基于Microchip單片機(jī)及收發(fā)器實(shí)現(xiàn)的低成本LIN總線

     摘  要： 介紹了幾款MICROCHIP單片機(jī)及收發(fā)器實(shí)現(xiàn)低成本的汽車子網(wǎng)LIN總線節(jié)點(diǎn)。基于MICROCHIP單片機(jī)內(nèi)帶的增強(qiáng)型通用同步/異步收發(fā)器(EUSART)實(shí)現(xiàn)LIN的控制器，并用MICROCHIP的MCP2021作為L(zhǎng)IN的電平轉(zhuǎn)換器，最終實(shí)現(xiàn)一主多從的低成本的LIN網(wǎng)絡(luò)。

　　隨著汽車總線應(yīng)用的日益普及以及對(duì)汽車成本的要求越來(lái)越嚴(yán)格，LIN總線的市場(chǎng)占有率越來(lái)越高。本文從低成本的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)LIN總線的節(jié)點(diǎn)，具有非常高的實(shí)用價(jià)值。

　　1 LIN的基本知識(shí)與發(fā)展

　　1.1 LIN的基本知識(shí)

　　局域互連網(wǎng)絡(luò)LIN（Local Interconnect Network）是低成本的串行通信網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制，是現(xiàn)有多種汽車網(wǎng)絡(luò)在功能上的補(bǔ)充；同時(shí)它也是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)，作為CAN總線的子總線，能緩解CAN總線數(shù)據(jù)擁擠的現(xiàn)狀。

　　由于LIN總線是可靠、低成本、開放標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)解決方案，它可以簡(jiǎn)化現(xiàn)存的多點(diǎn)解決方案，并且能降低在汽車電子領(lǐng)域中的開發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)和后勤成本。

　　1.2 LIN的起源與發(fā)展

　　LIN聯(lián)盟成立于1999年，并發(fā)布了LIN 1.0版本。2000年，LIN聯(lián)盟再次發(fā)布了1.1版本。2001年，第一輛采用LIN1.1版本的量產(chǎn)汽車面世。2003年，2.0版本出現(xiàn)。2006年，2.1版本面世并沿用至今。

　　1.3 LIN的市場(chǎng)

　　LIN總線產(chǎn)品已經(jīng)成為汽車總線的第二大市場(chǎng)，預(yù)計(jì)將成為未來(lái)增長(zhǎng)最快的一個(gè)市場(chǎng)。第一大市場(chǎng)是CAN總線，其在2006年已經(jīng)達(dá)到頂峰。

　　2 LIN的基本概念

　　LIN在物理層是單線實(shí)現(xiàn)的，一般電壓范圍在8 V～18 V。LIN網(wǎng)絡(luò)是單主多從結(jié)構(gòu)，由于只有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，所以不存在總線仲裁。總線的速度一般在2.4 kbd～19.6 kbd之間。典型節(jié)點(diǎn)數(shù)為2～10個(gè)，由于阻抗匹配的原因，最多不能超過(guò)16個(gè)。如圖1所示。

　　LIN總線為串行通信方式，編碼采用非歸零碼，8N1（8個(gè)數(shù)據(jù)位，沒有校驗(yàn)位，1個(gè)停止位）方式，如圖2所示。每幀的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)可變，為2～8 B。在數(shù)據(jù)字節(jié)結(jié)束后，會(huì)發(fā)一個(gè)校驗(yàn)和來(lái)進(jìn)行校驗(yàn)。

　　在LIN網(wǎng)絡(luò)中，主節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘由高精度的晶振產(chǎn)生，從節(jié)點(diǎn)一般用RC震蕩器產(chǎn)生。在本文中，從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘可以用MICROCHIP單片機(jī)的內(nèi)部RC震蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　3 LIN協(xié)議的基本知識(shí)

　　LIN的報(bào)文分為兩部分，一是主任務(wù)，也叫報(bào)文頭；另一個(gè)部分是從任務(wù)，也叫響應(yīng)場(chǎng)。如圖3所示。

