汽車LIN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)解決方案

在對(duì)汽車所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中控制方面，本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LIN)提供了一種低速率、低成本的實(shí)施方法。

LIN總線是針對(duì)低成本應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的汽車串行協(xié)議。它對(duì)現(xiàn)有CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了補(bǔ)充，支持車內(nèi)的分層式網(wǎng)絡(luò)。本文討了幾種LIN網(wǎng)絡(luò)方案，并比較了各個(gè)解決方案的優(yōu)劣勢(shì)。

圖1：?jiǎn)蝹€(gè)LIN網(wǎng)路連接示意圖。

LIN總線是針對(duì)低成本應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的汽車串行協(xié)議，是對(duì)現(xiàn)有CAN網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，支持車內(nèi)的分層式網(wǎng)絡(luò)。該協(xié)議是簡(jiǎn)單的主/從配置，主要流程在主節(jié)點(diǎn)上完成。為了減少成本，從節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)盡量簡(jiǎn)單。

LIN總線是主從協(xié)議，總線中的所有數(shù)據(jù)傳輸都由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起?，F(xiàn)在有兩種完全不同的方法可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇墓?jié)點(diǎn)，即主-從傳輸(主節(jié)點(diǎn)中的從任務(wù)傳輸數(shù)據(jù))或從-從傳輸(主節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀頭，從某個(gè)從節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，然后由另一從節(jié)點(diǎn)接收該數(shù)據(jù))。這兩種方法具有不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

LIN協(xié)議是時(shí)間觸發(fā)型，不需要總線仲裁，同樣可以計(jì)算每條信息幀在最差環(huán)境的定時(shí)。每條信息幀的傳輸都由主節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行的調(diào)度表控制。調(diào)度表在既定時(shí)間傳輸信息幀幀頭。

圖2：2個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)連接示意圖。

網(wǎng)絡(luò)實(shí)施

本節(jié)主要介紹單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)、多個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)和混合CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)方面。

單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)(多個(gè)門節(jié)點(diǎn))

在這類網(wǎng)絡(luò)中，車身控制器模塊(BCM)將通過(guò)單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)與其它所有節(jié)點(diǎn)相連。如圖1所示：

這類網(wǎng)絡(luò)有非常直接的結(jié)構(gòu)體系，LIN連接有效地取代了CAN解決方案。雖然LIN協(xié)議最初是設(shè)計(jì)為對(duì)CAN進(jìn)行補(bǔ)充(而不是替換CAN)，但是如圖1所示的連接可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的LIN解決方案。

圖3：CANLIN混合網(wǎng)絡(luò)解決方案。

這還是一個(gè)能降低成本的解決方案，因?yàn)樗恍枰魏蜟AN節(jié)點(diǎn)。BCM是LIN 網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)，所有LIN節(jié)點(diǎn)都可以接入LIN網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)乃行畔?。采用該種解決方案，網(wǎng)絡(luò)上通常擁有5個(gè)LIN節(jié)點(diǎn)。減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量和定義初始信息傳輸方法使網(wǎng)絡(luò)更直接有效。

但是，制訂進(jìn)度表(定義哪條信息會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中以什么順序出現(xiàn))比較困難。如果該系統(tǒng)使用從節(jié)點(diǎn)--從節(jié)點(diǎn)通信，就可以簡(jiǎn)化進(jìn)度表的制訂過(guò)程，因?yàn)樗寻丫W(wǎng)絡(luò)流量減少到最小程度。例如，如果一個(gè)車門有任何鍵盤操作，這時(shí)主節(jié)點(diǎn)需要作出決策：網(wǎng)絡(luò)上的任何節(jié)點(diǎn)都能在同一個(gè)信息幀內(nèi)做出響應(yīng)。

這類網(wǎng)絡(luò)信息流最短，從而引起的EMC問(wèn)題最少。同時(shí)，流量密度的降低，還有助于減少輻射。此外，由于所有節(jié)點(diǎn)都通過(guò)單線連接，因而將接頭數(shù)量減到最少，這樣增加了可靠性。

圖4：LIN網(wǎng)絡(luò)車門解決方案1。

兩個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)

為了克服單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，部分公司開(kāi)始使用雙LIN網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示。

BCM控制兩個(gè)完全獨(dú)立的LIN網(wǎng)絡(luò)，使得制制訂進(jìn)度表變得相對(duì)簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)靈活性也增強(qiáng)，即使出現(xiàn)撞車事件，大部分網(wǎng)絡(luò)保持完整性的可能性也很大仍能保持完整狀態(tài)。同時(shí)采用兩個(gè)完全獨(dú)立的LIN網(wǎng)絡(luò)，有利于各個(gè)網(wǎng)進(jìn)行及時(shí)通信。

