汽車LIN網絡解決方案

介紹

長期以來，許多大的汽車生產商采用的是對汽車所有節點進行集中控制的解決方案。這些采用集中控制的節點負責為車窗升降、鎖門和車鏡位置調整等幾種用戶操作提供接口和控制。

過去，這些采用集中控制的節點基于高性能的MCU，這個MCU負責處理模塊中的各種功能。

模塊通常通過CAN總線連接，現在該方法已在大量汽車平臺中得到實施。雖然該方法能夠解決大量聯網問題，但同時也導致基礎結構太過復雜、速率要求過高。

汽車行業的發展趨勢繼續對生產商提出更多要求。創新和功能增強一直是競爭市場的驅動因素：在現有平臺上實施這些功能已變得越來越困難。

增強各個集中控制節點的MCU功能是解決問題的一個途徑，但是，MCU規格增大、互連數量增加、缺乏靈活性等問題最終會導致效率降低。

還有一種方法是降低集中控制的集成度，將部分功能移植到更小，更可靠的節點。本地互聯網絡(LIN)是實現該目的的理想網絡，提供了一種低速率、低成本的實施方法。

本文將以本地互連網絡為例，重點介紹這些簡化的網絡。將討論幾種LIN網絡方案，并且比較各個解決方案的優劣勢。

LIN概況

LIN總線是針對低成本應用而開發的汽車串行協議。它對現有CAN網絡進行了補充，支持車內的分層式網絡。本協議是簡單的主/從配置，主要流程在主節點上完成。為了減少成本，從節點應當盡量簡單。

LIN總線是主從協議，總線中的所有數據傳輸都由主節點發起。現在有兩種完全不同的方法可以將數據傳輸到從節點，即主-從傳輸(主節點中的從任務傳輸數據)或從-從傳輸(主節點發送幀頭，從某個從節點傳輸數據，然后由另一從節點接收該數據)。這兩種方法具有不同的優勢和劣勢。

使用LIN協議的信息傳輸定時是可以預測的。該協議是時間觸發型，不需要總線仲裁，同樣可以計算每條信息幀在最差環境的定時。每條信息幀的傳輸都由主節點上執行的調度表控制。調度表在既定時間傳輸信息幀幀頭。

網絡實施

本節主要介紹單個LIN網絡、多個LIN網絡和混合CAN/LIN網絡的各個方面。

單個LIN網絡(多個門節點)

在這類網絡中，車身控制器模塊(BCM)將通過單個LIN網絡與其它所有節點相連。如下圖所示：

這類網絡具有非常直接的結構體系，LIN連接有效地取代了CAN解決方案。雖然LIN協議最初是設計為對CAN進行補充(而不是替換CAN)，但是如上圖所示的連接可以實現一個簡單的LIN解決方案。

這是一個能降低成本的解決方案，因為它不需要任何CAN節點。BCM是LIN 網絡的主節點，所有LIN節點都可以接入LIN網絡上傳輸的所有信息。采用該種解決方案，網絡上通常擁有5個LIN節點。減少節點數量和定義初始信息傳輸方法使網絡更直接有效。

但是，制定調度(定義哪條信息會在網絡中以什么順序出現)比較困難。如果該系統使用從-從通信，就可以簡化調度表的制訂過程，并能有效地將網絡流量減少到最小程度。例如，如果一個車門有任何鍵盤操作，這時主節點需要作出決策：網絡上的任何節點都能在同一個信息幀內響應。

這類網絡信息流最短，從而引起的EMC問題最少。同時，流量密度的降低，還有助于減少輻射。由于所有節點都通過單線連接，接頭數量減少到最少，這樣增加了可靠性。

既然該方法具有如此顯著的優勢，為什么許多生產商不實施該解決方案呢?原因如下：首先，網絡上各個節點的復雜度與CAN解決方案沒有太大區別。每個車門節點仍然需要控制車鏡、車窗升降和鎖門等操作，仍然是居于高性能MCU的方案。