　　主任務(wù)位于主機(jī)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，都是由主節(jié)點(diǎn)發(fā)出，它負(fù)責(zé)報(bào)文的進(jìn)度表、發(fā)送報(bào)文頭（HEADER）。從任務(wù)位于所有的（即主機(jī)和從機(jī)）節(jié)點(diǎn)中，其中一個(gè)（主機(jī)節(jié)點(diǎn)或從機(jī)節(jié)點(diǎn)）發(fā)送報(bào)文的響應(yīng)（RESP*E）。

　　3.1 報(bào)文頭

　　報(bào)文頭分為三部分，按順序分別叫同步間隔、同步字段、標(biāo)識(shí)符字段。

　　同步間隔是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的低電平（顯性總線電平），低電平時(shí)間要大于10個(gè)位定時(shí)時(shí)間，通常為13個(gè)位定時(shí)時(shí)間。在長(zhǎng)時(shí)間的低電平之后，要跟著一個(gè)短時(shí)間的高電平（隱性總線電平），一般為1～4個(gè)位定時(shí)時(shí)間。

　　同步字段包含了時(shí)鐘的同步信息。它的內(nèi)容為0x55，表現(xiàn)在8個(gè)位定時(shí)中有5個(gè)下降沿（隱性跳變到顯性的邊沿）。從節(jié)點(diǎn)通過(guò)同步字段，可以使自己的總線速率與主節(jié)點(diǎn)同步。

　　標(biāo)識(shí)符字段定義了報(bào)文的內(nèi)容和長(zhǎng)度。其中，內(nèi)容是由6個(gè)標(biāo)識(shí)符位和2個(gè)奇偶校驗(yàn)位組成，如圖4所示。標(biāo)識(shí)符位的第5位和第6位（ID4和ID5）定義了報(bào)文數(shù)據(jù)場(chǎng)的長(zhǎng)度。

　　3.2 響應(yīng)場(chǎng)

　　響應(yīng)場(chǎng)包含數(shù)據(jù)字段和校驗(yàn)和兩部分。

　　數(shù)據(jù)字段由8 bit數(shù)據(jù)的字節(jié)組成，傳輸由最低位（LSB）開始。校驗(yàn)和按照帶進(jìn)位加的方式計(jì)算，每個(gè)進(jìn)位都被加到本次計(jì)算結(jié)果的最低位。

　　3.3 保留的標(biāo)識(shí)符

　　標(biāo)識(shí)符為0x3C和0x3D的標(biāo)識(shí)符被用做診斷。其中0x3C是主機(jī)請(qǐng)求幀，它可以從主機(jī)向從機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令和數(shù)據(jù)。0x3D是從機(jī)響應(yīng)幀，它觸發(fā)一個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)（由一個(gè)優(yōu)先的下載幀編址）向主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　標(biāo)識(shí)符為0x3E是由用戶定義的自由用法，標(biāo)識(shí)符為0x3F是為將來(lái)使用而嚴(yán)格保留的。

　　4 MICROCHIP單片機(jī)的軟硬件實(shí)現(xiàn)

　　4.1 硬件實(shí)現(xiàn)

　　主節(jié)點(diǎn)一般采用Flash比較大的MICROCHIP中檔8位單片機(jī)，或者采用帶CAN控制器的高檔8位單片機(jī)或16位單片機(jī)作為控制器。時(shí)鐘采用高精度石英晶振。物理層的電平轉(zhuǎn)換采用MICROCHIP的收發(fā)器MCP2021。

　　從節(jié)點(diǎn)可用低成本的MICROCHIP中、低檔8位單片機(jī)。時(shí)鐘用單片機(jī)內(nèi)部自帶的RC震蕩器。內(nèi)部RC震蕩器在常溫25 ℃時(shí)，精度為1%，全溫度范圍(-40 ℃～+125 ℃)內(nèi)精度為5%[1]。物理層的電平轉(zhuǎn)換采用MICROCHIP的收發(fā)器MCP2021。

　　4.2 軟件實(shí)現(xiàn)

　　4.2.1 主節(jié)點(diǎn)

