- LIN Bus簡(jiǎn)介及實(shí)例
- LIN Bus技術(shù)現(xiàn)況
- 運(yùn)作架構(gòu)
- 系統(tǒng)最佳化技術(shù)
- 與CAN Bus的區(qū)隔
- 門控建置開發(fā)
LIN Bus在車用總線中以低成本、省資源為其特點(diǎn)，妥善運(yùn)用將可提高汽車附加價(jià)值。本文將介紹LIN Bus技術(shù)現(xiàn)況、運(yùn)作架構(gòu)、系統(tǒng)最佳化技術(shù)、與CAN Bus的區(qū)隔，并以門控建置開發(fā)實(shí)例提供進(jìn)一步的說明。
今日汽車的設(shè)計(jì)在安全、舒適、便利和環(huán)保等訴求下，對(duì)電子技術(shù)的仰賴日益加深。目前在汽車架構(gòu)中的車體（Car body）、傳動(dòng)系統(tǒng)（Power train）、安全系統(tǒng)（Safety）和車載資通娛樂系統(tǒng)（TelemaTIcs/Infotainment）等各個(gè)部分中，都可以看到愈來愈多的電子控制組件（ECU），它們賦與汽車更具智能性的操控能力，例如會(huì)自動(dòng)檢查門窗、車燈是否關(guān)閉，在駕駛?cè)诉M(jìn)入車內(nèi)前自動(dòng)接通電源，離開時(shí)則會(huì)檢查是否切斷電源等等。
目前汽車內(nèi)電子組件的連結(jié)愈來愈復(fù)雜，一臺(tái)車中平均存在著80個(gè)左右的電子組件或模組系統(tǒng)。過去采用傳統(tǒng)的電纜方式來連結(jié)車燈、電動(dòng)機(jī)、電磁閥、加熱器、空調(diào)等設(shè)備，若以此方式來連結(jié)電子組件，龐大的纜線數(shù)量將造成車體重量的沉重負(fù)擔(dān)。因此，有必要導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)化的總線技術(shù)，此舉除了降低建置的困難度及配線重量外，也能提升控制的精確性，而且比較不會(huì)有線路老化、磨損的問題。
在此趨勢(shì)下，已有各種總線技術(shù)出現(xiàn)在車載網(wǎng)路（In-Vehicle Network）當(dāng)中，它們各有其技術(shù)特色，適合不同的應(yīng)用領(lǐng)域。大致上可以分為五類：第一類是傳輸速度最低的LIN、TTP/A，適用于車體控制；第二類包括低速CAN、SAE J1850、VAN（Vehicle Area Network）等中速網(wǎng)路總線，適用于對(duì)即時(shí)性要求不高的通信應(yīng)用；第三類包括高速CAN、TTP/C等，適用于高速、即時(shí)閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)；第四類包括IDB-C、IDB-M（D2B、MOST、IDB1394）、IDB-Wireless（藍(lán)芽）等，專門用在車載資通娛樂網(wǎng)路之中；第五類則包括 FlexRay和Byteflight，用在最具關(guān)鍵性、即時(shí)性最高的人身安全系統(tǒng)（請(qǐng)參考表一）。
本文將探討LIN的技術(shù)規(guī)格現(xiàn)況及在門控系統(tǒng)中的建置實(shí)例。
LIN Bus技術(shù)現(xiàn)況
區(qū)域互連網(wǎng)路（Local Interconnect Network, LIN）是基于序列通信協(xié)定的車載總線的子集系統(tǒng)（sub-bus system）。為了支持多個(gè)智慧性節(jié)點(diǎn)的分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，LIN提供標(biāo)準(zhǔn)化的API以及軟件設(shè)計(jì)流程。它的傳輸速度雖然不高，但其低成本的特性，能為不需要用到CAN的裝置提供較為完善的網(wǎng)路功能，包括空調(diào)控制（Climate Control）、后照鏡（Mirrors）、車門模組（Door Modules）、座椅（Seats）、智能性交換器（Smart Switches）、低成本感測(cè)器（Low-cost Sensors）等，請(qǐng)參考圖一。
