基于PSoC技術的LIN總線數據分析儀

　　摘要： 隨著汽車電子技術的發展，LIN(Local Interconnect Network)總線技術更多地運用到汽車的分布式電子控制系統中。在LIN協議的各種實現方法和分析工具中，比較各種方法和工具的性能，優缺點，采用PsoC和WirelessUSB技術實現LIN總線分析儀。因為PsoC具有硬件模塊可重配置功能以及芯片在不同的時鐘周期中實現不同的功能，能有效地節約設計時間，降低了系統功耗和開發成本。

　　關鍵詞: LIN;PSoC;WierlessUSB

　　引言

　　LIN是一種低成本的串行通訊網絡，用于實現汽車中的分布式電子系統控制。LIN的目標是為現有汽車網絡(例如CAN總線)提供輔助功能。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總線可大大節省成本。

　　目前，低成本的局部互聯網絡LIN在汽車電子和工業控制中的應用越來越廣泛，而基于LIN總線的協議分析和調試測試工具少且昂貴。大部分LIN總線開發工具存在一些問題：(1)調試LIN總線通常做法是通過網關將LIN幀轉換成CAN幀，再用基于CAN的測試工具間接調試LIN，當網關出現問題時這種方式就行不通;(2)和PC連接時采用串口或USB接口等有線的連接方式，在特定環境無法引線的情況下無法進行現場開發調試。

　　SoC(System on a Chip 片上系統)技術是將微控制器或DSP核、存儲器、邏輯電路、I/O接口及其他功能模塊綜合在一顆芯片上的系統解決方案。由于處理器和存儲器的可編程能力，使得這種以CPU為核心的解決方案具有很強的靈活性和可修改能力。賽普拉斯(Cypress)公司開發的 PSoC是目前最具靈活性的基于微控制器的片上系統解決方案，它模塊化的片內數字和模擬電路不僅具有很高的可編程性，而且還可以實現動態重新配置，即在運行時根據系統不同時刻的需求，通過編程動態地改變存儲在片內閃速存儲器中設定的參數，重新定義系統所需要功能模塊的種類和數量，動態地完成芯片資源的重新分配，實現新的外圍元器件的功能。采用PSoC可以迅速縮短設計周期，降低設計風險，保證系統資源的最大化、最合理化和最經濟化應用，在無線、手持式設備、數據通信和工業系統設計等領域PSoC都有著廣泛的應用。

　　WirelessUSB是Cypress公司專門針對短距離點到點或多點到點的無線連接而設計的一種低延遲、干擾免疫、低成本和低功耗的短距離無線網絡，適合無線電腦外設和無線傳感器網絡應用。WirelessUSB的協議是輕量級的，可以在只帶256字節RAM和8K字節ROM的8位微控制器中實現。WirelessUSB使用頻分多址(FDMA)和碼分多址(CDMA)，可有效避開其它無線網絡的干擾，能夠與藍牙、Wi-Fi等無線網絡共存，在面向2.4GHz無線系統的同類產品中提供最佳的抗干擾性能。傳輸距離從10米(最高1Mbps)到50米(最高62.5Kbps)，使用既有的USB架構，因此無須特別的驅動軟件。

　　為彌補LIN網絡開發工具的不足，本文提出的方案—基于PSOC的無線LIN總線分析儀，通過無線連接能并行調試多個LIN總線，在有效降低開發成本和提高開發效率的同時提供更好的擴展性和靈活性。

　　LIN總線分析儀硬件介紹

　　LIN總線數據分析系統由主機橋接器(1個)和總線監控終端(多個)兩部分組成。總線監控終端采集LIN總線上的數據，通過無線網絡發送給主機橋接器;主機橋接器從無線網絡上接收LIN總線監控數據，通過USB接口發送到PC，由PC監控軟件對數據做進一步處理。系統可以實現數據監聽、錯誤檢測、主機仿真、從機仿真等功能。

　　系統的硬件由主機橋接器(通過USB接口連接PC)和LIN總線監控終端(連接LIN總線)組成，LIN總線監控終端選用MCU+RF的構架，包括PSoC控制器、射頻收發器、LIN收發器和電源管理等，硬件原理圖如圖1所示。

圖1  總線監控終端硬件原理圖

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　　主機橋接器采用PRoC架構，在單芯片內集成了線性穩壓器、enCoRe-II微控制器、USB設備和射頻收發器，僅需極少的外部元件，其硬件結構如圖2所示。

圖2  主機橋接器的硬件結構圖

　　系統在選擇控制器時考慮到功能的擴展，選用了功能強大的CY8C29466，它集成了性能為4MIPS的8位M8C處理器、32K的Flash、2K的SRAM，還集成了24/48MHz晶振、32KHz晶振，以及16個可編程的功能強大的數字用戶模塊、12個模擬用戶模塊和可編程的內部互聯，可非常方便地選用多達100種的外設和設置連接方式，將PCB上大部分的元件和走線移到芯片內部，而且可動態重配置，開發非常靈活。

　　系統中的射頻芯片選擇CYRF6936，它屬于WirelessUSB LP系列，是Cypress的第二代射頻片上系統(SoC)，兼容第一代的CYWUSB69XX器件。CYRF6936增加了一系列增強的特性，包括更廣的操作電壓范圍(1.8~3.6V)、更小的工作電流、更高的數據率(最大速率為1Mbps)、更短的晶振起振時間、同步穩定時間和鏈路切換時間。CYRF6936可用于無線鼠標鍵盤、無線操縱桿、遠程無線傳感和控制、無線耳機、家庭自動化和自動化儀表等。

　　主機橋接器(Bridge)選用Cypress的PRoC(Programmable Radio On Chip) LP(Low Power)芯片CYRF69213。PRoC LP器件在一個芯片里集成了微控制器和射頻收發器，是同樣封裝提供雙重功能的單芯片解決方案，它主要集成了性能為4MIPS的8位M8C處理器、USB2.0低速接口、2.4GHz射頻收發器，內部還集成了3.3V電壓調節器和USB上拉電阻等，大大減少外部元件，縮小電路板面積，有效降低成本。CYRF69213的主要用于無線網絡的橋接器，將無線網絡的數據通過USB接口發往PC機，同時將PC機的控制命令發給無線設備。

　　局部互聯網絡(LIN)是車身網絡的最低層級的網絡，它提供了傳感器和執行器之間的低成本通信。本論文采用LIN總線驅動器MC33661符合LIN 2.0規范，很好地解決了以前的驅動器MC33399模式過于單一、無法調節翻轉頻率導致器件功耗較大、驅動功率不夠等問題。

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　　考慮到系統的外部電源、MCU和無線射頻模塊的工作電源、MCU的工作電流，電源模塊選用帶關斷功能的低壓差線性穩壓器LT1121-5(5V穩壓)和高效率的線性電壓調節器AMS1117-3.3(3.3V穩壓)。系統的硬件實物圖如圖3，4所示。

圖3 主機橋接器的實物圖

圖4 總線監控終端的實物圖

　　LIN總線分析儀軟件介紹

　　本系統的軟件設計方案圍繞著數據的提取、傳輸和處理。從數據流向上看，數據經過四個階段的處理，分別是LIN總線協議處理(從總線上提取數據幀)、WirelessUSB協議處理、USB協議處理和PC監控軟件的處理(顯示監控數據和總線信息)。本系統軟件可分成三大部分：總線監控終端、主機橋接器和PC，其中總線監控終端包括LIN協議處理和WirelessUSB協議處理，主機橋接器包括WirelessUSB協議處理和USB協議處理，PC包括USB協議處理和監控軟件處理。

　　軟件需要處理的任務