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準1概述2LIN數(shù)據(jù)傳輸3LIN在汽車中的應(yīng)用2/3/202311概述LIN(LocalInterconnectNetwork)是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制，LIN的目標是為現(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裝置之間的通訊。2/3/20232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)的補充。LIN瞄準一些低端應(yīng)用，在這些應(yīng)用中每個節(jié)點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現(xiàn)成本和無需在從屬節(jié)點中使用石英或陶瓷諧振器。2/3/20233LIN實現(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)定時間基的節(jié)點的時鐘同步。低端多路通訊的汽車標準不久前才出現(xiàn)。采用這個標準，汽車制造商及其供應(yīng)商能以非常經(jīng)濟的方式創(chuàng)建、實現(xiàn)和處理復(fù)雜的分層化多路復(fù)用系統(tǒng)。2/3/20234LIN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現(xiàn)成本和無需在從屬節(jié)點中使用石英或陶瓷諧振器。這些優(yōu)點是以較低的帶寬和受局限的單宿主總線訪問方法為代價的。2/3/20235LIN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)lin網(wǎng)絡(luò)由一個主節(jié)點和多個從節(jié)點組成。主節(jié)點主任務(wù)從任務(wù)主節(jié)點主任務(wù)從任務(wù)從節(jié)點1從任務(wù)從節(jié)點n從任務(wù)…2/3/20236除了宿主節(jié)點的命名之外，LIN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點不使用有關(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)點改變硬件和軟件的情況下向LIN中增加節(jié)點。2/3/20237LIN節(jié)點結(jié)構(gòu)LIN線路接口采用+UARTLINRXTXLIN節(jié)點通信媒介（銅線）LINUART集成在微控制器部件中Lin節(jié)點擁有線路接口（LIN標準）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）。2/3/20238通訊概念LIN包含一個宿主節(jié)點和一個或多個從屬節(jié)點。所有節(jié)點都包含一個被分解為發(fā)送和接收任務(wù)的從屬通訊任務(wù)，而宿主節(jié)點還包含一個附加的宿主發(fā)送任務(wù)。在實時LIN中，通訊總是由宿主任務(wù)發(fā)起的。宿主節(jié)點發(fā)送一個包含同步中斷、同步字節(jié)和消息識別碼的消息報頭。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、四個或八個數(shù)據(jù)字節(jié)和一個檢查和(checksum)字節(jié)。報頭和響應(yīng)部分組成一個消息幀。2/3/20239LIN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?？偩€收發(fā)器是ISO9141標準的一個增強實現(xiàn)。該總線可以采用兩個互補的邏輯電平：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)和30k(在從屬節(jié)點)的上拉電阻。從屬節(jié)點的端接電容通常為220pF。2/3/202310

如上文所述，LIN網(wǎng)絡(luò)基于主從節(jié)點構(gòu)架而形成網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。主節(jié)點需要向從節(jié)點發(fā)出周期性的檢測信號，檢測結(jié)果由從節(jié)點反饋給主控制器。其中周期根據(jù)事件檢測的實時性要求而設(shè)定。

如圖二所示，LIN的信號由一個由主任務(wù)提供的標頭（Header）和由從任務(wù)處理的響應(yīng)部分（Response）構(gòu)成。標頭包含一個13位的同步間隔字段（SynchBreakField）、一個由主任務(wù)產(chǎn)生的同步字段（SynchField），以及一個辨識字段（IdentifierField）。其中每一個字節(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)行的信號標頭會依整個LIN叢集的進度表決定每個信號的傳輸時間，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。在LIN網(wǎng)絡(luò)中只有主節(jié)點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字段中，讓從任務(wù)能與主節(jié)點時序同步。LIN信號的響應(yīng)部分包含一個數(shù)據(jù)域位（DataFiled），長度為2/4/8個字節(jié)，和一個長度為一個字節(jié)的驗證字段（ChecksumField）。LIN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2/3/202311圖二LIN信號結(jié)構(gòu)示意圖2/3/202312

