LIN總線節點的設計

摘要：介紹了汽車網絡系統A類串行總線通信標準LIN協議2.0版本（最新版本），設計了總線節點的硬件和通信程序，規劃了電動汽車車身網絡總線結構。

關鍵詞：LIN總線 通信 節點

隨著汽車電子業的飛速發展，車輛上的電子裝置越來越多，電子裝置之間的通信技術也越來越先進。傳統的電器系統大多采用點對點的單一通信方式，相互之間少有聯系，這樣必然造成布線系統龐大，因而現代車輛上的電子系統廣泛采用網絡技術來實現彼此之間的通信。

1998年，汽車制造商奧迪公司、寶馬公司、戴姆勒克萊斯勒公司、沃爾沃汽車公司、大眾汽車公司、通信領域的專業廠商火山通信技術公司以及半導體生產商摩托羅拉公司共同創建了LIN（Local Interconnect Network）協會，其目的是為汽車網絡系統提供一個開放的A類（數據傳輸位速率通常小于10kb/sv的低速車身網絡）串行總線通信標準，允許在此基礎上開發汽車低端網絡系統，并且不需要使用者支持使用費用或版稅。

1 LIN協議的通信機制

1．1 主機和從機

從通訊協議的角度來看，一個LIN網絡由一個主機任務模塊（Master Task）若干個從機任務模塊（Slave Task）組成。主機節點中既有主機任務模塊又有從機任務模塊；其它節點中只有從機任務模塊。圖1是由一個主機節點、兩個從機節點組成的LIN網絡。

在LIN網絡中，主機任務模塊決定什么時候在總線上傳輸什么報文幀，而從機任務模塊則提供每一幀需要傳送的數據。主機任務模塊和從機任務模塊都是幀處理層的組成部分。

1．2 報文幀

一個報文幀由一個幀頭（由主機任務模塊提供）和一個響應幀（由從機任務模塊提供）組成。幀頭包括一個同步間隔場（SYNCH BREAK FIELD）、一個同步場（SYNCH FIELD）和一個標識符場。報文幀的用途由標識符唯一定義，約定的從機任務根據標識符提供相關的響應幀并發送到總線上（如圖2、圖3所示），響應幀由2、4或8字節的數據場（DATA FIELD）和一個校驗和場（CHECKSUM FIELD）組成。對這個標識符相聯的數據感興趣的從機任務將接收響應幀，校驗和檢驗通過后對數據進行處理。

這樣的通訊機制帶來了非常理想的效果：

*系統靈活性：在LIN網絡中可以直接增加節點而不需要對其它從機節點的硬件和軟件進行修改；

*報文路由：報文的內容由標識符定義；

*廣播：多個節點可以同時接收一個單獨的報文幀，并對報文作出反應。

2 LIN總線試驗平臺的軟硬件設計

2．1 MCU芯片

主機MCU選用了瑞薩（Renesas）公司的M16C/6N系列的M306NBFCTFP，其特點如下：

*128K ROM，5K RAM

*三路串行口（兩路UART/時鐘同步口，一路時鐘同步口）

*一路CAN模塊

*豐富的I/O資源

從機MCU選用Atmel公司的基于8051內核的微控制器AT89C2051，其特點為：

*2K字節的Flash

*128×8位的內部RAM

*兩個16位定時器/計數器

*可編程的串行UART口

采用M306NBFCTFP作為主機節點的MCU是因為它具有CAN接口模塊，而且增強型UART可用于支持LIN總線；采用AT89C2051作為從機節點的MCU是因為暫時不對從機節點所實現的具體功能進行設計，而只是著重于LIN網絡通訊部分的設計。要履行LIN規范的通訊時序，所有節點都必須配備一個精確的振蕩參考源，即主機節點（M306NBFCTFP）和從機節點（AT89C2051）上的晶振。M306NBFCTFP片內有一個專用的濾波特率發生器用于串口通訊，而AT89C2051則把定時器T1作為波特率發生器。M306NBFCTFP將I/O作為擴展區域。這兩種微控制器都具有增強型UART，可用于支持串行LIN傳輸。定時器T0可用于各種超時檢測。此外，由于LIN的同步間隔超過普通UART所能處理的長度，所以從機節點AT89C2051使用中斷來進行同步間隔檢測。

圖4和圖5分別為主機節點和從機節點的電路原理圖。

2．2 LIN總線通訊軟件的設計

LIN節點是通過應用程序中的主機任務和從機任務來實現LIN網絡通訊的。主機節點包含主機任務和從機任務，從機節點僅包含從機任務。主機任務流程圖如圖6所示，從機任務流程圖如圖7所示。

LIN主機任務包括以下內容：

*定義波特率（2kbit/s到20kbit/s）；

*發送間隔場和同步場信號序列；

*發送標識符場；

*監控并檢查校驗和，驗證數據的有效性；

*請求從機進入睡眠模式，需要時再將有喚醒；

*對從機的喚醒進行響應。

從機任務包括以下內容：

*檢測間隔場信號；

*在同步區與網絡取得同步；

*解釋標識符，并作出相應動作；

——不需要任何通訊操作；

——接收數據場數據；

——發送響應幀；

*檢查/發送校驗和。

3 電動汽車車身總線網絡結構

根據LIN總線的物理層規定，LIN總線采用改進的ISO9141單總線標準，總線驅動為12V電源。編碼方式為NRZ（Not Return Zero），電平分為隱性電平“1”和顯性電平“0”兩種，其誤差要求如下：對于發出信息的節點，發出的隱性電平不得低于電源電壓的80%，顯性電平不得高于電源電壓的20%；對接收節點來說，接收到的隱性電平不得低于電源電壓的60%，顯性電平不得高于電源電壓的40%。考慮到信號衰弱等因素，LIN總線的長度最大不超過40米；同時一個LIN子網絡上的節點數目小于16個。

根據電動汽車A類網絡各功能單元對通訊功能的實時性、傳輸距離的要求，均衡考慮性能和成本等因素，確定LIN總線在電動汽車車身上的網絡結構，可以從圖8中幾個典型的A類網絡功能單元進行分析。

車身系統網絡規劃如圖9所示。圖9中將車身系統的A類網絡功能單元劃分為車門模塊、空調模塊、座椅模塊、控制面板模塊以及組模塊，這些模塊分別作為LIN子網絡的主機節點。

LIN總線的目標是為現有汽車網絡提供一種低速總線通訊標準，它能滿足CAN總線所不需求的帶寬和功能，使用LIN總線可大大節省成本。而在我國，對于汽車總線的研究只是處于初步階段。為了縮短同國外轎車技術水平的差距，提高自身的競爭力，單純靠技術引起不利于我國汽車電子技術的長期發展，研究和開發我國自己的汽車網絡應用系統勢在必行。本文確定了MCU+LIN接口芯片的LIN節點硬件結構，實現了主機/從機任務的LIN網絡通訊，規劃出了我國電動汽車車身系統LIN總線結構，為我國汽車LIN總線A類網絡高層通訊協議的制定奠定了基礎。