具備LIN分層結(jié)構(gòu)的CAN

僅僅依靠LIN不能克服所有的局限。那么，在汽車應(yīng)用中怎么應(yīng)用LIN呢？我們?cè)谇懊娴慕榻B中提到，LIN是作為CAN的補(bǔ)充，而不是徹底替換CAN。圖3是CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)的解決方案：

如前所述，通常BCM和四個(gè)車門通過(guò)一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)連接。這是目前大量生產(chǎn)商采用的典型方案。這時(shí)，每個(gè)車門內(nèi)的高性能控制器(MCU)，如常見(jiàn)的飛思卡爾HC908AZ60A, 直接控制車窗和車鏡。

采用LIN結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車門功能，就可以選擇規(guī)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(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)。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(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)。

這樣做雖然會(huì)增加車門內(nèi)的MCU，但如果對(duì)MCU和LIN狀態(tài)機(jī)進(jìn)行合適的選擇，就可以獲得功能更強(qiáng)大、更靈活的分布式系統(tǒng)。

圖5：LIN網(wǎng)絡(luò)車門解決方案2。

車門控制

前面的例子介紹了車門內(nèi)部的典型LIN網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還針對(duì)上面提及的局限性提出了解決方法。但是，現(xiàn)在車門網(wǎng)絡(luò)仍然存在幾個(gè)問(wèn)題，特別是功能失效和安全問(wèn)題。車鏡是系統(tǒng)中最容易被破壞的部件，在市區(qū)駕駛時(shí)經(jīng)常被人取走，從而造成網(wǎng)絡(luò)中斷，甚至給部分生產(chǎn)商帶來(lái)無(wú)法承受的風(fēng)險(xiǎn)。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(gè)重大風(fēng)險(xiǎn)。

有幾種方法可以減少這種風(fēng)險(xiǎn)。方法之一如圖4所示：

在本例中，車門內(nèi)部有兩個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)。從圖4可以看到，車鏡與系統(tǒng)其它部分有效地隔離開(kāi)，大大降低車鏡被取走而帶來(lái)的危害。任何罪犯行為只能訪問(wèn)駕駛員車門MCU，但無(wú)法接入關(guān)鍵組件，如門鎖等。

還有一種方法通過(guò)LIN子節(jié)點(diǎn)控制車鏡。在本例中，安全和可靠性問(wèn)題都能夠有效解決。車鏡由鍵盤MCU或LIN節(jié)點(diǎn)直接控制。兩種方法都是合適的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

表1：Lin規(guī)范中信息幀傳輸持續(xù)時(shí)間。

典型的LIN節(jié)點(diǎn)

上面介紹了車門內(nèi)部的LIN網(wǎng)絡(luò)。下面是車內(nèi)常見(jiàn)LIN節(jié)點(diǎn)的例子。

駕駛員車門模塊

在上面的系統(tǒng)中，該模塊是車門網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)，提供車門內(nèi)部LIN網(wǎng)絡(luò)的控制和定時(shí)功能。它能控制車門內(nèi)所有LIN 節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也充當(dāng)車身控制模塊(BCM)和本地LIN 網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)。

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(xì)信息，有時(shí)駕駛員或乘客車鏡還安裝溫度感應(yīng)器來(lái)持續(xù)監(jiān)控外界環(huán)境。該信息一般被用作駕駛員信息，也可以作為復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)信息。車鏡模塊通常是LIN從節(jié)點(diǎn)。

車窗升降模塊

電子車窗包括升、降和防夾控制。車窗升降節(jié)點(diǎn)一般是LIN 從節(jié)點(diǎn)，有時(shí)前車窗模塊同時(shí)充當(dāng)BCM的LIN從節(jié)點(diǎn)和后車門的主節(jié)點(diǎn)。

門鎖模塊

鎖定功能包括“標(biāo)準(zhǔn)鎖”和“童鎖”。車門內(nèi)部的LIN直接與模塊連接，這也是實(shí)現(xiàn)童鎖功能的前提條件，這樣司機(jī)才能取消特定的門鎖功能。門鎖模塊一般是LIN 從節(jié)點(diǎn)。

前開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān))有時(shí)集成到單個(gè)模塊中，作為L(zhǎng)IN網(wǎng)絡(luò)的從節(jié)點(diǎn)。

通信方法

如前所述，LIN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信主要包括兩種不同方法：主-從數(shù)據(jù)傳輸或從-從數(shù)據(jù)傳輸。兩種方法都由主節(jié)點(diǎn)控制，有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