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

報文頭只能由主機任務(wù)發(fā)送，它包括同步間隔場、同步場和標識符場三個部分。同步間隔場為至少13個連續(xù)的顯性位（低電平），它標志著一個報文幀的開始。其后為同步場，同步場邏輯值為0x55，從機節(jié)點利用同步場來實現(xiàn)與主機節(jié)點的同步。標識符場緊跟在同步場之后，長度為一個字節(jié)。標識符場中低6位為標識符位，共可組成64個標識符，其中60個用作一般報文傳輸、兩個用作診斷幀、一個用作用戶定義幀、一個留作LIN擴展用。標識符后兩位為奇偶校驗位。

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

LIN信息傳輸過程

LIN從機向主機傳輸數(shù)據(jù)示如圖所示，整個過程在主機的協(xié)調(diào)下進行。從機向主機傳輸數(shù)據(jù)

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LIN主機向兩個或兩個以上的從機發(fā)送數(shù)據(jù)如圖所示，整個過程在主機的協(xié)調(diào)下進行。主機向兩個或兩個以上的從機發(fā)送數(shù)據(jù)2/3/202316

從機和從機之間傳輸數(shù)據(jù)如圖所示，整個過程在主機的協(xié)調(diào)下進行。從機和從機之間傳輸數(shù)據(jù)2/3/202317一個報文幀由一個幀頭（由主機任務(wù)模塊提供）和一個響應(yīng)幀（由從機任務(wù)模塊提供）組成。幀頭包括一個同步間隔場(SYNCHBREAKFIELD)、一個同步場(SYNCHFIELD)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(wù)根據(jù)標識符提供相關(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)和一個校驗和場(CHECKSUMFIELD)組成。對這個標識符相聯(lián)的數(shù)據(jù)感興趣的從機任務(wù)將接收響應(yīng)幀，校驗和檢驗通過后對數(shù)據(jù)進行處理。報文幀2/3/202318根據(jù)傳輸條件的不同，報文幀可分為絕對幀、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節(jié)點中的主機任務(wù)發(fā)起，主機任務(wù)根據(jù)進度表來確定當前的通訊內(nèi)容，發(fā)送相應(yīng)的幀頭，并為報文幀分配幀通道?？偩€上的從機節(jié)點接收幀頭之后，通過解讀標識符來確定自己是否應(yīng)該對當前通訊做出響應(yīng)、做出何種響應(yīng)。基于這種報文濾波方式，LIN可實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)傳輸模式，且一個報文幀可以同時被多個節(jié)點接收利用2/3/2023192/3/202320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(wǎng)絡(luò)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(nèi)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(yīng)。2/3/2023213LIN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)由主機節(jié)點、后視鏡從機節(jié)點、搖窗機從機節(jié)點、門鎖從機節(jié)點構(gòu)成。車門控制LIN網(wǎng)絡(luò)LIN總線系統(tǒng)實例1：車門2/3/202322主機節(jié)點采集本地各控制開關(guān)的狀態(tài)并接受CAN總線上的遠程信息，據(jù)此產(chǎn)生控制指令，并將指令轉(zhuǎn)換為LIN報文幀通過LIN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相應(yīng)從機節(jié)點，從機節(jié)點接收到與自己相關(guān)的報文幀后對報文幀進行拆封、解讀，然后根據(jù)獲得的指令控制相應(yīng)的執(zhí)行器動作，從而實現(xiàn)對車門各部件的控制。同時，在需要時從機節(jié)點分別將其控制部件所處狀態(tài)反饋給主機節(jié)點，主機節(jié)點再將該狀態(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。主機節(jié)點也作為本LIN網(wǎng)絡(luò)與上層CAN網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)關(guān)。

