4.5  汽车LIN总线系统的单片机节点控制

    4.5.1  LIN总线

LIN网络是单主节点多从节点的结构，如图4-28所示。主机节点中既有主机任务又有从机任务，从机节点则只有从机任务。主机任务（Master Task）主要包括：根据通信进度表，决定总线上消息的传输次序，发送同步间隔字段、同步字段、标识符字段；监测数据字节和校验字节，评估它们的一致性，控制错误处理；采用稳定时钟，作为标准时钟参考；总线不活动的情况下，请求执行某种操作时接收从机节点发出的总线唤醒命令、中断消息。从机任务（Slave Task）主要包括：根据总线上的报文帧的ID，决定是否接收或发送数据，或什么都不做；应答时，发送数据字节和校验和；主机节点也可以具有从机任务的功能。通过这种由主机节点控制整个网络的通信方式，总线上不存在通信冲突的问题，增加或减少从节点不影响其他节点的通信。

 

 

图4-28 LIN总线主从网络机构图

 

1.LIN总线的主要特征

LIN总线基于SCI(串行通信接口Serial  Communication  Interface)/UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步接收/发送装置)数据格式，采用单主机多从机模式对信息进行传输，不需要总线仲裁机制，总线仅由三根导线组成（电源、地线和数据线）。LIN总线的传输速率可达20kbit/s，通常一个LIN网络上节点数目小于12个，共有64个标识符，其主要特征如下及表4-29所示。

 

（1）单主/多从结构。

（2）基于UART/SCI接口的廉价硬件实现。

（3）从节点无振荡器的自同步功能。

（4）保证延时和信号传输的正确性。

（5）廉价的单总线结构。

（6）数据传输速度为20kbit/s。

（7）一帧信息中数据长度为2B或4B或8B。

（8）系统配置灵活。

（9）带同步的广播式发送/接收方式。

（10）数据累加和校验及错误检测功能。

（11）故障节点的检测功能。

（12）廉价的单片元器件。

 

表4-29 LIN 协议主要特征

 

4.5.2  LIN总线的结构与协议

1. LIN总线的结构

如图4-30所示，网络由一个主节点和一个或多个从节点构成，主节点可以执行主任务也可以执行从任务，但从节点只能执行从任务，总线上的信息传送由主节点控制。

 

图4-30  LIN网络结构

 

2. LIN协议的结构

（1） 节点结构

一个LIN电控单元拥有一个统一的接口(LIN标准)，以便于同其他LIN电控单元之间处理信息数据。这种标准的接口需要满足严格的成本要求，所以它必须在现有微控制器中使用标准单位：基本单位为UART（传送者/接收者异步概念）。LIN节点的连接情况如图4-31所示。

 

图4-31  一个LIN节点的结构

 

这种接口主要由两部分组成：协议控制器和线路接口。

①协议控制器（CP LIN）

LIN协议控制器集成在微控制器中的一个标准单位（UART）上实现，微控制器靠软件负责管理LIN协议，实现：发送/接收8位字节；构成请求帧，接收回应帧；发送帧等主要功能。

②线路接口

线路接口负责将LIN总线的信号翻译成无干扰的RX信号传入LIN协议控制器，以及相反地将协议控制器的RX信号进行翻译传入LIN总线。因此，这两个部件有翻译和保护的作用。在线路上的逻辑电平如图4-32所示，在示波器上看到的LIN网络线路电压记录如图4-33所示。

 

图4-32  LIN网逻辑0/1的电平

 

图4-33  示波器上的LIN网络线路电压记录

 

一个LIN网络由一个主节点，一个或多个从节点组成，所有从节点都有一个从通信任务。该主节点只有一个主发送任务，从通信任务分为发送任务和接受任务。一个LIN网络上的通信总是由主节点的主发送任务所发起的，主控单元发送一个起始报文，该起始报文由同步断点、同步字节、消息标识符组成，相应地在接收并且滤除消息标识符后，一个从任务被激活并且开始本消息的应答传输。该应答由2（或4、8）个字节数据和一个校验码组成，起始报文和应答部分构成一个完整的报文帧。

（2） 帧结构

一个LIN帧由间隔开的一系列字节组成：

①异步中断域标志着LIN帧的开始。它通过LIN网的主节点发出，并且支持所有LIN节点自动适应总线的速度。

②异步域使得所有总线上的LIN节点异步。

③标识域外集成数字增强型网络IDEN(Integrated Digital Enhanced Network )可以标识64个节点。它指明数据的目的地或者所询问的节点的地址。

④数据域由1—8个八位字位构成，包含了有用的命令或回应信息。

⑤检查域由一个八位字位构成，以保证LIN帧内容的完整性。

LIN帧的具体结构如图4-34、4-35所示。

 

图4-34  LIN帧的结构（1）

 

图4-35 LIN帧的结构（2）

⑥LIN报文帧可以采用以下几种数据交换形式：

由主节点到一个或多个从节点。

由一个从节点到主节点或其它的从节点。

⑦通信信号可以在从节点之间传播，而不经过主节点或者通过主节点广播消息到网络中的所有从节点。

⑧LIN编码。

一个LIN位应与NRZ编码相对应，如图4-36所示

 