主-從通信

主節(jié)點(diǎn)傳輸信息ID，進(jìn)而發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸命令。網(wǎng)上所有LIN節(jié)點(diǎn)將該信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行相應(yīng)的操作。

根據(jù)該主-從通信模式，主節(jié)點(diǎn)內(nèi)部有一個(gè)從節(jié)點(diǎn)正在運(yùn)行。它對(duì)正確的ID進(jìn)行響應(yīng)，然后將規(guī)定的比特傳輸?shù)絃IN總線。不同LIN節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中都擁有完整的LIN幀，同時(shí)還按照各自的不同應(yīng)用提供主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和流程。

例如，主節(jié)點(diǎn)可能希望所有門鎖都打開(kāi)，這樣每個(gè)門鎖節(jié)點(diǎn)被設(shè)定為對(duì)單個(gè)信息進(jìn)行響應(yīng)，然后完成開(kāi)鎖；或者主節(jié)點(diǎn)可能傳輸四條不同信息，然后選擇性地打開(kāi)門鎖。

主-從通信模式將大部分調(diào)度操作轉(zhuǎn)移到主節(jié)點(diǎn)上，從而簡(jiǎn)化其它節(jié)點(diǎn)操作。因此，LIN從節(jié)點(diǎn)硬件大幅減少，甚至可能減少為單個(gè)狀態(tài)設(shè)備。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，由于主節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)與所有節(jié)點(diǎn)通信，已信息和要求的ID數(shù)量都大大減少。

主節(jié)點(diǎn)將所有數(shù)據(jù)通信發(fā)送到全部節(jié)點(diǎn)(然后在所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌O(shè)備之前從節(jié)點(diǎn)上接收該數(shù)據(jù))，這樣可以檢查傳輸數(shù)據(jù)的有效性。該操作允許主節(jié)點(diǎn)對(duì)所有通信進(jìn)行監(jiān)測(cè)，減少或消除潛在錯(cuò)誤。

但是，這種通信方法速度緩慢。這時(shí)，LIN節(jié)點(diǎn)很難及時(shí)地接收和處理數(shù)據(jù)，并選擇性地將它傳輸給其它節(jié)點(diǎn)。

從-從通信

主節(jié)點(diǎn)同樣發(fā)送信息幀頭。但是，在從-從通信模式下，響應(yīng)“從任務(wù)”的是遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，如鍵盤。當(dāng)鍵盤“填滿”信息幀數(shù)據(jù)字節(jié)時(shí)，網(wǎng)上所有節(jié)點(diǎn)都能看到整個(gè)傳輸過(guò)程，并響應(yīng)相應(yīng)的操作。本例中，車窗LIN 從節(jié)點(diǎn)響應(yīng)鍵盤LIN節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

與主-從通信相比，從-從通信方法更迅捷。各個(gè)信息幀上的節(jié)點(diǎn)共用信息，從而極大地提高響應(yīng)速度。單個(gè)信息可以打開(kāi)兩扇車窗，關(guān)閉一個(gè)車門，打開(kāi)三個(gè)車門或者移動(dòng)車窗。這樣就可以明顯減少網(wǎng)上的數(shù)據(jù)流量。

但是，從-從通信方法也有不足：首先，各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘源未知，因此從節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)時(shí)(根據(jù)主節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求)，數(shù)據(jù)可能發(fā)生漂移。主節(jié)點(diǎn)有一個(gè)精確度很高的時(shí)鐘，因此針對(duì)數(shù)據(jù)漂移得有很高級(jí)別的容差范圍，但另一個(gè)接受數(shù)據(jù)的LIN 從節(jié)點(diǎn)卻沒(méi)有這么高，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤譯。其次，這種情況下，主節(jié)點(diǎn)不顯示“從-從”通信已經(jīng)失效。

信息幀傳輸持續(xù)時(shí)間

下表介紹了2、4、8字節(jié)信息在傳輸速率為600bit/sec 和19200bit/sec時(shí)的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間。本協(xié)議專用于1kbps和 20kbps之間的運(yùn)行，建議在LIN技術(shù)規(guī)范中也使用這些傳輸速率。如表1所示。

這些數(shù)據(jù)可能看起來(lái)速率很慢(特別是與CAN 比較時(shí))，但這樣規(guī)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(jiǎn)化從節(jié)點(diǎn)。

本文小結(jié)

隨著汽車的一些智能控制功能轉(zhuǎn)移到最小節(jié)點(diǎn)中，對(duì)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(wǎng)絡(luò)方案使大量節(jié)點(diǎn)之間的互連變得簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效，因此是理想的解決方案。不過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)仍應(yīng)考慮其它因素。