LIN總線技術(shù)在汽車智能燈控系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：結(jié)合汽車智能燈控模塊設(shè)計的項目實(shí)踐，詳細(xì)介紹了LIN總線技術(shù)在燈控模塊中的應(yīng)用，并給出了LIN總線的硬件接口電路設(shè)計和軟件設(shè)計思想。

關(guān)鍵詞：LIN總線技術(shù)；C167CS微控制器；收發(fā)器

引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展和電子技術(shù)在汽車系統(tǒng)中的不斷應(yīng)用，汽車的各種性能都得到了極大的改善?，F(xiàn)代駕乘人員對汽車各個方面的要求越來越高，如視野性、方便性、舒適性和娛樂性等。新的控制功能隨汽車級別的提升不斷增加，如中央門鎖、燈光控制、玻璃升降、后視鏡調(diào)節(jié)、天窗控制、座椅調(diào)節(jié)和點(diǎn)火延時控制等。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)多采用繼電器和獨(dú)立模式控制，這使得車內(nèi)線束過多且布線復(fù)雜，從而造成了嚴(yán)重的電磁干擾，使系統(tǒng)的可靠性下降。CAN/LIN總線技術(shù)的應(yīng)用，取代了傳統(tǒng)的線束，使信息交換變得安全、迅捷、高效。

汽車中CAN (Controller Area Network)主要用于車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。各控制單元使用特定的總線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字/模擬信號在中央控制單元和執(zhí)行器件、傳感器之間的傳輸。每一個狀態(tài)或事件的傳輸都有專門的通道。為了將信息從中央控制單元傳輸?shù)礁髯訂卧?，每一個子單元都應(yīng)該有通用、標(biāo)準(zhǔn)的開放式接口?？刂茍?zhí)行器件和傳感器模塊對于傳輸速率要求不是很高，比如后視鏡定位。所有這些低速率的模塊都不需要使用CAN總線，而可選擇一種相比CAN總線來說價格更低廉而有效的方式——LIN總線。

LIN（Local Interconnect Network）是一種用于汽車中分布式電子系統(tǒng)的新型低成本串行通信網(wǎng)絡(luò)。它由汽車廠商開發(fā)，專門應(yīng)用于低端系統(tǒng)，作為CAN的輔助網(wǎng)絡(luò)或子網(wǎng)絡(luò)。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信，使用LIN總線可以大大節(jié)省成本。

目前，高/低速CAN和J1850總線已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的車用網(wǎng)絡(luò)總線。這些總線速度極高，具有高抗電磁干擾性和高傳輸可靠性等優(yōu)越的性能，但價格也較高。大量的車身和安全性能方面的應(yīng)用對車用網(wǎng)絡(luò)總線的性能要求并不太高，只需要一種性價比更高的標(biāo)準(zhǔn)車用網(wǎng)絡(luò)總線，而LIN總線正好可以滿足這一需求。因此，目前LIN總線技術(shù)正被越來越廣泛的應(yīng)用到車身電子中。

本文將結(jié)合汽車智能燈控系統(tǒng)，介紹LIN總線技術(shù)在其中的應(yīng)用。本文首先介紹的是基于C167CS微控制器和智能功率器件的燈光控制模塊的總體功能設(shè)計，然后對于LIN總線技術(shù)在汽車智能燈控系統(tǒng)中的具體實(shí)施應(yīng)用，包括LIN總線模塊的硬件接口電路設(shè)計和軟件設(shè)計做了深入的研究。

1 燈控模塊設(shè)計

本文基于英飛凌C167CS微控制器及智能功率器件設(shè)計了汽車燈光控制模塊，如圖1、2所示，微控制器采用英飛凌的C167CS-LM（外擴(kuò)Flash）。子模塊1用于控制所有功率器件的開關(guān)動作，同時對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行定時監(jiān)控，并提供合適的反饋信號。反饋信號反映了車燈的故障狀態(tài)，子模塊1通過LIN總線將故障診斷信息傳輸?shù)阶幽K2。子模塊2接收來自于子模塊1的故障診斷信息，并通過液晶周期地顯示。子模塊2同時還處理來自于儀表盤的車燈控制信息，通過LIN總線傳輸?shù)阶幽K1，然后子模塊1根據(jù)儀表盤信息作用于相應(yīng)的功率器件，實(shí)現(xiàn)對車燈的開關(guān)設(shè)置。