图4-36  IN网的NRZ编码

⑨传输模式

一个LIN电控单元所使用的传输方式与VAN网和CAN网电控单元所使用的传输方式是相同的,都包括以下三种：

a.定时传输模式。

b.事件传输模式。

c.混合模式，定时模式和事件模式相混合。

从电控单元到执行器之间的传输方式如图4-37—4-39

 

图4-37 LIN网传输—DATA数据从主控器到执行器（单个）

 

图4-38  LIN网传输—DATA数据从主控器到执行器（多个）

 

图4-39  LIN网交流—DATA数据从执行器（多个）到主控器

10 进入传输媒介

LIN电控单元进入传输媒介有随机方式和异步方式两种。表明这种进入可以根据需要和执行本命令而随时进行。 

LIN支节点不可能根据本地命令进入LIN网络。为了能够达成连接，它们必须事先获得LIN主节点的邀请，而这是需要通过一个中介的。

11 服务

LIN电控单元有三项通信服务：

a. 发散模式的数据写入（一个制造者向多个使用者发出数据）。

b. 数据请求（一个使用者向制造者的数据请求）。

c. 即时回复（立即回复一个请求）。

 这些服务允许单一/多支线策略（发散和请求/回复）的使用。

 

4.5.3 LIN的控制单元

1. LIN的主控制单元

 LIN的主控制单元连接在CAN数据总线上，它执行LIN的主功能，其要功能包括以下四个方面：

(1) 监控数据传递和数据传递的速率，发送信息标题。

(2) LIN主控单元的软件内已经设定了一个周期，这个周期用于决定何时将哪些信息发送到LIN数据总线上多少次。

(3) LIN主控单元在LIN数据总线系统的LIN控制单元与CAN总线之间起“翻译”作用，它是LIN总线系统中唯一与CAN数据总线相连的控制单元。

(4) 通过LIN主控单元进行与之相连的LIN从控制单元的自诊断，LIN总线系统与自诊断接口及CAN数据总线的连接图如图4-40所示

 

图4-40  LIN的主控制单元与相关单元的连接

 

2. LIN的从控制单元

 在LIN数据总线系统内，单个控制单元（如新鲜空气鼓风机的控制单元）或传感器及执行元件（如水平传感器及防盗警报蜂鸣器等）都可以看作LIN从控制单元，传感器内集成由一个电子装置，该装置对测量值进行分析。测量值是作为数字信号通过LIN总线传递的。有些传感器和执行元件只使用LIN主控制单元插口上的一个针脚。

 LIN执行元件都是智能型的电子或机电部件，这些部件通过LIN主控制单元的LIN数字信号接受任务。

LIN主控制单元通过集成的传感器来获知执行原件的实际状态，然后就可以进行规定状态和实际状态的对比，如图4-41所示。

 

图4-41  LIN的从控制单元

 

3.LIN数据传递过程

 一个LIN子系统总是当由主系统发送相应的信息标题要求它发送时才向LIN数据总线系统发送数据,所发送的数据可供每个LIN数据总线参与单元接收。工作流程如图4-42所示，LIN—信息1表示主系统要求子系统1提供数据；LIN—信息2表示主系统要求子系统2提供数据；LIN—3表示主系统为子系统发送数据，比如向子系统2。

 

图4-42 LIN 总线的数据传递流程

 

4.信号

(1) 信号电平

  隐性电平：如果无信息发送到LIN数据总线上或者发送到LIN数据总线上的是一个隐性信号，那么数据总线导线上的电压就是蓄电池电压。

 显性电平：为了将显性信号传到LIN数据总线上，发送控制单元内的收发机将数据总导线接地，如图4-43

 

 

图4-43  LIN总线上的信号电平

(2)信号传递安全性

 在隐性电平和显性电平收发时,通过预先设定公差值来保证数据传输的稳定性,发送信号电压必须满足隐性电平大于电源电压的80%，显性电平小于电源电压的20%,如图11.16(左)所示。为了能在有干扰辐射的情况下仍能收到有效的信号,允许接收的电压值范围要宽一些,隐性电平大于电源电压的60%,显性电平小于电源电压的40%，如图4-44(右)所示，通过这种方式确保LIN总线信号传递的安全性。

 

图4-44  LIN总线信号传递的电压范围要求

 

5.信息格式

(1) 信息标题的格式（如图4-45所示）

① 同步暂停区：同步暂停区的长度至少为13位(2进制)，以显性电平发送，这13位的长度是必需的，这样才能准确无误地通知所有的LIN子控制单元有关信息的起始点的情况，其他的信息是以最长为9位（2进制）显性电平来一个一个传递的。同步暂停会连同主波形（Low—Signal，低信号）一起被除数发送并且明确地确定这是一个信息的开始。

