能的復(fù)雜算法就需要這種準(zhǔn)確性。此外，針對安全性（如防夾）和便利性（如門鎖偵測）等功能，都會有實(shí)時性的要求。以手動打開汽車門鎖的動作為例，從鑰匙插入門鎖到打開，可接受的延遲時間必須小于200ms,這表示反應(yīng)時間很短。傳動馬達(dá)需要約100ms去打開門鎖，這只留100ms給MCU來完成從低功率模式啟動、偵測到鑰匙，并觸發(fā)傳動裝置等動作。因此這個網(wǎng)路必須采用LIN最快的傳輸速率，也就是 20kbps。而在20kbps的傳輸率下，CPU的反應(yīng)時間必須要小于 1ms，否則資料會

15、漏失，LIN的傳輸會失敗。另一個設(shè)計(jì)議題則是功耗，這對于多數(shù)的ECU來說都是很關(guān)鍵的。以門控系統(tǒng)來說，即使車子熄火了，系統(tǒng)仍需進(jìn)行間隔性的監(jiān)控詢問動作，這就會造成車子電力的持續(xù)消耗。監(jiān)控的延遲間隔設(shè)定是 蠻矛盾的事，因時間間隔太長，則會造成反應(yīng)動作上的遲鈍現(xiàn)象，但太短，又會增加系統(tǒng)的功耗。故障安全設(shè)計(jì)相較于車體CAN總線系統(tǒng)，LIN總線并不具有錯誤容忍性（fault tolerant），因此必須考慮短路 時總線線路的故障安全（fail-safe）機(jī)制，也就是每個節(jié)點(diǎn)必須有能力分辨出短路的總線線路。反應(yīng)動作必 須遵循特定的程序（例如讓門鎖維持在打開的狀態(tài)，而每個節(jié)點(diǎn)的功耗應(yīng)盡可能降低）。以ST的

16、L9638 LIN收發(fā)器為例，它能提供額外的故障安全裝置（ fail-safe）功能，例如對短路 狀態(tài)的處理。當(dāng)MCU辨識出短路的LIN總線線路，電子控制器（ECU）可以把自己關(guān)掉，當(dāng)收發(fā)器在消 除短路狀況后還能夠重新啟動。圖五門控模組功能方塊圖架構(gòu)LIN Bus與CAN Bus有所區(qū)隔目前電子控制組件已散布整臺車子，它們讓傳動及感測功能變得更有智能性。在本文介紹的LIN網(wǎng)路是屬于低傳輸速率的總線規(guī)格，但它的低成本及傳輸?shù)恼_性，仍然相當(dāng)受到車廠的歡迎。據(jù)估計(jì) 在歐洲新出廠的車子中，UN的應(yīng)用占了相當(dāng)大的比例。當(dāng)然，LIN不會有和CAN總線控制網(wǎng)路相同的效能，因此，在某一特定的車載系統(tǒng)中，LIN總線是否能提供滿意的效能，就得看應(yīng)用本身的需求而定。此外，透過專屬的設(shè)計(jì)，能夠讓LIN的功能得到全面性的發(fā)揮，例如將 LIN協(xié)定以硬體方式建