系統(tǒng)通過采用LIN總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了兩個控制模塊之間車燈信息的實(shí)時傳輸。LIN總線硬件接口電路應(yīng)用英飛凌公司的TLE6258總線LIN收發(fā)器,它作為介于協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，特別適于在汽車和工業(yè)應(yīng)用中的LIN系統(tǒng)中驅(qū)動總線。TLE6258還提供空閑工作模式以減少電流消耗，具有短路保護(hù)和過溫保護(hù)等保護(hù)功能。

子模塊1中大量采用了英飛凌智能功率器件，其中BTS724和BTS716是電源MOSFET高位開關(guān)（漏極與電源相連），帶電荷泵、輸入的參考地與CMOS兼容以及診斷反饋，而BTS443和BTS134是單通道FET功率管，也稱為低位開關(guān)（源極與電源相連），高位開關(guān)和低位開關(guān)都內(nèi)嵌保護(hù)功能。負(fù)載可以是阻性負(fù)載、感性負(fù)載或容性負(fù)載，最適用于帶高浪涌電流的負(fù)載，如燈等，從而取代了傳統(tǒng)的繼電器、熔斷器和離散電路的傳統(tǒng)汽車燈光控制方法，避免了采用太多的分立元件，減小了模塊體積，同時提高了模塊的EMC特性。該模塊具有短路保護(hù)、過載保護(hù)、電流限制、過溫關(guān)斷、過壓保護(hù)、電源反接保護(hù)、掉地與欠壓保護(hù)和靜電保護(hù)等保護(hù)功能。

2 LIN總線簡介

LIN總線是一種串行通信網(wǎng)絡(luò)，可以將開關(guān)、顯示器、傳感器和執(zhí)行器等簡單控制設(shè)備連接起來，主要用于汽車中的分布式電子控制系統(tǒng)。LIN采用單主機(jī)/多從機(jī)的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（沒有總線仲裁），僅使用一根12V信號總線。主節(jié)點(diǎn)包含主任務(wù)和從任務(wù)，從節(jié)點(diǎn)只包含從任務(wù)。它不需要專門的片上通訊模塊，采用標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口USART，速率可達(dá)20kbps，總線長度不大于40m。LIN總線作為一種輔助的總線網(wǎng)絡(luò)，在不需要CAN總線的優(yōu)越性能的場合，相比于CAN總線具有更高的性價比。它有如下幾個方面的優(yōu)點(diǎn)。

● LIN是一種低端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可提供簡單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互操作性，大大減少了系統(tǒng)安裝、調(diào)試和接線的成本和時間。

● LIN的通信量小、配置靈活，采用單線連接及單主機(jī)/多從機(jī)的通信結(jié)構(gòu)（無需總線仲裁），可保證低端設(shè)備及電子控制單元簡便、快捷的實(shí)時通信。

● 通過主機(jī)節(jié)點(diǎn)可將LIN與上層網(wǎng)絡(luò)（如CAN）相連接，實(shí)現(xiàn)LIN的子總線輔助通信功能，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)效率和可靠性。

● LIN的協(xié)議是開放的，任何組織和個人無需支付費(fèi)用即可獲取。

LIN規(guī)范包括三個主要部分：LIN協(xié)議規(guī)范部分（說明LIN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）、LIN配置語言部分（說明LIN配置文件的格式）和LIN API部分（說明網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用程序間的接口）。

LIN協(xié)議的通信機(jī)制和幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，LIN網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都有一個從任務(wù)模塊，主節(jié)點(diǎn)還包含一個主任務(wù)模塊。幀頭由主任務(wù)發(fā)出，包括同步間隙、同步場和信息標(biāo)識符。所有節(jié)點(diǎn)中的從任務(wù)（包括主節(jié)點(diǎn)）對信息標(biāo)識符進(jìn)行濾波，并發(fā)回數(shù)據(jù)場和校驗場。字節(jié)場采用SCI/UART串行數(shù)據(jù)格式。