在安全性十分重要的應用中(如汽車 )，每個節點應完全依靠單主節點/單線連接。如果使用本網絡的汽車發生撞車，那么所有節點都很容易被破壞，進而可能無法響應。

在低功率應用中(仍以汽車為例)，網絡需要頻繁的返回到低功率狀態，這時所有節點都處于睡眠模式。盡管所有LIN節點都能喚醒網絡，但主節點可能需要一定時間才能決定哪個節點負責喚醒網絡。

兩個LIN網絡(左邊和右邊)

為了克服單個LIN網絡的缺點，部分公司開始使用雙LIN網絡。結構圖如下：

BCM控制兩個完全獨立的LIN網絡，使得制定調度表變得相對簡單，網絡靈活性也增強，即使出現撞車事件，大部分網絡仍能保持完整狀態。同時采用兩個完全獨立的LIN網絡，有利于各個網絡準時進行通信。

但是，這個方法仍然有幾個缺點。首先，各個節點智能沒有降低，仍然需要高性能的MCU。其次，盡管信息定義變得更簡單，但兩個網絡之間的信息交換變得困難，有時比較慢。在這種配置中，雖然鍵盤作為LIN節點配置在網絡右側，但鍵盤的大量功能卻需要左手方網絡控制，這會導致響應時間延遲的問題。

具備LIN分層結構的CAN

僅僅依靠LIN不能克服所有的局限。

因此，在汽車應用中，怎么應用LIN呢?我們在前面的介紹中提到，LIN是作為CAN的補充，而不是徹底替換CAN。下圖是CAN/LIN混合網絡的解決方案：

如前所述，通常BCM和四個車門通過一個CAN網絡連接。這是目前大量生產商采用的典型方案。這時，每個車門內的高性能控制器(MCU)，如常見的Freescale HC908AZ60A, 直接控制車窗和車鏡。

采用LIN結構實現車門功能，就可以選擇規格更小的MCU(如HC908GZ16)，其除了能為BCM通信提供必要的CAN接口，還有足夠的資源去控制單個LIN網絡。在本例中，駕駛員車門MCU除了是BCM 的CAN 接口，還是控制后視鏡、鍵盤、鎖和車窗升降等操作的LIN網絡的主節點。

這樣做雖然會增加車門內的MCU，但如果對MCU和LIN狀態機進行合適的選擇，就可以獲得功能更強大、更靈活的分布式系統。

在當今飛速變化的行業中，客戶要求更多能滿足其需求的定制產品，靈活性是實現這種需求的重要因素。通過在車內引入規格更小的單獨模塊，汽車生產商能夠迅速修改其標準產品平臺，去迎合客戶的需求。

車門控制

前面的例子介紹了車門內部的典型LIN網絡，同時還針對上面提及的局限性提出了解決方法。但是，現在車門網絡仍然存在幾個問題，特別是功能失效和安全問題。車鏡是系統中最容易被破壞的部件，在市區駕駛時經常被人取走，從而造成網絡中斷，甚至給部分生產商帶來無法承受的風險。在安全方面，大量罪犯可以輕松取走車鏡，從而獲得駕駛員車門MCU的直接接入。這又是一個重大風險。

有幾種方法可以減少這種風險。方法之一如下：

在本例中，車門內部有兩個LIN網絡。從圖上可以看到，車鏡與系統其它部分有效地隔離開，大大降低車鏡被取走而帶來的危害。任何罪犯行為只能訪問駕駛員車門MCU，但無法接入關鍵組件，如門鎖等。

還有一種方法是從LIN子節點控制車鏡。

在本例中，安全和可靠性問題都能夠有效解決。車鏡由鍵盤MCU或LIN節點直接控制。兩種方法都是合適的系統設計。

典型的LIN節點

上圖介紹了車門內部的LIN網絡。

下面是車內常見LIN節點的例子。

駕駛員車門模塊

在上面的系統中，該模塊是車門網絡的主節點，提供車門內部LIN網絡的控制和定時功能。它能控制車門內所有LIN 節點，同時也充當車身控制模塊(BCM)和本地LIN 網絡之間的網關。

后視鏡模塊

典型的新型后視鏡鏡通常

能夠支持X、Y方向和折疊功能。車鏡模塊還保存車鏡位置等詳細信息，有時駕駛員或乘客車鏡還安裝溫度感應器來持續監控外界環境。該信息一般被用作駕駛員信息，也可以作為復雜的發動機管理系統信息。車鏡模塊通常是LIN從節點。

