LIN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

1、LIN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)宋開(kāi)臣 陳 舒 時(shí)間:2008年07月29日 字 體: 大 中 小關(guān)鍵詞:電源電壓車(chē)身系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)我國(guó)I/O? 摘 要： 介紹了汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)A類(lèi)串行總線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)LIN協(xié)議2.0版本(最新版本)，設(shè)計(jì)了總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的硬件和通信程序，規(guī)劃了電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)。? 關(guān)鍵詞： LIN總線(xiàn)? 通信? 節(jié)點(diǎn)? 隨著汽車(chē)電子業(yè)的飛速發(fā)展，車(chē)輛上的電子裝置越來(lái)越多，電子裝置之間的通信技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)。傳統(tǒng)的電器系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，這樣必然造成布線(xiàn)系統(tǒng)龐大，因而現(xiàn)代車(chē)輛上的電子系統(tǒng)廣泛采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)彼此之間的通信。? 1998年1，汽車(chē)制造商奧迪公司、寶

2、馬公司、戴姆勒克萊斯勒公司、沃爾沃汽車(chē)公司、大眾汽車(chē)公司、通信領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)廠商火山通信技術(shù)公司以及半導(dǎo)體生產(chǎn)商摩托羅拉公司共同創(chuàng)建了LIN( Local Interconnect Network)協(xié)會(huì)，其目的是為汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供一個(gè)開(kāi)放的A類(lèi)(數(shù)據(jù)傳輸位速率通常小于10kb/sv的低速車(chē)身網(wǎng)絡(luò))串行總線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)，允許在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)汽車(chē)低端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并且不需要使用者支付使用費(fèi)用或版稅。1 LIN協(xié)議的通訊機(jī)制1.1 主機(jī)和從機(jī)? 從通訊協(xié)議的角度來(lái)看，一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主機(jī)任務(wù)模塊（Master Task）和若干個(gè)從機(jī)任務(wù)模塊（Slave Task）組成。主機(jī)節(jié)點(diǎn)中既有主機(jī)任務(wù)模塊又有從機(jī)任務(wù)模

3、塊；其它節(jié)點(diǎn)中只有從機(jī)任務(wù)模塊。圖1是由一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)、兩個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)組成的LIN網(wǎng)絡(luò)。? 在LIN網(wǎng)絡(luò)中，主機(jī)任務(wù)模塊決定什么時(shí)候在總線(xiàn)上傳輸什么報(bào)文幀，而從機(jī)任務(wù)模塊則提供每一幀需要傳送的數(shù)據(jù)。主機(jī)任務(wù)模塊和從機(jī)任務(wù)模塊都是幀處理層的組成部分。1.2 報(bào)文幀? 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(chǎng)(SYNCH BREAK FIELD)、 一個(gè)同步場(chǎng)(SYNCH FIELD)和一個(gè)標(biāo)識(shí)符場(chǎng)。報(bào)文幀的用途由標(biāo)識(shí)符唯一定義，約定的從機(jī)任務(wù)根據(jù)標(biāo)識(shí)符提供相關(guān)的響應(yīng)幀并發(fā)送到總線(xiàn)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(chǎng)(D

4、ATA FIELD)和一個(gè)校驗(yàn)和場(chǎng)(CHECKSUM FIELD)組成。對(duì)這個(gè)標(biāo)識(shí)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(guò)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。? 這樣的通訊機(jī)制帶來(lái)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(duì)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(shí)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(duì)報(bào)文作出反應(yīng)。2 LIN總線(xiàn)試驗(yàn)平臺(tái)的軟硬件設(shè)計(jì)2.1 MCU芯片? 主機(jī)MCU選用了瑞薩（Renesas）公司的M16C/6N系列的M306NBFCTFP，其特點(diǎn)如下：? 128K ROM，5K RAM? 三路串行口（

5、兩路UART/時(shí)鐘同步口，一路時(shí)鐘同步口）? 一路CAN模塊? 豐富的I/O資源? 從機(jī)MCU選用Atmel公司的基于8051內(nèi)核的微控制器AT89C2051，其特點(diǎn)為：? 2K字節(jié)的Flash? 1288位的內(nèi)部RAM? 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器? 可編程的串行UART口? 采用M306NBFCTFP作為主機(jī)節(jié)點(diǎn)的MCU是因?yàn)樗哂蠧AN接口模塊，而且增強(qiáng)型UART可用于支持LIN總線(xiàn)；采用AT89C2051作為從機(jī)節(jié)點(diǎn)的MCU是因?yàn)闀簳r(shí)不對(duì)從機(jī)節(jié)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的具體功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，而只是著重于LIN網(wǎng)絡(luò)通訊部分的設(shè)計(jì)。要履行LIN規(guī)范的通訊時(shí)序，所有節(jié)點(diǎn)都必須配備一個(gè)精確的振蕩參考源，即主機(jī)節(jié)點(diǎn)（

