基于XC886單片機的門控系統(tǒng)LIN總線通信模塊設計

0 引言
    隨著汽車業(yè)的飛速發(fā)展，汽車電控系統(tǒng)的配置不斷升級，使得車輛上的電子元件越來越多，其相互連接的網絡結構也越來越復雜。過去所采用的電纜連接方式所帶來的龐大布線負擔，容易造成車體過重和線路的磨損老化。在這種情況下，就需要引入標準的總線技術，從而降低車身重量，同時提高各個電控元件之間的通信可靠性。上世紀80年代，根據(jù)車用通信網絡在不同控制層面的不同功能要求，SAE (Societv ofAuto－mobile Engineering)將其分為A，B，C三類。其中A類為低速網，數(shù)據(jù)傳輸速率通常為1～10kb／s，LIN總線通信網絡就屬于此類。LIN總線一般應用于不需要高性能及帶寬和復雜性較大的低端系統(tǒng)，如車門控制模塊、座椅調節(jié)、車燈控制和空調系統(tǒng)中傳感器和執(zhí)行器之間的通信。由于其LIN總線成本較低，也可以獨立用于不是特別復雜的車身控制網絡中。

1 LIN總線協(xié)議簡介
    LIN協(xié)議標準于1998年由Audi、BMW、Mo－torola、Daimlerehrysler、VCT、Volvo和Volkswa－gen等七家公司在A類網已有協(xié)議的基礎上聯(lián)合提出。LIN總線在當今汽車電子的網絡結構中被廣泛使用，它基于通用的UART／SCI接口，使用單線信號傳輸，從節(jié)點無需晶振或陶瓷振蕩器就能實現(xiàn)自同步，因此成本低廉。LIN總線網絡采用單主多從模式，圖1所示是UN總線網絡的結構示意圖，它由一個主節(jié)點和一個或若干個從節(jié)點組成，不需要總線仲裁。LIN總線協(xié)議基于ISO參考模型中的物理層，數(shù)據(jù)鏈路層采用NRZ (Not Re－turn Zero)編碼方式，電平分為隱性電平(‘1’)和顯性電平(‘0’)。

1．1 物理層
    LIN總線一般采用單總線(12 V)串行通訊，總線長度最大可達到40 m，傳輸速率最高可達到20 Kb／s，通常使用2．4Kb／s、9．6 Kb／s和19．2 Kb／s這三個波特率進行數(shù)據(jù)傳輸。由于從節(jié)點的個數(shù)除了受標識符數(shù)量的限制中，也受到總線的物理特性限制，節(jié)點過多必然減少網絡阻抗，從而導致通訊條件變差，所以協(xié)議規(guī)定：一個LIN總線網絡上的節(jié)點數(shù)目不能超過16個。
1．2 數(shù)據(jù)鏈路層
    LIN總線協(xié)議的一個報文幀由報文頭和響應組成，圖2所示是LIN總線協(xié)議的報文幀結構。一般情況下，報文頭都是由主節(jié)點發(fā)送，而響應則是由一個主節(jié)點或者一個從節(jié)點發(fā)送。LIN總線網絡中的數(shù)據(jù)通訊都是由主節(jié)點發(fā)送一個報文頭來初始化的。報文頭包含一個空白場、一個同步場和一個標識符場，而響應則包括1到9個字節(jié)場(0～8個數(shù)據(jù)場和一個校驗和場)。其中，字節(jié)場由字節(jié)間的間隔分開，報文頭和響應則由幀內響應間隔分開，它們的最小長度皆為0。

    報文頭中的空白場可使節(jié)點能夠識別一個報文的開始?？瞻讏鰹?3位或者持續(xù)更長時間的顯性電平(‘0’)加上持續(xù)1個位時間以上的隱性電平(‘1’)組成。同步場則為一個字節(jié)長度(ox55)，可用來使相關從節(jié)點進行主從節(jié)點的時鐘同步。
    標識符場格式如圖3所示，定義報文的信息，長度為一個字節(jié)，其中前6位為標識符位，可定義26=64個標識符(其中保留4個標識符作為命令和擴展幀標識符)，后2位為奇偶校驗位。

    標識符用于定義數(shù)據(jù)的傳輸方向和響應中數(shù)據(jù)場的長度，并從節(jié)點根據(jù)標識符判斷報文是否與自己相關，從而對報文做出反應，進行通訊。當主節(jié)點發(fā)送的報文頭被相關從節(jié)點接受并對標識符判斷之后，從節(jié)點被要求進行數(shù)據(jù)發(fā)送，而主節(jié)點要接收從節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，則需要將此標識符定義為接收標識符，對于從節(jié)點來說，則需定義為發(fā)送標識符，反之亦然。
    響應中數(shù)據(jù)場的長度由標識符位中的第4位和第5位(ID5和ID4)決定，它們將所有的標識符分成四組。每組有16個標識符，這些標識符代表著2、4和8個數(shù)據(jù)場。數(shù)據(jù)場的傳輸由低位到高位，包含了各個節(jié)點需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。校驗和場是數(shù)據(jù)場所有字節(jié)的和的反碼，當節(jié)點收到數(shù)據(jù)并進行校驗時，要求所有數(shù)據(jù)字節(jié)和與校驗和場的字節(jié)相加必須是0xFF。

2 車門控制中LIN通信系統(tǒng)的設計
    本設計方案主要采用英飛凌XC886單片機作為主節(jié)點控制器，以英飛凌的TLE7259芯片作為LIN驅動模塊，這樣可使主節(jié)點車門控制器可以通過LIN總線與3個從節(jié)點車門控制器(TLE7810)進行通信。作為主節(jié)點，在此門控系統(tǒng)中，可以通過司機側按鈕開關對所有車窗進行升降，并可進行后視鏡的調節(jié)和中央門鎖的控制。圖4所示是車門控制系統(tǒng)的結構框圖。