3 LIN總線技術(shù)在汽車智能燈控系統(tǒng)中的應(yīng)用

汽車燈光控制模塊的控制實(shí)際上是根據(jù)車燈的狀態(tài)信息及駕駛員對車燈狀態(tài)的要求來實(shí)現(xiàn)的。車燈的狀態(tài)信息主要是故障信息的反饋，駕駛員對車燈狀態(tài)的要求通過儀表盤的車燈按鈕來傳遞。本汽車燈光控制模塊為了便于整車安裝，分成兩個子模塊，如圖4所示。子模塊1負(fù)責(zé)根據(jù)儀表盤車燈按鈕的狀態(tài)控制功率器件開關(guān)動作，同時監(jiān)控車燈狀態(tài)，提供反饋信號，并根據(jù)反饋信號判斷車燈的故障狀態(tài)。子模塊2負(fù)責(zé)采集儀表盤車燈按鈕信息，同時用LCD顯示出目前車燈的故障狀態(tài)信息。[!--empirenews.page--]

下面對汽車智能燈控模塊控制思想及LIN總線技術(shù)在其中的應(yīng)用做出具體分析：在系統(tǒng)啟動并進(jìn)行初始化以后，子模塊1開始啟動一個定時器，實(shí)現(xiàn)周期性地對數(shù)字量診斷輸出的車燈和模擬電流傳感器診斷輸出的車燈進(jìn)行檢測（檢測不同智能開關(guān)向微控制器反饋的數(shù)字和模擬故障信號），對于出現(xiàn)故障的車燈信息，通過LIN總線傳輸?shù)阶幽K2。傳輸信息包括故障車燈的名稱、故障車燈所在的診斷組（數(shù)字量診斷組或模擬量診斷組）和故障狀態(tài)（斷路或短路等）。子模塊1同時亦接收來自于子模塊2的儀表盤的車燈按鈕掃描信息，該信息包含了駕駛員對于車燈狀態(tài)的要求（開通或關(guān)斷）。然后結(jié)合診斷結(jié)果及儀表盤的掃描結(jié)果，決定是否打開車燈或關(guān)閉車燈。子模塊2通過LIN總線接收子模塊1傳輸過來的車燈的故障診斷信息，周期性的通過LCD進(jìn)行顯示。同時亦周期性的掃描儀表盤的按鈕狀態(tài)，并通過LIN總線傳輸?shù)阶幽K1。

本汽車燈光控制模塊作為車身低端網(wǎng)絡(luò)，傳輸數(shù)據(jù)量小，對傳輸快速性要求不高，20kBaud完全可以滿足系統(tǒng)對傳輸速率的要求。相比于具有更多優(yōu)良性能而價格也更高昂的CAN總線，LIN總線成本較低，容易在UART中實(shí)現(xiàn)，并具有較好的容故障能力和傳輸可靠性。在綜合考慮總線的硬件與軟件成本和總線的可靠性之后，選擇LIN總線實(shí)現(xiàn)燈控模塊內(nèi)部兩個子模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，而CAN總線則用于燈控模塊與車身內(nèi)部其他ECU之間的通信。

3.1 LIN總線硬件接口電路

LIN總線硬件接口電路如圖5所示，該模塊分為主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)兩個單元。供電電源電路采用英飛凌TLE4278電壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，輸入Vi為12V，輸出Vq為5V。收發(fā)器采用英飛凌TLE 6258系列LIN總線收發(fā)器。從安全角度考慮，主節(jié)點(diǎn)電路在電源引腳和總線間以及總線和參考地之間分別連接1kΩ電阻和1nF電容，以保證總線信號在顯性電平和隱性電平間切換時有合適的時間延遲。

