基于LIN總線的換擋指示器設(shè)計(jì)

張?zhí)靾@ 高明福

富奧汽車零部件股份有限公司研發(fā)中心 吉林省長春市 130013

隨著汽車電子系統(tǒng)日益復(fù)雜，汽車電子技術(shù)蓬勃發(fā)展的同時(shí)也帶來了很多有關(guān)車輛網(wǎng)絡(luò)的問題：隨著車內(nèi)電控單元數(shù)目的增長而導(dǎo)致的汽車布置空間的縮小；數(shù)目龐大的線束無形中增加了制造成本；各個(gè)電控單元之間的連接器也降低了車輛的可靠性。因此，汽車總線需要從點(diǎn)到點(diǎn)的通信轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)通信，這樣既能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，也能降低成本，同時(shí)提高可靠性。

國際汽車工程師學(xué)會SAE（Society of Automotive Engineers）根據(jù)位速率的不同，將車用網(wǎng)絡(luò)分為A、B、C、D、E五大類。每一種網(wǎng)絡(luò)都包含多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，目前主流的協(xié)議有：LIN、CAN、FlexRay和MOST。其中，CAN總線是普遍使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，高速的FlexRay和MOST由于價(jià)格昂貴主要用于高端車型，而LIN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)則由于其低廉的通信成本和便捷的開發(fā)方式在車身控制方面，如座椅控制、車窗升降控制、后視鏡控制、滑動天窗等，得到了廣泛的應(yīng)用。

1 LIN總線概述

LIN（Local Interconnect Network）總線是一種低速、低成本的A類總線標(biāo)準(zhǔn)，是CAN總線的一種補(bǔ)充。隨著1997年開放的LIN總線標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生以來，LIN總線已經(jīng)廣泛地被世界上的大多數(shù)汽車公司以及零配件廠商所接受。

LIN2.1規(guī)范于2006年發(fā)表，包括物理層規(guī)范、協(xié)議規(guī)范、傳輸層規(guī)范、節(jié)點(diǎn)配置和標(biāo)識規(guī)范、診斷規(guī)范、應(yīng)用程序接口規(guī)范、節(jié)點(diǎn)能力語言規(guī)范和配置語言規(guī)范八個(gè)部分。LIN2.2規(guī)范于2010年發(fā)表，更正了一些細(xì)微的錯誤，同時(shí)減弱了比特取樣的規(guī)則。

LIN網(wǎng)絡(luò)是一種主從網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中包含一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和至多15個(gè)從節(jié)點(diǎn)，因此無需仲裁。網(wǎng)絡(luò)中由主節(jié)點(diǎn)控制各個(gè)消息的時(shí)序調(diào)度，各個(gè)從節(jié)點(diǎn)則負(fù)責(zé)發(fā)送和接收消息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)中的微控制器通過SCI接口與LIN收發(fā)器相銜接，而幾乎所有的微控制器均具備SCI接口，使得LIN通信具有廣泛的硬件基礎(chǔ)。同時(shí)，串行通信還具有線間干擾小，節(jié)省線束，傳輸距離長等優(yōu)點(diǎn)。在LIN網(wǎng)絡(luò)中，信號采用單線傳輸，傳輸速率最高可達(dá)20kbps。LIN網(wǎng)絡(luò)的從節(jié)點(diǎn)無須晶振或陶瓷震蕩器就可以實(shí)現(xiàn)同步，因而大幅度降低成本。當(dāng)增加或減少從節(jié)點(diǎn)時(shí)，無需改變其他節(jié)點(diǎn)的硬件電路，因此使用靈活。LIN網(wǎng)絡(luò)支持基于ISO15765-2的傳輸層規(guī)范和基于ISO14229-1的診斷服務(wù)。

2 系統(tǒng)方案

本文所設(shè)計(jì)的換擋指示器，是安裝在自動擋車型上的，與換擋手柄配合工作并構(gòu)成總成，用來顯示換擋手柄當(dāng)前切換到的檔位。換擋手柄作為網(wǎng)關(guān)，主要功能是對各種信息進(jìn)行分析處理，并發(fā)出指令，協(xié)調(diào)換擋指示器的工作。它接收來自TCM的CAN消息，經(jīng)過解析，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的LIN消息，通過LIN總線向換擋指示器發(fā)出指令。換擋手柄作為LIN總線的主節(jié)點(diǎn)，換擋指示器作為LIN總線的從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)接收到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的檔位顯示信號后，點(diǎn)亮相應(yīng)檔位的發(fā)光二極管。LIN總線是直接面向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的。