2．1 XC886與UN驅動模塊的接口設計
    英飛凌公司的XC886單片機是基于8051工業(yè)標準架構的高性能8位微控制器，其內部集成有CAN控制器并支持UN通信，同時包含兩個UART(其中一個用于支持LIN)和兩個單獨16位計時器的捕捉／比較單元(CCU)，可靈活產生PWM信號。此外，還集成有高精度8路10位ADC、四個通用16位計時器和可編程16位看門狗計時器(WDT)，并支持片內調試。XC886包含多種省功耗模式，非常適用于各種汽車車身控制網絡以及工業(yè)和農業(yè)設備控制、建筑物照明控制、智能傳感器和工業(yè)自動化等領域。
    系統(tǒng)中的LIN驅動模塊選用英飛凌公司的TLE7259芯片，它具有總線接地短路保護功能，適用于傳輸速率為2．4 kb／s～20 kb／s的車載系統(tǒng)通信網絡。同時，該器件還具有極強的防靜電放電(ESD)特性和優(yōu)越的抗電磁干擾(EMI)能力。其基于固定斜率的斜率控制機制，還可實現(xiàn)在寬頻帶范圍內優(yōu)越的EMC性能。在XC886作為LIN總線主節(jié)點控制器的設計方案中，必須在TLE7259芯片的LIN＿BUS引腳與INH引腳之間連接一個1kΩ的電阻和一個反向二極管，并將TLE7259配置成主節(jié)點驅動模塊。圖5所示是系統(tǒng)LIN驅動模塊的接口電路。

    TLE7259芯片具有等待模式、正常模式和睡眠模式等三個工作模式。上電后。芯片立即進入等待模式，然后可通過EN引腳置1使之進入正常模式。在正常模式，XC886單片機可在TXD LIN管腳輸入所需發(fā)送的數(shù)據(jù)流，并通過TLE725芯片轉換成LIN總線信號，以控制轉換速率和波形，從而降低電磁輻射(EME)。LIN總線的輸出管腳(Bus)可通過一個內部終端電阻拉成高電平。TLE725芯片可在LIN總線的輸入管腳檢測數(shù)據(jù)流并通過管腳RXD＿LIN發(fā)送到XC886單片機。在正常模式下，將EN引腳置0可使芯片進入睡眠模式，此時的靜態(tài)電流不超過8 mA，用戶也可以通過LIN總線或本地引腳(WK)進行喚醒，使之重新進入等待模式。
2．2 LIN通信中主節(jié)點的軟件實現(xiàn)
    軟件采用C語言模塊化編寫，易于維護。本設計方案中，LIN總線的傳輸速率設置為20 kbit／s，可在單主節(jié)點和3個從節(jié)點之間通訊，支持數(shù)據(jù)場長度設置為2個字節(jié)。第一個字節(jié)用于發(fā)送主節(jié)點控制命令或接收從節(jié)點狀態(tài)信息，后一個字節(jié)為預留，可用于用戶擴展。
    通常由主節(jié)點向從節(jié)點發(fā)送控制命令，主要包括車窗升降控制、車門鎖命令和后視鏡調節(jié)控制等，表1所列是其控制命令的數(shù)據(jù)場定義。當車窗控制部分發(fā)送車窗無動作命令時(Bit2為0)，可忽略后兩位(Bit1和Bit0)判斷，車窗保持原狀。當后視鏡部分發(fā)送后視鏡無動作命令時(Bit6為0)，則忽略后三位(Bit5，Bit4和Bit3)判斷，此時左右兩個后視鏡電機均無動作，后視鏡位置保持原狀。中控鎖部分(Bit7)用于中控鎖的狀態(tài)比較，若位數(shù)據(jù)相同，則保持中控鎖狀態(tài)，若位數(shù)據(jù)不同，則驅動中控鎖電機進行相應動作。

    狀態(tài)信息一般由從節(jié)點反饋給主節(jié)點，以用于故障診斷，主要包括車窗升降電機和繼電器的短路和開路信息等，表2所列是狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)場定義。當主節(jié)點收到后狀態(tài)信息后。若發(fā)現(xiàn)故障，則主節(jié)點控制器將使指示燈閃爍或者進行聲音報警。

    主節(jié)點初始化之后，系統(tǒng)將處于等待狀態(tài)，同時檢查是否有數(shù)據(jù)傳輸需求。主程序每10 ms檢查一次主節(jié)點控制器的按鍵參數(shù)。當司機側主控板上有按鍵動作時，系統(tǒng)會將相應按鍵數(shù)據(jù)轉換成控制命令并通過LIN總線發(fā)送給從節(jié)點控制器；若沒有按鍵動作，則要求從節(jié)點反饋狀態(tài)信息，并分析其工作狀態(tài)。圖6所示是其主節(jié)點的程序流程圖。

3 結束語
    本文介紹了基于英飛凌公司的XC886單片機的車門控制系統(tǒng)的LIN總線通信模塊的設計方法，并對其硬件設計和軟件結構進行了簡單的分析。運用LIN總線技術開發(fā)的車窗、后視鏡和中央門鎖控制系統(tǒng)，由于使用了低功耗的8位單片機，因而降低了成本，提高了系統(tǒng)性能，是汽車電子技術的發(fā)展方向。本系統(tǒng)程序采用C語言編寫，具有很好的可讀性和維護性。事實上，總線技術的發(fā)展是推動汽車電子進步的一大動力，總線技術的廣泛使用則進一步促進了汽車生產商對總線開發(fā)的投人，因此，汽車總線的開發(fā)必然在將來的汽車工業(yè)中占據(jù)更為重要的位置。