基于LIN總線的車身控制系統(tǒng)的應用研究

LIN總線簡介

LIN(Local Interconnect Network)是一種低成本的串行通訊網絡，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN 的目標是為現(xiàn)有汽車網絡(例如CAN 總線)提供輔助功能，因此LIN 總線是一種輔助的總線網絡。在不需要CAN 總線的帶寬和多功能的場合，比如智能傳感器和制動裝置之間的通訊使用LIN 總線可大大節(jié)省成本。LIN 技術規(guī)范中除定義了基本協(xié)議和物理層外還定義了開發(fā)工具和應用軟件接口。LIN 通訊是基于SCI(UART)數(shù)據格式，采用單主控制器/多從設備的模式。僅使用一根12V 信號總線和一個無固定時間基準的節(jié)點同步時鐘線。這種低成本的串行通訊模式和相應的開發(fā)環(huán)境已經由LIN 協(xié)會制定成標準。LIN 的標準化將為汽車制造商以及供應商在研發(fā)應用操作系統(tǒng)降低成本。

典型的LIN 總線應用是汽車中的聯(lián)合裝配單元，如：門、方向盤、座椅、空調、照明燈、濕度傳感器，交流發(fā)電機等。對于這些成本比較敏感的單元，LIN 可以使那些機械元件如智能傳感器、制動器或光敏器件得到較廣泛的使用。這些元件可以很容易的連接到汽車網絡 中并得到十分方便的維護和服務。在LIN 實現(xiàn)的系統(tǒng)中通常將模擬信號量用數(shù)字信號量 所替換，這將使總線性能優(yōu)化。在以下的汽車電子控制系統(tǒng)中使用LIN 來實現(xiàn)將得到非常完美的效果：

LIN節(jié)點硬件設計

1 LIN接口總體設計

LIN 節(jié)點硬件上主要包括LIN接口電路部分、控制輸入部分、顯示電路或負載驅動輸出等，其中LIN接口為節(jié)點的核心。以Microchip公司的 PIC16F87為控制器、TJA1020為LIN收發(fā)器、SA57022 為開關電源的LIN接口電路如圖1所示。SA57022電源輸出的打開與關斷由LIN收發(fā)器控制通過INH引腳控制。

圖1 LIN接口原理圖

因主機節(jié)點需為網絡中的從機節(jié)點提供時鐘基準，故在主機節(jié)點中為PIC16F87配置了外部晶振。在從機節(jié)點中，從機節(jié)點可通過主機節(jié)點發(fā)送幀頭中的同步場來校準自身波特率，故可省去外部晶振而使用PIC16F87內置的RC振蕩器。

2 LIN收發(fā)器應用設計

TJA1020 為LIN收發(fā)器，它是LIN 協(xié)議控制器和LIN傳輸媒體之間的接口，是節(jié)點的核心器件，負責收發(fā)數(shù)據時總線的波形調整和電平轉換及節(jié)點多種工作模式的實現(xiàn)。TJA1020按LIN物理層規(guī)范集成了片內從機端電阻，在從機節(jié)點應用中無須再外接從機端電阻，在主機節(jié)點應用中按圖1所示在其INH引腳和LIN引腳之間串接主機端電阻和二極管可提高總線的驅動能力，并在總線對地短路時使節(jié)點自動進入睡眠狀態(tài)，減少電流損耗。

以TJA1020為收發(fā)器構造的LIN節(jié)點具有普通、低斜率、睡眠、準備四種工作模式，以盡可能降低功耗和電磁輻射，各種模式下的節(jié)點狀態(tài)和模式間轉換如圖2所示。

圖2 工作模式的節(jié)點狀態(tài)以及模式間的切換

LIN節(jié)點軟件設計

1 LIN主機節(jié)點軟件設計

LIN主機節(jié)點行使幀處理和LIN網絡的通信管理職能，程序流程如圖3所示。

圖3 主機程序流程

LIN規(guī)范規(guī)定，同步間隔場為至少13個連續(xù)的顯性位(低電平)。LIN 通信基于通用UART/SCI接口，字節(jié)傳送使用8N1編碼，無法直接產生這樣一個顯性序列。

總線的正常通信波特率為9.6k,從機節(jié)點始終以此波特率工作，主機節(jié)點在需要發(fā)送同步間隔場時將波特率降低到4.8k,并發(fā)送0x00,則工作于9.6k 波特率的從機節(jié)點將檢測到18個連續(xù)的顯性位，從而判斷一個新報文幀的到來。主機節(jié)點在發(fā)送完同步間隔場后將波特率恢復到9.6k.