在重要規(guī)格的演進(jìn)上，自1999年推出LIN 1.0版、2002年12月修訂LIN 1.3版，并在2003年9月再次發(fā)布LIN 2.0版規(guī)范，持續(xù)改進(jìn)了LIN總線的性能與適用性。此外，美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）下屬的車輛架構(gòu)任務(wù)組（Task Force）也基于LIN 2.0提出J2602規(guī)范，進(jìn)一步降低了LIN 2.0中軟件單元的復(fù)雜性，此舉讓LIN從節(jié)點(diǎn)所需要的軟件代碼長(zhǎng)度縮短，在建置上會(huì)更有效率。此外，市場(chǎng)上的領(lǐng)導(dǎo)業(yè)者也會(huì)針對(duì)LIN的效能提出改善技術(shù)，例如ST的LINSCI。一般來說，LIN的主要特色及優(yōu)勢(shì)包括：
- 采用一個(gè)主節(jié)點(diǎn)、多個(gè)從節(jié)點(diǎn)的概念（最多支持16個(gè)節(jié)點(diǎn)）；
- 由于基于普通UART/SCI接口協(xié)定，其軟硬件成本極低；
- 在從節(jié)點(diǎn)（slave node）中不用晶體振蕩器（crystal oscillator）或陶瓷諧振器（ceramic resonator）時(shí)鐘，也能做到自同步性，這能進(jìn)一步降低成本；
- 信號(hào)傳播時(shí)間可預(yù)先計(jì)算，以滿足信號(hào)傳輸?shù)拇_定性；
- 基于應(yīng)用交互作用的信號(hào)；
- 可達(dá) 20 kbps資料傳輸率；
- 總線電纜的長(zhǎng)度最多可以擴(kuò)展到40公尺；[page]
LIN Bus運(yùn)作架構(gòu)
LIN網(wǎng)路是基于「一主多從」的主從原則（master/slave principle）而形成的拓樸結(jié)構(gòu)，因此需要由主節(jié)點(diǎn)周期性地對(duì)從節(jié)點(diǎn)發(fā)出詢問動(dòng)作。周期的設(shè)定必須根據(jù)事件偵測(cè)的即時(shí)性要求，并將從節(jié)點(diǎn)的偵測(cè)結(jié)果傳送到到主控制器。
在LIN上傳輸?shù)挠嵦?hào)，其訊框結(jié)構(gòu)上是由一個(gè)由主任務(wù)提供的標(biāo)頭（header）和由從任務(wù)處理的回應(yīng)部分（Response）所構(gòu)成。標(biāo)頭包含一個(gè)13 位的同步間隔欄位（synch break field）；一個(gè)由主任務(wù)產(chǎn)生的同步欄位（synch field）；以及一個(gè)辨識(shí)欄位（identifier field）。其中每一個(gè)位組欄位都以串行位元組方式發(fā)送，起始位元組的第一位編碼為“0”，而終止位編碼為“1”。
在回應(yīng)部分則包含二、四或八個(gè)位組的資料欄位（data filed），以及一個(gè)位組的驗(yàn)證欄位（checksum field）。由主任務(wù)執(zhí)行的訊框標(biāo)頭會(huì)依整個(gè)LIN叢集的進(jìn)度表決定每個(gè)訊框的傳輸時(shí)間，以確保網(wǎng)路不會(huì)超載，并能確保資料傳輸?shù)拇_定性。在LIN網(wǎng)路中只有主節(jié)點(diǎn)采用晶體振蕩器來為系統(tǒng)提供精確的基本時(shí)鐘，此時(shí)鐘會(huì)嵌入上述的同步欄位中，讓從任務(wù)能與主節(jié)點(diǎn)時(shí)序同步。請(qǐng)參考圖二。
LINSCI最佳化LIN系統(tǒng)
以標(biāo)準(zhǔn)SCI所建置的LIN網(wǎng)路雖已具備極佳的建置優(yōu)勢(shì)，但讓想讓系統(tǒng)等級(jí)獲得最佳化，仍存在一些限制。若想得到最佳化的LIN系統(tǒng)，必須考慮以下因素：
- LIN傳輸所需要的CPU負(fù)荷；
- 應(yīng)用上所需要的時(shí)脈準(zhǔn)確性；
- LIN傳輸?shù)念l寬；
- LIN界面的穩(wěn)定性/有效性；
因此，為了達(dá)到最佳化的需求，有必要在硬體技術(shù)上進(jìn)行強(qiáng)化。ST的LINSCI即是經(jīng)過強(qiáng)化的硬體SCI埠，可透過減少CPU負(fù)載來提升系統(tǒng)效能；另外，其內(nèi)部的1MHz震蕩器、帶有運(yùn)算放大器的快速10位ADC，以及低電壓檢測(cè)器的可修整重啟電路─可透過消除對(duì)這些功能所需之外部電路的需求來簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并降低制造成本。8Kbyte的擴(kuò)充快閃記憶體能在單一供給電壓下操作，以降低電路板復(fù)雜度并提供更快速的編程能力。