　　主節(jié)點(diǎn)完全按照LIN規(guī)范實(shí)現(xiàn)。主節(jié)點(diǎn)的任務(wù)就是發(fā)送報(bào)文頭和發(fā)送接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)關(guān)的作用。另外，單片機(jī)的剩余功能，可以用來(lái)做一些A/D和開關(guān)量的采集，還可以驅(qū)動(dòng)一些蜂鳴器、小電機(jī)或者LED和LCD等器件。主節(jié)點(diǎn)發(fā)送流程如圖5所示。

　　LIN總線的通信可以通過(guò)配置單片機(jī)的EUSART來(lái)實(shí)現(xiàn)。每次通信都由主節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)，此處不考慮從節(jié)點(diǎn)到從節(jié)點(diǎn)的通信?？偩€的配置也由主節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體波特率可以通過(guò)波特率控制寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里采用9 600的波特率。

　　標(biāo)識(shí)符不是一個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址，而是一個(gè)報(bào)文的描述符。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)0x3C的命令后，再發(fā)送8 B的00H，總線就進(jìn)入休眠模式。在休眠模式下，總線處于空閑狀態(tài)，因此任何一個(gè)從節(jié)點(diǎn)都可以喚醒總線。

　　主節(jié)點(diǎn)采用高精度的石英晶振作為時(shí)鐘源，可以產(chǎn)生低誤差的時(shí)鐘信號(hào)。在這里，要把主節(jié)點(diǎn)設(shè)置為異步半雙工通信模式，8 bit數(shù)據(jù)模式。時(shí)鐘選擇為內(nèi)部時(shí)鐘。

　　由于EUSART有“發(fā)送間隔字符位（SENDB）”，可以在每次發(fā)送數(shù)據(jù)前發(fā)送同步間隔字符，這樣可以省掉不少軟件開銷，使單片機(jī)可以致力于其他邏輯的運(yùn)算。

　　4.2.2 從節(jié)點(diǎn)

　　從節(jié)點(diǎn)不需要系統(tǒng)配置的信息，所有從節(jié)點(diǎn)接收所有報(bào)文，然后再判斷是否需要執(zhí)行。

　　從節(jié)點(diǎn)不需要外接石英晶振，可以用單片機(jī)內(nèi)部自帶的RC震蕩器實(shí)現(xiàn)。MICROCHIP的中端8位單片機(jī)大多數(shù)都內(nèi)帶高精度的RC震蕩器，在常溫下(25℃)，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)可以達(dá)到±1%的精度。

　　每個(gè)單片機(jī)在出廠時(shí)都經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，并把校準(zhǔn)字寫在Flash空間的最后一位。在程序開始運(yùn)行時(shí)，會(huì)把校準(zhǔn)值裝載到W寄存器里。在程序的第一條指令中執(zhí)行MOVWF OSCCAL，即可將W寄存器里的值送到內(nèi)部RC震蕩器的校準(zhǔn)寄存器里，從而實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。

　　從節(jié)點(diǎn)先檢測(cè)總線電平，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的隱性電平結(jié)束，出現(xiàn)大于10個(gè)位定時(shí)的顯性電平后，開始數(shù)5個(gè)下降沿的時(shí)間，用時(shí)間值除以8，就可以算出波特率。然后從總線上讀取數(shù)據(jù)，解碼ID，處理響應(yīng)。

　　EUSART支持波特率的自動(dòng)檢測(cè)和校準(zhǔn)，可以使軟件代碼大量簡(jiǎn)化。從節(jié)點(diǎn)可以在總線空閑時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)從節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到主節(jié)點(diǎn)發(fā)出的同步間隔時(shí)，可以從休眠狀態(tài)喚醒。

　　當(dāng)從節(jié)點(diǎn)被其他外部中斷喚醒時(shí)(例如A/D轉(zhuǎn)換完成，外部IO電平變化等)，從節(jié)點(diǎn)可以喚醒休眠的總線。

　　如果從節(jié)點(diǎn)的功能比較簡(jiǎn)單，工作電流比較小，可以通過(guò)收發(fā)器MCP2021的參考電壓輸出端來(lái)供電。MCP2021有兩種型號(hào)，參考電壓的輸出分別為5 V和3.3 V，適應(yīng)5 V和3.3 V的單片機(jī)。這個(gè)參考電壓的輸出電流最大為50 mA，所以不適合工作電流比較大的場(chǎng)合[3-4]。