在對汽車所有節點進行集中控制方面,本地互聯網絡(LIN)提供了一種低速率、低成本的實施方法。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。本文討了幾種LIN網絡方案,并比較了各個解決方案的優劣勢。

圖1:單個LIN網路連接示意圖。

LIN總線是針對低成本應用而開發的汽車串行協議,是對現有CAN網絡的補充,支持車內的分層式網絡。該協議是簡單的主/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。

LIN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。

圖2:2個LIN網絡連接示意圖。

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。

1. 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。如圖1所示:

   這類網絡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),但是如圖1所示的連接可以實現一個簡單的LIN解決方案。

   圖3:CANLIN混合網絡解決方案。

   這還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,制訂進度表(定義哪條信息會在網絡中以什么順序出現)比較困難。如果該系統使用從節點--從節點通信,就可以簡化進度表的制訂過程,因為它把把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做出響應。

   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。此外,由于所有節點都通過單線連接,因而將接頭數量減到最少,這樣增加了可靠性。

   圖4:LIN網絡車門解決方案1。

2. 兩個LIN網絡

   為了克服單個LIN網絡的缺點,部分公司開始使用雙LIN網絡。如圖2所示。

   BCM控制兩個完全獨立的LIN網絡,使得制制訂進度表變得相對簡單,網絡靈活性也增強,即使出現撞車事件,大部分網絡保持完整性的可能性也很大仍能保持完整狀態。同時采用兩個完全獨立的LIN網絡,有利于各個網進行及時通信。

3. 具備LIN分層結構的CAN

   僅僅依靠LIN不能克服所有的局限。那么,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。圖3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),如常見的飛思卡爾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),它除了能為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。

   圖5:LIN網絡車門解決方案2。

4. 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。方法之一如圖4所示:

   在本例中,車門內部有兩個LIN網絡。從圖4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。

   還有一種方法通過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。

   表1:Lin規范中信息幀傳輸持續時間。

上面介紹了車門內部的LIN網絡。下面是車內常見LIN節點的例子。

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. 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。

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。

1. 主-從通信

   主節點傳輸信息ID,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,減少或消除潛在錯誤。

   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。

2. 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-從通信方法更迅捷。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-從通信方法也有不足: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,因此針對數據漂移得有很高級別的容差范圍,但另一個接受數據的LIN 從節點卻沒有這么高,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。

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。如表1所示。

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。

本文小結

隨著汽車的一些智能控制功能轉移到最小節點中,對于能滿足這樣要求的小而可靠的微處理器的需求不斷增加。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。不過系統設計人員在設計時仍應考慮其它因素。

飛思卡爾汽車及標準產品市場部供稿