換擋指示器工作流程如下：

（1）TCM向換擋手柄發(fā)送CAN消息，請求當(dāng)前的檔位信息。

（2）換擋手柄將當(dāng)前的檔位信息通過CAN消息發(fā)送給TCM。

（3）TCM收到檔位信息后，向換擋手柄發(fā)送CAN消息，要求換擋手柄點(diǎn)亮換擋指示器相應(yīng)檔位的發(fā)光二極管。

（4）換擋手柄收到要求點(diǎn)亮換擋指示器相應(yīng)檔位的發(fā)光二極管的CAN消息后，將CAN消息轉(zhuǎn)換成LIN消息，將檔位顯示信息包含在LIN消息中，向換擋指示器發(fā)送檔位信息。

（5）換擋指示器收到檔位顯示的LIN消息后，點(diǎn)亮相應(yīng)檔位的發(fā)光二極管。

3 硬件設(shè)計(jì)

換擋指示器主要有以下兩個(gè)功能：

3.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸功能

換擋指示器作為LIN總線從節(jié)點(diǎn)，接收LIN總線上各種控制命令，如點(diǎn)亮相應(yīng)檔位的發(fā)光二極管的信息，睡眠指令等。

3.2 控制點(diǎn)亮相應(yīng)檔位的發(fā)光二極管功能

換擋指示器接收到LIN總線上控制命令后，通過脈寬調(diào)制來控制點(diǎn)亮哪一個(gè)檔位的發(fā)光二極管，以及該發(fā)光二極管是何亮度。

為滿足需求，主控MCU采用NXP公司的16位單片機(jī)9S12ZVLS32。S12ZVL系列是S12 MagniV混合信號微控制器組合的一部分，提供智能、優(yōu)化集成的高電壓組件。S12ZVL產(chǎn)品系統(tǒng)集成了一個(gè)LIN物理層、受ESD保護(hù)的12V輸入引腳（能夠進(jìn)行ADC測量）以及在3.5V至40V之間操作的汽車穩(wěn)壓器（為霍爾傳感器或RGB LED等片上和片外功能提供穩(wěn)定的電源）。

S12ZVL系列結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：

S12ZVL系列主要特性有：

（1）S12Z內(nèi)核，25MHz總線：與S12內(nèi)核比較，提高了代碼效率和內(nèi)核性能。

（2）8KB至32KB的閃存：提供片上閃存來存儲代碼，無需外部閃存/ROM。

（3）高達(dá)128 B EEPROM：提供易于使用的界面，通過數(shù)據(jù)閃存支持4字節(jié)可擦除頁面。

（4）所有內(nèi)存（閃存、R A M和EEPROM）帶ECC：糾錯碼（ECC）功能提供高可靠性。

（5）內(nèi)置汽車穩(wěn)壓器，可在3.5V至40V之間運(yùn)行：直接由汽車電池驅(qū)動，無需額外穩(wěn)壓器，可節(jié)省PCB板卡空間。解決汽車設(shè)計(jì)問題，如雙電池、起動電壓突變和負(fù)載突降情況。

（6）內(nèi)置LIN物理層：無需外部LIN物理層器件，可節(jié)省空間和設(shè)計(jì)時(shí)間。滿足汽車OEM規(guī)格，符合LIN一致性和EMC要求。

（7）EVDD和NGPIO：EVDD能夠提供5 V/20mA片外供電，N-GPIO能夠提供高達(dá)3x25mA片外驅(qū)動電流（對RGB-LED驅(qū)動有用）。

（8）受保護(hù)的12 V輸入（HVI）：支持汽車電池的電壓電平輸入（具有ADC功能）。

（9）片上RC振蕩器，可調(diào)整至1.3%公差：無需外部晶體振蕩器或共振器，生成精確的片上時(shí)鐘生成，可進(jìn)行LIN通信，也不需要進(jìn)行軟件密集的同步。