TLE 6258是單線收發(fā)器，適用于LIN協(xié)議，與LIN規(guī)范1.2兼容，發(fā)送速率可達(dá)20kbps，功率消耗低，且具有短路保護(hù)和過溫保護(hù)等功能，特別適于作為汽車和工業(yè)應(yīng)用，且可用于標(biāo)準(zhǔn)的ISO9141系統(tǒng)。為了減小電流損耗，TLE 6258提供了一種空閑模式。在空閑模式下，TLE 6258退出總線活動，既不接收也不發(fā)送數(shù)據(jù)，電流降到最低，從而達(dá)到減小電流損耗的目的。TLE 6258在正常工作模式和空閑模式之間的切換過程如圖6所示，在正常工作模式下，通過對ENN置1進(jìn)入空閑模式。在空閑模式下，通過在總線上發(fā)送喚醒幀，可把主機(jī)或從機(jī)從空閑模式喚醒，返回到正常工作模式。進(jìn)入正常工作模式后，ENN變?yōu)?，釋放RxD為傳輸數(shù)據(jù)狀態(tài)。

3.2 LIN總線通訊軟件設(shè)計

LIN軟件基于幾個狀態(tài)機(jī)制和功能塊，狀態(tài)機(jī)制通過串行接口的中斷調(diào)用，在程序中用nTRANSCEIVER_STATUS表示每個狀態(tài)。主機(jī)任務(wù)發(fā)送同步間隔場（Synch Break Field）、同步場（Synch Field）和標(biāo)識符場，如果從機(jī)在總線上檢測到匹配的標(biāo)識符，它會接收或發(fā)送數(shù)據(jù)到總線（這里假設(shè)數(shù)據(jù)字節(jié)是8個，主機(jī)為接收數(shù)據(jù)，從機(jī)為發(fā)送數(shù)據(jù)，也可定義為主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，從機(jī)接收數(shù)據(jù)）。以下（1）～（3）為主機(jī)任務(wù)，（4）～（13）為從機(jī)任務(wù)。

（1）發(fā)送同步間隔場；

（2）接收同步間隔場和發(fā)送同步場；

（3）接收同步場和產(chǎn)生/發(fā)送ID域；

（4）接收ID域（報文過濾），拷貝數(shù)據(jù)到緩沖器（LIN transfer buffer） 并發(fā)送第一個數(shù)據(jù)字節(jié)；

（5）接收第一個數(shù)據(jù)字節(jié)和發(fā)送第二個數(shù)據(jù)字節(jié)；

（6）接收第二個數(shù)據(jù)字節(jié)和發(fā)送第三個數(shù)據(jù)字節(jié)；

（7）接收第三個數(shù)據(jù)字節(jié)和發(fā)送第四個數(shù)據(jù)字節(jié)；

（8）接收第四個數(shù)據(jù)字節(jié)和發(fā)送第五個數(shù)據(jù)字節(jié)；

（9）接收第五個數(shù)據(jù)字節(jié)和發(fā)送第六個數(shù)據(jù)字節(jié)；

（10）接收第六個數(shù)據(jù)字節(jié)和發(fā)送第七個數(shù)據(jù)字節(jié)；

（11）接收第七個數(shù)據(jù)字節(jié)和發(fā)送第八個數(shù)據(jù)字節(jié)；

（12）接收第八個數(shù)據(jù)字節(jié)和計算/發(fā)送校驗和域；

（13）接收校驗和域。

為了傳輸汽車智能燈控模塊中所需要的信息，定義了7個字節(jié)變量a0、a1、a2、a3、a4、a5和a6，用于存儲車燈故障狀態(tài)信息；另外還定義了兩個字節(jié)變量key_result0和key_result1，用于存儲儀表盤的車燈按鈕掃描信息。

車燈故障狀態(tài)信息的定義分為數(shù)字量診斷組和模擬量診斷組：數(shù)字量診斷組包括駐車燈、示警燈和尾燈等20盞燈；模擬量診斷組包括前照燈、霧燈等6盞燈。每盞燈的故障狀態(tài)有三種情況，用兩個“位”來表示：正常狀態(tài)（DIAG_OK），用“00”表示；斷路狀態(tài)（DIAG_OPEN_LOAD），用“01”表示；過載狀態(tài)（DIAG_OVERLOAD），用“10”表示。例如，左駐車燈用a2的低兩位表示，定義為static sbit parklightfrontleft_lowbit=a2^0、static sbit parklightfrontleft_highbit=a2^1；a2^1=0，a2^0=1，則表示駐車燈處于斷路故障狀態(tài)。如此推算，模擬量診斷組6盞車燈，故障狀態(tài)信息需要占用12位，我們用字節(jié)存儲器a0和a1表示；數(shù)字量診斷組20盞車燈，故障狀態(tài)信息需要占用40位，我們用字節(jié)存儲器a2、a3、a4、a5和a6表示。車燈故障狀態(tài)信息共計7字節(jié)，采用字節(jié)數(shù)為8的報文幀格式傳輸，第8個字節(jié)用0補(bǔ)齊。