a.主機節(jié)點b.從機節(jié)點LIN主機節(jié)點和從機節(jié)點CAN/LIN網(wǎng)關(guān)2/3/202323主機節(jié)點主要由控制器、電源、控制按鈕、LIN接口、CAN接口和指示燈幾部分組成。后視鏡從機節(jié)點主要由控制器、電源、LIN接口、執(zhí)行器驅(qū)動單元和執(zhí)行器如后視鏡調(diào)整電機、除霜加熱器等組成。a.主機節(jié)點b.從機節(jié)點CAN/LIN網(wǎng)關(guān)2/3/202324主機節(jié)點和從機節(jié)點控制器均采用PHILIPS的高性能8位單片機P87LPC768，該單片機除具有51系列單片機典型功能，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）,可以自動修整輸出波形降低電磁輻射（EME），且當傳輸速率低于10Ｋｂ/ｓ時,TJA1020可以工作在低斜率模式下而進一步降低電磁輻射。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)器配合實現(xiàn)節(jié)點的睡眠和喚醒。主機節(jié)點的CAN接口由CAN控制器SAJ1000和CAN驅(qū)動器82C250組成。2/3/202325

從機節(jié)點中以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，并可通過其反饋引腳診斷負載狀態(tài)。2/3/202326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、價格低廉的新型A類總線，必將進一步促進汽車分級制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實施和完善，推動汽車技術(shù)的發(fā)展。同時，LIN作為一個開放的協(xié)議，在工業(yè)及家電領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景。2/3/202327LIN總線系統(tǒng)實例2：鏡子鏡子功能可被集成到一個或更多個LIN從屬節(jié)點上。這些功能包括：鏡子上下、進出馬達控制；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USART的高性能8位控制器應(yīng)能滿足宿主節(jié)點的需求。存儲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。在這個例子中，從屬節(jié)點功能可由低性能8位控制器實現(xiàn)。2/3/202328LIN網(wǎng)絡(luò)在車鏡控制上的應(yīng)用2/3/202329LIN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現(xiàn)LIN協(xié)議，該協(xié)議不需要單片機給予過多的硬件支持，通過使用一個簡單的USART或增強型USART就可以實現(xiàn)。USART支持諸如自動波特率檢測等功能，這意味著在LIN應(yīng)用中可以使用一個簡單的質(zhì)優(yōu)價廉的8位單片機。還有一個優(yōu)點就是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)計人員能夠選擇存儲器容量較小的單片機。如何運用像LIN這樣的簡單協(xié)議對汽車進行控制呢？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，兩個車鏡是從節(jié)點。四向儀讀取按鍵的狀態(tài)，將報文發(fā)送給相應(yīng)的車鏡。2/3/202330從屬節(jié)點的實現(xiàn)根據(jù)LIN從屬節(jié)點應(yīng)用的復(fù)雜性和從微控制器的預(yù)算，LIN可用軟件方式實現(xiàn)，也可以使用標準的USART、EUSART或?qū)Ｓ玫腖IN硬件來實現(xiàn)。用純軟件來實現(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現(xiàn)是以相對較高的CPU負載為代價。包含一個片上RC振蕩器和物理收發(fā)器接口的PIC16C433是微控制器方案的一個例子，它提供了一個高度集成的低成本LIN方案。2/3/202331LIN標準包含傳輸協(xié)議、傳輸介質(zhì)、開發(fā)工具之間的接口和用于軟件編程的接口。LIN在硬件和軟件方面保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的互操作性和EMC行為的可預(yù)測性。LIN總線以較低的成本滿足了車體控制應(yīng)用的要求并有助于執(zhí)行器和傳感器設(shè)計的標準化和復(fù)用性。使用LIN總線規(guī)范2.0，支持即插即用已成為可能。2/3/202332實例3：LIN總線在電動汽車車身上的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將車身系統(tǒng)的A類網(wǎng)絡(luò)功能單元劃分為車門模塊、空調(diào)模塊、座椅模塊、控制面板模塊以及燈組模塊，這些模塊分別作為LIN子網(wǎng)絡(luò)的主機節(jié)點。電動汽車