4 軟件設(shè)計(jì)

換擋指示器軟件設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)模塊：

4.1 系統(tǒng)時(shí)鐘及定時(shí)器模塊

系統(tǒng)時(shí)鐘模塊決定了MCU使用內(nèi)部振蕩器還是外部振蕩器、鎖相環(huán)倍頻倍數(shù)以及總線頻率是多少。定時(shí)器模塊的設(shè)定，則用來控制程序調(diào)度。本換擋指示器使用的是MCU內(nèi)部皮爾斯振蕩器，震蕩頻率為1MHz，鎖相環(huán)經(jīng)過64倍頻而后再8分頻得到8MHz的總線頻率。定時(shí)器模塊設(shè)置為1ms定時(shí)器，來控制程序的執(zhí)行。

4.2 脈寬調(diào)制模塊

本換擋指示器使用了8路PWM，每路PWM均使用8比特計(jì)數(shù)器，初始電平為低電平，頻率為244Hz，通過解析收到的LIN消息中的亮度值來控制PWM的占空比，進(jìn)而控制發(fā)光二極管的亮度。

4.3 LIN總線接收模塊

本換擋指示器作為LIN總線上的從節(jié)點(diǎn)，主要作用是接收并解析主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制信息。通過使用MCU的SCI接口配合MCU集成的LIN物理層，來實(shí)現(xiàn)LIN通信。當(dāng)換擋指示器的LIN總線上收到消息時(shí)，觸發(fā)SCI接收中斷，在中斷處理函數(shù)中，需要判斷接收到消息的同步間隔場、同步場和標(biāo)識符場是否符合LIN2.1規(guī)范，同時(shí)，還需判斷接收到的標(biāo)識符，是否是換擋指示器和換擋手柄之間用來交互信息的標(biāo)識符。如果是合法的標(biāo)識符，則繼續(xù)判斷接收到的數(shù)據(jù)長度是否合法。如果數(shù)據(jù)長度合法，則取出LIN消息中的數(shù)據(jù)段進(jìn)行解析。需要從數(shù)據(jù)段解析出點(diǎn)亮哪個(gè)檔位的發(fā)光二極管以及這個(gè)發(fā)光二極管的亮度值。

4.4 電源電壓監(jiān)測模塊

換擋手柄需要了解換擋指示器的電源電壓是否工作在正常工作范圍，如果超出正常范圍，需要進(jìn)行預(yù)警處理。本換擋指示器所使用的MCU包含電源電壓傳感器模塊，這個(gè)傳感器通過內(nèi)部通道，與1路A/D轉(zhuǎn)換器相連，將電源電壓值傳遞給A/D轉(zhuǎn)換器。在使用時(shí)，讀取這路A/D轉(zhuǎn)換器的值，來判斷電源電壓是否工作在正常工作范圍。當(dāng)換擋手柄，也就是LIN主節(jié)點(diǎn)，通過LIN消息向換擋指示器請求電源電壓狀態(tài)時(shí)，換擋指示器將電源電壓是正常、過壓還是欠壓通過LIN消息，發(fā)送給LIN主節(jié)點(diǎn)，也就是換擋手柄。

4.5 低功耗模塊

為了降低換擋指示器的功耗，根據(jù)LIN 2.1規(guī)范，當(dāng)LIN總線上持續(xù)4s及以上沒有交互LIN消息時(shí)，則LIN總線進(jìn)入睡眠狀態(tài)，進(jìn)一步，換擋指示器進(jìn)入低功耗模式，來減少對汽車電瓶電量的損耗。另外，需要將SCI設(shè)置為喚醒源，當(dāng)LIN總線上出現(xiàn)LIN消息時(shí)，需要將換擋指示器從低功耗模式中喚醒，并恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

5 結(jié)語

LIN總線在成本方面，比CAN總線具有明顯的優(yōu)勢。同時(shí)，LIN總線具有高靈活性和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)功能相對簡單、網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目不是很多的情況下，LIN總線是優(yōu)于CAN總線的選擇。本文開發(fā)的換擋指示器已應(yīng)用在一汽紅旗H7轎車上，并投入市場，本設(shè)計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的功能。