儀表盤車燈按鈕共計16個開關(guān)量，每個開關(guān)量有兩種狀態(tài)，用一個“位”表示：按鈕關(guān)斷，用“1”表示；按鈕打開，用“0”表示。我們用兩個字節(jié)存儲器key_result0和key_result1存儲按鈕信息，報文幀含有兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)量。

發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)過程如圖7所示。以發(fā)送車燈故障狀態(tài)信息為例，這個狀態(tài)機(jī)制用于把數(shù)據(jù)字節(jié)發(fā)送到總線上去，ID被定義為發(fā)送ID（SEND_ID）。

子狀態(tài)及相應(yīng)的收發(fā)器狀態(tài)如下。

子狀態(tài)1～8：節(jié)點(diǎn)用于發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié) 接收中斷 LIN_vRxd_Interrupt；

子狀態(tài)9：節(jié)點(diǎn)用于發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié) 接收中斷 LIN_vRxd_Interrupt；

子狀態(tài)10：校驗和域已經(jīng)被正確接收 接收中斷 LIN_vRxd_Interrupt。

其中，子狀態(tài)1接收中斷中調(diào)用功能函數(shù)UCB_Txd，該函數(shù)獲取用戶數(shù)據(jù)存儲的首地址。

接收數(shù)據(jù)字節(jié)過程如圖8所示。以接收儀表盤車燈按鈕信息為例，這個狀態(tài)機(jī)制用于接收來自總線的數(shù)據(jù)，ID被定義為接收ID（REC_ID）。[!--empirenews.page--]

子狀態(tài)及相應(yīng)的收發(fā)器狀態(tài)如下。

子狀態(tài)1：節(jié)點(diǎn)用于接收數(shù)據(jù)字節(jié) 接收中斷 LIN_vRxd_Interrupt ；

子狀態(tài)2：節(jié)點(diǎn)用于接收數(shù)據(jù)字節(jié) 接收中斷 LIN_vRxd_Interrupt；

子狀態(tài)3：節(jié)點(diǎn)用于接收數(shù)據(jù)字節(jié) 接收中斷 LIN_vRxd_Interrupt；

子狀態(tài)4：節(jié)點(diǎn)用于接收數(shù)據(jù)字節(jié) 接收中斷 LIN_vRxd_Interrupt。

其中，子狀態(tài)4接收中斷中調(diào)用功能函數(shù)UCB_Rxd，該函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)存儲入用戶緩沖器。結(jié)論

本文結(jié)合汽車智能燈控系統(tǒng)，對于LIN總線技術(shù)在汽車智能燈控系統(tǒng)中的具體實(shí)施應(yīng)用，包括LIN總線模塊的硬件接口電路設(shè)計和軟件設(shè)計做了深入研究。實(shí)驗證實(shí)：LIN總線憑借其結(jié)構(gòu)簡單、配置靈活、性價比高等方面的獨(dú)特優(yōu)勢，不僅能夠滿足汽車智能燈光控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)囊?，而且?jié)省成本，完全達(dá)到了期望的性能、價格要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

1 Infineon Technologies AG. C167CS 16-Bit CMOS Single-Chip Microcontrollers [M]. 1999

2 廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司. LIN規(guī)范1.2.

3 佟為明,孫凡金,趙志衡. LIN總線技術(shù)[J]. 低壓電器. 2004年第2期

4 Hermann Kern, Juergen Ketterer AL SM SEA. Infineon Technologies AG. LIN Software Driver. Systems Engineering Automotive Application Note. 2001

5 Infineon Technologies AG. Datasheet_TLE6258. Version 2.02. 2001