2 LIN從機節(jié)點軟件設計

LIN從機節(jié)點的職能可概括為幀頭檢測與接收和幀處理這兩部分。在每個報文幀的幀頭中由配置晶體振蕩器的主機節(jié)點通過同步場給從機節(jié)點提供波特率基準，從機節(jié)點通過測量同步場來校準自身波特率，以保證在報文傳輸中各節(jié)點之間的同步。

同步場邏輯值為0x55,波形如圖4所示。從機節(jié)點通過測量同步場中第1和第5個下降沿之間的時間間隔來計算校準自身波特率。

圖4 同步場波形圖

設主機節(jié)點和從機節(jié)點的串行口均工作于方式1(8位UART,波特率可變)，主機節(jié)點波特率為B,從機節(jié)點以定時器測量同步場第1和第5個下降沿得到的計數(shù)個數(shù)為C,從機節(jié)點振蕩器當前頻率為fs,得到式(1)。

設從機節(jié)點計數(shù)器1作為波特率發(fā)生器工作于常數(shù)自動重新裝入的8位定時器/計數(shù)器方式，得到式(2)。

使從機節(jié)點與主機節(jié)點同步，則令：

Bs=B

由式(1)~式(3)可得到式(4)。

從機節(jié)點以由式(4)計算得到的N值作計數(shù)器1產生波特率的重新裝入值，可產生與主機節(jié)點一致的波特率。

節(jié)點制作與實驗

利用該設計制作LIN節(jié)點構建LIN網絡，對其進行了通信試驗和初步的抗干擾試驗。由于報文幀頭和報文幀響應均由主機節(jié)點發(fā)送，報文幀幀頭和報文幀響應間的幀間響應間隔較小。

當LIN從機節(jié)點在LIN主機節(jié)點的引導下相互傳送指令或信息時，LIN網絡上進行從機節(jié)點到從機節(jié)點的數(shù)據傳輸，此時LIN主機節(jié)點發(fā)送報文幀幀頭，一個LIN從機節(jié)點發(fā)送報文幀響應，另一個或幾個LIN從機節(jié)點接收報文幀響應。由于這種報文幀傳送需要3個甚至3個以上節(jié)點參與，故預留了較長的幀間間隔，以便報文幀響應的發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點有充足的響應時間，確保報文幀傳送的順利完成。[!--empirenews.page--]

當LIN主機節(jié)點向某從機節(jié)點請求數(shù)據時，LIN總線上進行從機節(jié)點到主機節(jié)點的數(shù)據傳輸，此時LIN主機節(jié)點發(fā)送報文幀頭， LIN從機節(jié)點接收報文幀幀頭后發(fā)送報文幀響應， LIN主機節(jié)點接收報文幀響應。

汽車電磁環(huán)境惡劣，因此汽車通信系統(tǒng)的抗干擾能力尤為重要，按該設計制作的LIN網絡在BZ-5型汽車電火花干擾試驗臺上進行了抗干擾實驗，試驗中網絡通信順利，各項功能正常。

結束語

對總線式車身控制系統(tǒng)中的CAN/LIN混合網絡進行深入研究，給出車身混合網絡結構中主控節(jié)點設計與實現(xiàn)。在車身控制系統(tǒng)中，將LIN總線連入低速車身系統(tǒng)中，通過主控節(jié)點將CAN總線和LIN總線構建成混合控制網絡，使其控制系統(tǒng)兼具可靠性、高性能和低成本優(yōu)點。在器件選型上采用FREESCALE典型汽車電子芯片和智能觸點檢測模塊，既實現(xiàn)了可靠網絡控制功能，同時也降低汽車的開發(fā)、生產成本，具有較高實用性。