透彻理解LIN网络的独有特质

2008年05月20日

局域互联网络(LIN)标准是针对汽车分布式电子系统而定义的一种低成本的串行通讯网络,是对控制器区域网络(CAN)等其它汽车多路网络的一种补充,适用于对网络的带宽、性能或容错功能没有过高要求的应用。

面向汽车中众多的开关、灵巧传感器和执行器,LIN实现了一种高性价比的通讯网络。该通讯协议基于SCI/UART数据格式、并采用了单主/多从的概念,它是一种12V单线(加地线)总线,对没有精确时间基准(例如没有石英或振荡器)的节点使用了时钟同步机制。

典型的LIN应用是连接用于提高驾驶者舒适度的车身控制电子系统,包括车门、方向盘、座椅、反光镜、用于车内温湿控制的电机和传感器、照明控制、雨水传感器、智能雨刷、智能交流发电机、以及控制屏。利用LIN,汽车子系统设计者可以把这些应用的模块连接到汽车的网络上,使它们可以接受各种诊断和服务。

LIN与CAN的比较

同CAN相比,LIN节点成本较低,适于不需要CAN的高带宽和高性能的应用。

使用单线通讯且UART复杂性低于CAN,这些是LIN可以把成本降下来的重要因素。

LIN的较低成本是以特性更受限制(因为使用单主网络)和带宽较低为代价的,见表1。

物理层

LIN总线是一种单线总线,通过一个端接电阻与电池正极Vbat相连。所使用的总线收发器是ISO 9141标准的一种增强型实现。在美国,用于LIN网络的元件须满足SAE J2602规范。J2602规范是为改善LIN元件在LIN网络中的互操作性和互换性而制定的,它消除了LIN 2.0中一些不明确的、矛盾的或可选的要求,并增加了一些额外的、在LIN2.0规范中没出现的要求(如容错操作)。

该总线包含两个互补的逻辑电平:

·显性电平的电压接近于地电压,代表逻辑0。

·隐性电平的电压接近于电池电压,代表逻辑1。

LIN总线上的通讯是串行的、以帧为单位的,最大距离为40米。信号歪斜率的典型值为2V/微秒。该总线在主节点使用1k欧姆的上拉端接电阻,在从节点通常使用30k欧姆的上拉端接电阻。端接电容在从节点的典型值为220pF,大约是主节点端接电容的10倍,所以,总的线电容不太依赖于从节点的数目。

该总线是双向的,它与节点收发器相连,并通过端接电阻和二极管连接到该节点的Vbat (图1)。Vbat的电压范围在8V到18V之间。因为在任一时刻在总线上只允许存在一个消息,LIN总线不需要解决总线争用问题,因而也无需使用总线仲裁,LIN网络系统开发者也可以保证最坏情况的等待时间。

图1

LIN物理层规范要求收发器的切换不会干扰车辆中其它电子元件的性能。设计者必须保证该收发器满足汽车制造商的EMC要求,常用的手段是使用波形修正或边沿修整技术、以便减小因波形边缘陡峭而产生的高能量谐波,进而降低辐射量。

在隐性状态,发射机是被动的,1k欧姆的拉高电阻把总线电压拉高到接近于Vbat。当发射器主动地把总线拉低到地电位时,总线成为显性状态。所有LIN发射器都是按照“与”逻辑用导线连接到总线上的:只有各个节点都处在隐性状态时总线才处在隐性状态。

在开始以正常模式通讯之前,需要为每个LIN节点指定唯一的地址。地址可以由节点的硬件(以硬连线方式、一次可编程、或通过开关)定义,也可以在网络安装或维护之后由主节点在开机期间指定。当由主节点指定时,从节点在连接到LIN网络之前没有预设的地址,在网络启动时所指定地址被称为自动寻址或从节点位置检测(SNPD)。