LINSCI可以被嵌入在一顆很小的8-bit MCU中，它的目的就是要讓從設(shè)備的LIN功能能完全發(fā)揮，其功能包括標(biāo)頭偵測(cè)（Header Detection）、指示器（Identifier）和非相關(guān)位組過濾（Irrelevant Byte Filtering）、延伸性錯(cuò)誤偵測(cè)（Extended Error Detection）和再同步化（Resynchronisation）等。LINSCI的訊框架構(gòu)請(qǐng)參考圖三。
進(jìn)一步來看，LIN的鮑率（Baud rate）是10kbps和20kbps，這很難達(dá)成標(biāo)準(zhǔn)SCI位時(shí)間取樣原則所需要的2%準(zhǔn)確性。這是因?yàn)轷U率預(yù)定標(biāo)器（prescaler）的有限分辨率所造成的。假設(shè)CPU的頻率是8MHz，LIN的鮑率是20kbps，由于LIN的時(shí)脈容忍度是15%，這造成2.33%的量化錯(cuò)誤。在LINSCI 中則以12位unsigned定點(diǎn)值（即LDIV）來取代8位整數(shù)值的鮑率預(yù)定標(biāo)器，能讓上述的量化誤差下降到0.15%。
門控系統(tǒng)建置案例
以下將以門控模組系統(tǒng)的建置，進(jìn)一步說明LIN總線的應(yīng)用及設(shè)計(jì)要求。在今日中階及高階車款中的門控系統(tǒng)，往往需要這些功能：
- 門鎖（lock）和防盜門鎖（dead lock latch）；
- 動(dòng)力車窗（Power Window）升降；
- 踏腳燈（Footstep light）；
- 切換面板照明（Switch panel illumination）；
圖四顯示以LIN網(wǎng)路組成的門控系統(tǒng)，它的主控節(jié)點(diǎn)是由一個(gè)中央車體控制單元（Central Body ECU），它和車體CAN網(wǎng)路相連結(jié)。每個(gè)車門都由一個(gè)車門模組（DM-Driver, DM-Passenger, DM-RearRight, DM-RearLeft）所組成，能夠提供動(dòng)力車窗及門鎖功能。此外，兩個(gè)前門都有后視鏡控制（MMR, MML）的從節(jié)點(diǎn)。在此系統(tǒng)中，還會(huì)有一個(gè)嵌在駕駛端的中央切換面板（Central Switch panel, SP），它是一個(gè)獨(dú)立的從節(jié)點(diǎn)，由它來控制所有的動(dòng)力車窗、手動(dòng)門鎖及后視鏡調(diào)整等功能。
此系統(tǒng)會(huì)對(duì)LIN網(wǎng)路形成下述要求：
- 當(dāng)主控器收到從遙控鑰匙發(fā)出的有效訊號(hào)時(shí)，必須要啟動(dòng)門控系統(tǒng)，從節(jié)點(diǎn)通常是通過CAN總線來接收；
- 當(dāng)正確的鑰匙打開前門時(shí)，也同時(shí)啟動(dòng)門控系統(tǒng)；從節(jié)點(diǎn)會(huì)直接反應(yīng)而不需經(jīng)由與主控器的通訊；
- 對(duì)切換面板的詢問動(dòng)作（Polling），以確?；貞?yīng)對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置控制（動(dòng)力車窗、后視鏡調(diào)整、門鎖）的主動(dòng)式切換；
- 對(duì)所有從節(jié)點(diǎn)的詢問動(dòng)作，以得到車窗升降的位置狀態(tài)，以及車門的開關(guān)情況；
- 對(duì)所有從節(jié)點(diǎn)的睡眠模式控制（即電池供應(yīng)操作模式）；
在清楚了LIN網(wǎng)路的要求后，我們必須選擇功能相符的微控制器（MCU）來達(dá)成。這些MCU必須針對(duì)車窗的升降提供防夾（AnTI pinch）、馬達(dá)的PWM控制及車窗位置的監(jiān)控功能；能以SPI接口來控制門鎖馬達(dá)；對(duì)于車鑰匙的拔出及開門的動(dòng)作，能夠提供電源供應(yīng)模式的接觸式監(jiān)控，以及對(duì)后視鏡及切換面板的操控功能。（圖五）是門控模組的功能方塊圖架構(gòu)。