車窗升降模塊

電子車窗包括升、降和防夾控制。

車窗升降節點一般是LIN 從節點，有時前車窗模塊同時充當BCM的LIN從節點和后車門的主節點。

門鎖模塊

鎖定功能包括標準鎖和童鎖。車門內部的LIN直接與模塊連接，這也是實現童鎖功能的前提條件，這樣司機才能取消特定的門鎖功能。門鎖模塊一般是LIN 從節點。

前開關面板

汽車舒適性控制的大量功能(如鎖門、車窗升降和車鏡控制的開關)有時集成到單個模塊中，作為LIN網絡的從節點。

通信方法

如前所述，LIN網絡的數據通信主要包括兩種不同方法：主-從數據傳輸或從-從數據傳輸。兩種方法都由主節點控制，有各自的優勢和劣勢。

主-從通信

主節點傳輸信息ID(參見第2節)，進而發送數據傳輸命令。網上所有LIN節點將該信息進行轉換，然后再進行相應的操作。

根據該主-從通信模式，主節點內部有一個從節點正在運行。它對正確的ID進行響應，然后將規定的比特傳輸到LIN總線。不同LIN節點在網絡中都擁有完整的LIN幀，同時還按照各自的不同應用提供主節點數據和流程。

例如，主節點可能希望所有門鎖都打開，這樣每個門鎖節點被設定為對單個信息進行響應，然后完成開鎖;或者主節點可能傳輸四條不同信息，然后選擇性地打開門鎖。

主-從通信模式將大部分調度操作轉移到主節點上，從而簡化其它節點操作。因此，LIN從節點硬件大幅減少，甚至可能減少為單個狀態設備。另一個優勢是，由于主節點能夠同時與所有節點通信，已信息和要求的ID數量都大大減少。

主節點將所有數據通信發送到全部節點(然后在所有數據傳輸到其它設備之前從節點上接收該數據)，這樣可以檢查傳輸數據的有效性。該操作允許主節點對所有通信進行監測，減少并消除潛在錯誤。

但是，這種通信方法速度緩慢。這時，LIN節點很難及時地接收和處理數據，并選擇性地將它傳輸給其它節點。

從-從通信

主節點同樣發送信息幀頭。但是，在從-從通信模式下，響應從任務的是遠程節點，如鍵盤。當鍵盤填滿信息幀數據字節時，網上所有節點都能看到整個傳輸過程，并響應相應的操作。本例中，車窗LIN 從節點響應鍵盤LIN節點數據。

與主-從通信相比，從-從通信方法更迅速。各個信息幀上的節點共用信息，從而極大地提高響應速度。單個信息可以打開兩扇車窗，關閉一個車門，打開三個車門或者移動車窗。這樣就可以明顯減少網上的數據流量。

但是，從-從通信方法有重要的局限：首先，各個從節點的時鐘源未知，因此從節點將數據傳輸到網絡時(根據主節點請求)，數據可能發生漂移。主節點有一個精確度很高的時鐘，數據漂移有較大的誤差范圍，但另一個接受數據的LIN 從節點卻沒有，這會導致數據誤譯。其次，這種情況下，主節點不顯示從-從通信已經失效。

數據傳輸速率

信息幀傳輸持續時間

下表介紹了2、4、8字節信息在傳輸速率為600bit/sec 和19200bit/sec時的最長持續時間。本協議專用于1kbps和 20kbps之間的運行，建議在LIN技術規范中也使用這些傳輸速率。

這些數據可能看起來速率很慢(特別是與CAN 比較時)，但這樣規定有多方面的原因，兩大主要原因是最大限度地降低EMC輻射和簡化從節點。

結論

隨著汽車的一些智能控制功能轉移到最小的節點中，對滿足這樣要求的小而可靠的微處理器的需求越來越多。

LIN網絡方案使大量節點之間的互連變得簡單、經濟高效，因此是理想的解決方案。同時，系統設計人員在設計時還應考慮大量其它因素。