由于在同一个LIN网络上可能有多个功能类似但地址不同的节点,所以自动寻址是首选的模式。自动寻址可以简化系统升级和维护,在向LIN网络中增加节点或替代其中受损的节点时不需要对新硬件进行手工干预,因而可以降低系统升级或维护的成本。我们无须对现有从节点做任何硬件或软件改变,就能把新的节点增加到LIN网络中。即使是在系统开发和车辆组装期间,自动寻址也允许开发者把预先组装和测试好的LIN模块整合到网络中,为车辆增加功能或选项。这为不同车辆提供多种选择,使他们可以利用相同的主节点和变化的从节点集,最终支持终端产品的多样化。

图2是一个标准的、带有单个主节点和多个从节点的LIN总线拓扑结构图。每个节点包含一个由协议处理器模块控制的收发器,该模块用来保证LIN协议的数据链路层正常工作,并保证网络和应用间正确的数据交换。

图2

主节点与从节点的差别在于:主节点在LIN总线和Vbat之间存在上拉电阻(为了简化,在图2中忽略了所要求的反向保护二极管及与总线连接的其它细节)。所有的节点(包括主节点和从节点)通过一个标为LIN的引脚连接到共用的LIN总线。

主节点常常使用带有CAN接口和USART/EUSART的高性能8位微控制器。主节点的存储器需要依赖于必要的软件功能、软件堆栈及硬件I/O的要求。从节点可以使用性能和价格较低的8位微处理器。

取决于从节点应用的复杂性和预算,LIN子系统开发者可以软件形式实现,使用标准的USART、增强型USART(EUSART),或专用的LIN硬件来实现。纯粹基于软件的LIN实现可用于控制屏、温度传感器和LED显示等复杂度较低的应用。这种实现的低成本优势被相对高的CPU负载所抵消。

对于包括执行器和电机的更复杂的系统来说,需要更高的CPU性能和使用由标准USART实现的LIN,与软件LIN方案比较,该方案中的USART硬件功能分担了CPU的任务。对于使用标准USART的LIN,因为硅芯片面积较大并需要外部振荡器或石英晶体,从节点成本较高。

如果系统的复杂性进一步增高,对CPU的性能要求也就更高,这个问题可以用EUSART来解决。EUSART的功能分担了CPU的任务,使用EUSART的LIN系统可以与片上RC振荡器良好配合,有助于进一步降低整个系统的成本。

复杂的前照灯控制

图3

图3是一个基于LIN的前照灯控制系统,功能包括对两个前照灯进行调平、转动和两个前灯的自适应前照灯系统(AFS)。图中的LIN电机驱动器是一个两相的、微步进驱动器,内含集成了LIN控制和诊断功能的位置控制器,见图4。

图4

前照灯控制器通过LIN接口接收高级位置指令,并驱动电机线圈直到前照灯达到期望的位置。片上位置控制器通过设置可适应不同的电机类型、定位范围及速度、加速度和减速度等参数。无线传感器失速检测可防止该控制器的定位器失步,该系统在检测到失速条件时让电机停止运行。主节点可以从各个从节点处获取特定的状态信息,例如实际位置和错误标志等。

在LIN电机驱动控制器中,高度抽象的指令集降低了电子控制单元(ECU)中微处理器的负担。针对前照灯移动控制转轴数目的不同来调整应用(这意味着实现不同的特性)非常简单,由于硬件和软件采用的是模块化可扩展结构,改变应用对主微控制器的要求没有太大影响。这个子系统设计的优点是只使用了一个ECU,可以通过增加或去掉可选电机来支持期望的特性集,从而以较低的代价简单地改变该系统的控制功能。

结论

对于不需要过高的带宽或性能的应用,LIN标准为多路网络(如CAN)阵营增添了一种成本低于CAN网络的可选方案。LIN为车内控制屏、灵巧传感器和执行器应用提供了一种高性价比的单主/多从通讯网络。LIN在汽车中的典型应用是那些提高驾驶者舒适度的车身控制电子系统,包括车门、方向盘、座椅和反光镜的电子组件,用于车内温湿度控制的马达和传感器、以及照明控制、雨水传感器、智能雨刷、智能发电机和控制屏等子系统。

表1:LIN与CAN的对比。