在系統(tǒng)的規(guī)劃上，要一些注意的要領(lǐng)，這包括時(shí)序的準(zhǔn)確性，也就是為了正確的運(yùn)作，車門模組需要一個(gè)容忍度小于3%的時(shí)間參考，車窗防夾（anti- pinch）功能的復(fù)雜算法就需要這種準(zhǔn)確性。此外，針對(duì)安全性（如防夾）和便利性（如門鎖偵測(cè)）等功能，都會(huì)有實(shí)時(shí)性的要求。
以手動(dòng)打開汽車門鎖的動(dòng)作為例，從鑰匙插入門鎖到打開，可接受的延遲時(shí)間必須小于200ms，這表示反應(yīng)時(shí)間很短。傳動(dòng)馬達(dá)需要約100ms去打開門鎖，這只留100ms給MCU來完成從低功率模式啟動(dòng)、偵測(cè)到鑰匙，并觸發(fā)傳動(dòng)裝置等動(dòng)作。因此這個(gè)網(wǎng)路必須采用LIN最快的傳輸速率，也就是 20kbps。而在20kbps的傳輸率下，CPU的反應(yīng)時(shí)間必須要小于1ms，否則資料會(huì)漏失，LIN的傳輸會(huì)失敗。
另一個(gè)設(shè)計(jì)議題則是功耗，這對(duì)于多數(shù)的ECU來說都是很關(guān)鍵的。以門控系統(tǒng)來說，即使車子熄火了，系統(tǒng)仍需進(jìn)行間隔性的監(jiān)控詢問動(dòng)作，這就會(huì)造成車子電力的持續(xù)消耗。監(jiān)控的延遲間隔設(shè)定是蠻矛盾的事，因時(shí)間間隔太長(zhǎng)，則會(huì)造成反應(yīng)動(dòng)作上的遲鈍現(xiàn)象，但太短，又會(huì)增加系統(tǒng)的功耗。[page]
故障安全設(shè)計(jì)
相較于車體CAN總線系統(tǒng)，LIN總線并不具有錯(cuò)誤容忍性（fault tolerant），因此必須考慮短路時(shí)總線線路的故障安全（fail-safe）機(jī)制，也就是每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須有能力分辨出短路的總線線路。反應(yīng)動(dòng)作必須遵循特定的程序（例如讓門鎖維持在打開的狀態(tài)，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗應(yīng)盡可能降低）。
以ST的L9638 LIN收發(fā)器為例，它能提供額外的故障安全裝置（fail-safe）功能，例如對(duì)短路狀態(tài)的處理。當(dāng)MCU辨識(shí)出短路的LIN總線線路，電子控制器（ECU）可以把自己關(guān)掉，當(dāng)收發(fā)器在消除短路狀況后還能夠重新啟動(dòng)。
LIN Bus與CAN Bus有所區(qū)隔
目前電子控制組件已散布整臺(tái)車子，它們讓傳動(dòng)及感測(cè)功能變得更有智能性。在本文介紹的LIN網(wǎng)路是屬于低傳輸速率的總線規(guī)格，但它的低成本及傳輸?shù)恼_性，仍然相當(dāng)受到車廠的歡迎。據(jù)估計(jì)在歐洲新出廠的車子中，LIN的應(yīng)用占了相當(dāng)大的比例。
當(dāng)然，LIN不會(huì)有和CAN總線控制網(wǎng)路相同的效能，因此，在某一特定的車載系統(tǒng)中，LIN總線是否能提供滿意的效能，就得看應(yīng)用本身的需求而定。此外，透過專屬的設(shè)計(jì)，能夠讓LIN的功能得到全面性的發(fā)揮，例如將LIN協(xié)定以硬體方式建置（如LINSCI），可以讓LIN的驅(qū)動(dòng)程序碼更為簡(jiǎn)化，也能增加系統(tǒng)的可靠性。MCU的設(shè)計(jì)也是一大關(guān)鍵，以ST72F361為例，它在標(biāo)準(zhǔn)MCU上提供先進(jìn)的SCI接口，并支持LIN功能，除了能降低 CPU的負(fù)荷外，也能省卻較高成本的精準(zhǔn)時(shí)序資源。
LIN總線本來就是為了與CAN形成區(qū)隔而設(shè)計(jì)的，以門控系統(tǒng)來說，它能大大降低從主控器連結(jié)到每個(gè)車門的線路數(shù)量，而成本也會(huì)比采用CAN總線控制的解決方案來得低。不過，如果是更關(guān)鍵性的應(yīng)用，就得考慮成本更高的CAN，以兩線總線來提供容錯(cuò)能力及更高的效能。