 ② 同步限制区：该区会连同从属波开一起被发送（高信号），并且表明这是同步暂停的结束。同步限制区至少为1位，且为隐性。

 ③ 同步区：同步区由0101010101这个二进制位序构成，所有的LIN子控制单元通过这个二进制位序来与LIN主控制单元进行匹配（同步）。所有控制单元同步对于保证正确的数据交换是非常必要的。如果失去了同步性，那么接收到的信息中的某一数位值就会发生错误，该错误会导致数据传递错误。

 ④ 确认区：确认区的长度为8位，前6位是回应信息识别码和信息长度。回应数据区的个数在0—8之间，后两位是校验位，用于检查数据传递是否有错误。当出现识别码传递错误时，校验可防止与错误的信息适配。

 

图4-45信息标题格式

 

(2)信息内容的格式（如图4-46所示）

 在信息内容中，确认领域中确定的数据领域个数会被传输，每个数据领域都以一个主导初始符开始，紧跟着要传输的数据字节，并以一个从属终止符结束，这样，每个数据领域的长度为10位，同样也适用于检查总量，检查总量用于识别传输的错误。

 

图4-46  信息内容格式

 

4.5.4 LIN总线系统的物理结构

  LIN总线系统的物理结构如图4-47所示，4个信号收发两用机的任何一个都可以接通所属的晶体管，由此将LIN总线电线与负极连接，在这种情况下，会由一个发送器传输一个主导位。如果晶体管都不导通，在LIN总线电路上为高电压。

 

图4-47 LIN总线系统的物理结构

 

4.5.5 LIN总线在汽车上的应用

（1）LIN在汽车上的应用范围

 典型的LIN总线应用是汽车中的联合装配单元，如门、方向盘、座椅、空调、照明灯、湿度传感器、交流电动机等。在以下的汽车电子控制系统中，使用LIN来使各种网络应用的更加完美。

 车顶：温度传感器、光敏传感器、信号灯控制、汽车顶棚等。

车门：车窗玻璃、中控锁、车窗玻璃开关、吊窗提手等。

车头：传感器、小电动机、方向盘、方向控制开关、雨刮器、方向灯、无线电、空调、座椅、座椅控制电动机、转速传感器等。

 

（2） LIN总线在汽车上的应用实例

实例一：LIN总线在雨刮器上的应用如图4-48所示

雨刮器信号控制原理如下

a.驾驶员将雨刮器杆放于雨刮器间歇位置；

b.转向柱电子设备J257读取雨刮器杆的实际位置；

c.J257经由舒适性CAN向车载控制单元发送此信息；

d.车载控制单元J519通过LIN向雨刮器J400发出指令，运行间歇位置模式。

 

单细线—普通导线 单粗线—LIN 总线斜纹线—CAN总线

图4-48 雨刮器操纵电路

 

实例二：LIN在汽车车门上的应用

车门控制LIN网络的结构及其在车门上的布置如图4-49所示，该网络由主机节点、后视镜从机节点、摇窗机从机节点、门锁从机节点构成。

 

图4-49 车门控制LIN网络

 

主机节点采集本地各控制开关的状态并接受CAN总线上的远程信息，据此产生控制指令，并将指令转换为LIN报文帧通过LIN网络发送给相应从机节点，从机节点接收到与自己相关的报文帧后对报文帧进行拆封、解读，然后根据获得的指令控制相应的执行器动作，从而实现对车门各部件的控制。同时，在需要时从机节点分别将其控制部件所处状态反馈给主机节点，主机节点再将该状态信息通过指示灯或喇叭提供给驾驶员或通过CAN总线发送给其它控制单元。主机节点也作为本LIN网络与上层CAN网络连接的网关。

 

4.5.6  LIN的防盗功能和自诊断功能

1. LIN的防盗功能

只有当LIN主控单元发送出带有相应识别码的信息标题后，数据才会传至LIN总线，由于LIN主控单元对所以信息进行全面监控，因此无法对车外的LIN导线进行控制，系统要求LIN从控单元只能回应，这样就不会通过LIN总线而打开车门，这种设置就使得在车外安装LIN从控单元（如在前保险杠内的车库门开启控制单元）成为可能。LIN的防盗功能如图4-50所示：

 

图4-50  安装车库门开启控制单元的LIN的防盗功能

 

2.LIN的自诊断功能

在LIN主控单元内已规定好的时间间隔内，如果LIN从控单元数据传递有故障、校验出错或传递的信息不完整等，通过LIN从控单元的自诊断功能，将会记录故障存储。自诊断数据经LIN从控单元传至LIN主控单元，在LIN从控单元上可以完成所有的自诊断功能。

 

故障位	故障内容	故障原因
LIN从控单元 例如：鼓风机调节器	无信息/无法通信	导线短路或断路 LIN从控单元供电有故障 LIN从控单元或LIN主控单元型号错误 LIN从控单元损坏
	不可靠信号	LIN导线受到电磁干扰 LIN导线的电容和电阻值改变了（如插头壳体潮湿或脏污） 软件故障（备件型号错误）

 

表4-51  LIN数据总线系统部分从控单元的故障信息