局域互联网络(LIN)总线协议为简单的控制连接定义了一种比CAN(控制区域网络)、MOST或者ByteFlight总线协议成本更低的网络互联,该技术原来是专为汽车应用而设计的,然而LIN总线开放的协议同样非常有效地应用在工业以及家庭领域,其可靠而规模有限的网络连接,特别适合短距离、简单、对传输速度要求不高的应用场合。
LIN总线标准的特性
LIN总线标准为传输协议、传输媒质以及开发工具之间的接口定义了规范,并且具有以下特征:1、单个主控制器/多个从属控制器；2、基于常用的USART/SCI接口硬件,硅片实现成本很低；3、容易实现；4、从属控制器节点可以实现自同步,因而无需石英或者陶瓷振荡器；5、信号传输延时得到保证；6、低成本的单线实现方式；7、速度可以达到20 kbps。
主控制器下传信息给从属控制器,而从属控制器只有在主控制器查询时才会传输信息。只有在需要发布一个唤醒信号时,从属控制器才会启动一次传输。从属控制器节点通过标志位来鉴别它们的信息,通过这些标志位几个从属控制器节点可以接收同样的信息。图1显示了LIN总线的一个标准数据帧。
标准数据帧用一个同步中断来启动通讯过程,然后是1到4位时隙的同步定界符。在发送定界符之后接着发送同步字段,确保从属控制器节点调整到传输信号波特率。
同步字段发送之后紧接着发送标志字段,包括标志位和两个奇偶校验位。奇偶校验位识别同数据相关的从属控制器,并且告知对数据所进行的处理。标志字段发送之后,可能是寻址的从属控制器节点响应这一信息,也可能是主控制器继续传输数据。标志位的一个确定序列可以控制接收来自从属控制器节点的数据,而其它的标志位指示后续的数据类型。数据帧的最后内容是校验和,该校验和由所有的数据字节(不包括标志字节以及同步字段)计算而得到。
LIN总线主控制器发送的帧还包括休眠帧(sleep frame),它将总线以及从属控制器节点设置为低功耗模式。休眠帧的标志字段包含值0×80,其它类似于数据帧。系统设计工程师可以选择在标志字段之后是否传输数据。总线休眠模式在接收到唤醒信号时自行结束。主控制器或者任何从属控制器节点都可以发出唤醒信号。
主控制器或者从属控制器发送唤醒信号时先传输0×80值,紧接着是4到64位时隙的唤醒信号定界符。然后主控制器发送一个数据帧。如果128位时隙之后主控制器不能成功传输同步中断信号,就会发出一个新的唤醒信号。这一重复过程最多不能超过三次。
LIN总线在家电中的应用
对于典型的服装烘干机来说,用户可以从烘干机控制面板上选择温度、烘干时间以及冷却时间。设定之后烘干机中的电子成分将接管全部的控制。控制温度、烘干程度、旋转周期以及其它参数的传感器同控制面板直接相连。由于每一根线缆都必须连接到控制面板,因而这种实现方式成本很高。然而如果所有传感器、马达和显示单元都连接到一个单根的总线上,那么就只需要在洗衣机里布一根线缆,这样就可以极大地降低服务以及初始制造成本。图2显示了一种烘干机的网络实例。
比如在使用LIN总线的烘干机里,用户为烘干周期选择特定程序之后,主处理器(扮演主控制器角色)就会接管控制。在烘干过程开始前,主控制器会查询门节点传感器以确定门锁是否已经关闭。如果门锁是打开的,就会在控制面板上显示一个信息或者发出一种声音。如果门锁是关闭的,主控制器就会发出指令启动加热器开始加热,并且指令马达开始旋转。使用单个标志符可以实现两种任务。马达以及加热器拾取这一标志符并且开始加热和旋转。
一旦烘干机启动了一个烘干周期,每过一秒钟系统就会轮询温度传感器,并检查目标温度值是否已经达到。如果已经达到目标温度值,主控制器就会发出指令关闭加热器。同时继续监测温度确保不会低于某一个确定的最小值。
在烘干过程中主控制器将持续不断地监控门锁,确保其一直被关闭。如果在烘干过程中门锁被打开,主控制器立即向总线发出指令去关闭加热器和马达。
主控制器单元有一个专用于程序控制烘干过程的定时器。烘干过程结束后,加热器被关闭,烘干机继续旋转,主控制器启动冷却过程。冷却过程结束后,主控制器向控制面板发出消息显示烘干过程结束,显示单元就会显示出文本消息,或者蜂鸣器发出一种声音。
利用LIN总线实现系统的升级和调试
可以用一台PC机来访问LIN总线调试节点。例如,按下两个按键超过两秒时间,就可以通过程序命令主控制器进入调试/升级模式。在这种模式下主控制器可以激活调试节点或者给节点下载新的固件。
通过编程LIN总线,烘干机具有诸如自动负载控制这样不同的特征。每一个特征无需单独的一个模块(这意味着需要配备并且维护多个模块),所有的特征可以应用同样的基本控制模块。在生产过程中,通过LIN总线给节点发送一个配置指令就可以激活这一特征,在节点上将它们存储在EEPROM中。每次节点启动时都会从EEPROM中加载配置。另外还有一种选择就是每次烘干机开机时主控制器会给各节点发送一种配置,因而不需要从EEPROM中加载。
使用LIN总线无需多个编程模块和多条电缆,因而可以节省成本。同时可以通过LIN总线来实施测试和调试,授权或者屏蔽某些特征,因而可以为制造商和消费者节省大量成本。
作者:Thomas Schmidt
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