6、M306NBFCTFP）和從機(jī)節(jié)點(diǎn)（AT89C2051）上的晶振。M306NBFCTFP片內(nèi)有一個(gè)專(zhuān)用的波特率發(fā)生器用于串口通訊，而AT89C2051則把定時(shí)器T1作為波特率發(fā)生器。M306NBFCTFP將I/O口作為擴(kuò)展區(qū)域。這兩種微控制器都具有增強(qiáng)型UART，可用于支持串行LIN傳輸。定時(shí)器T0可用于各種超時(shí)檢測(cè)。此外，由于LIN的同步間隔超過(guò)普通UART所能處理的長(zhǎng)度，所以從機(jī)節(jié)點(diǎn)AT89C2051使用中斷來(lái)進(jìn)行同步間隔檢測(cè)。? 圖4和圖5分別為主機(jī)節(jié)點(diǎn)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)的電路原理圖。? ? 2.2 LIN總線(xiàn)通訊軟件的設(shè)計(jì)? LIN節(jié)點(diǎn)是通過(guò)應(yīng)用程序中的主機(jī)任務(wù)和從機(jī)任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)LIN網(wǎng)絡(luò)通訊的

7、。主機(jī)節(jié)點(diǎn)包含主機(jī)任務(wù)和從機(jī)任務(wù)，從機(jī)節(jié)點(diǎn)僅包含從機(jī)任務(wù)。主機(jī)任務(wù)流程圖如圖6所示，從機(jī)任務(wù)流程圖如圖7所示。? LIN主機(jī)任務(wù)包括以下內(nèi)容：? 定義波特率（2kbit/s到20kbit/s）；? 發(fā)送間隔場(chǎng)和同步場(chǎng)信號(hào)序列；? 發(fā)送標(biāo)識(shí)符場(chǎng)；? 監(jiān)控并檢查校驗(yàn)和，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性；? 請(qǐng)求從機(jī)進(jìn)入睡眠模式，需要時(shí)再將其喚醒；? 對(duì)從機(jī)的喚醒進(jìn)行響應(yīng)。? 從機(jī)任務(wù)包括以下內(nèi)容：? 檢測(cè)間隔場(chǎng)信號(hào)；? 在同步區(qū)與網(wǎng)絡(luò)取得同步；? 解釋標(biāo)識(shí)符，并作出相應(yīng)動(dòng)作：? ? 不需要任何通訊操作；? 接收數(shù)據(jù)場(chǎng)數(shù)據(jù)；? 發(fā)送響應(yīng)幀；? 檢查/發(fā)送校驗(yàn)和。3 電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)? 根據(jù)LIN總線(xiàn)的物理層

8、規(guī)定，LIN總線(xiàn)采用改進(jìn)的ISO9141單總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(duì)于發(fā)出信息的節(jié)點(diǎn)，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(duì)接收節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，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(hào)衰弱等因素，LIN總線(xiàn)的長(zhǎng)度最大不超過(guò)40米；同時(shí)一個(gè)LIN子網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)目小于16個(gè)。? 根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)A類(lèi)網(wǎng)絡(luò)各功能單元對(duì)通訊功能的實(shí)時(shí)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(xiàn)在電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身上的網(wǎng)絡(luò)結(jié)

9、構(gòu)，可以從圖8中幾個(gè)典型的A類(lèi)網(wǎng)絡(luò)功能單元進(jìn)行分析。? 車(chē)身系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃如圖9所示。圖9中將車(chē)身系統(tǒng)的A類(lèi)網(wǎng)絡(luò)功能單元?jiǎng)澐譃檐?chē)門(mén)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L(zhǎng)IN子網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)節(jié)點(diǎn)。? LIN總線(xiàn)的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)提供一種低速總線(xiàn)通訊標(biāo)準(zhǔn)，它能滿(mǎn)足CAN總線(xiàn)所不要求的帶寬和功能，使用LIN總線(xiàn)可大大節(jié)省成本。而在我國(guó)，對(duì)于汽車(chē)總線(xiàn)的研究只是處于初步階段。為了縮短同國(guó)外轎車(chē)技術(shù)水平的差距，提高自身的競(jìng)爭(zhēng)力，單純靠技術(shù)引進(jìn)不利于我國(guó)汽車(chē)電子技術(shù)的長(zhǎng)期發(fā)展，研究和開(kāi)發(fā)我國(guó)自己的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)勢(shì)在必行。本文確立了MCULIN接口芯片的LIN節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)

10、了主機(jī)/從機(jī)任務(wù)的LIN網(wǎng)絡(luò)通訊，規(guī)劃出了我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身系統(tǒng)LIN總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，為我國(guó)汽車(chē)LIN總線(xiàn)A類(lèi)網(wǎng)絡(luò)高層通訊協(xié)議的制定奠定了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 Lin Consortium. LIN Organization & Access Policy,2002.42 LIN Specification Package, Revision 2.0. Motorola Co, Sep.? 23, 20033 M16C/6N0/6N1 Group Data Sheet. Renesas Technology Corp,20034 Philips Microcontrollers in LIN Applications. Philips Semiconductors, 2002.85 Preliminary Applicat