基于LIN 總線的香氛空氣凈化設(shè)備的設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)車載中控系統(tǒng)控制整車中新增加的香氛空氣凈化設(shè)備進(jìn)行香氛彈識(shí)別、通道切換、風(fēng)機(jī)的風(fēng)檔控制，并回傳狀態(tài)信息，引進(jìn)了LIN總線技術(shù)來(lái)解決這個(gè)車載設(shè)備間的通信問(wèn)題。本文圍繞為實(shí)現(xiàn)車載中控設(shè)備通過(guò)LIN 通信控制香氛空氣凈化設(shè)備工作，對(duì)LIN 總線架構(gòu)、硬件電路設(shè)計(jì)及軟件通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方案展開論述。

關(guān)鍵詞：LIN 總線；香氛；空氣凈化設(shè)備；通信

中圖分類號(hào)：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著汽車消費(fèi)者對(duì)車內(nèi)環(huán)境的要求不斷提升，除了要滿足內(nèi)外飾造型的視覺(jué)、觸覺(jué)舒適感，還要求改善嗅覺(jué)的愉悅感。因此車內(nèi)氣味設(shè)計(jì)成為汽車行業(yè)的一大熱點(diǎn)，車載香氛應(yīng)運(yùn)而生。為了實(shí)現(xiàn)車載中控系統(tǒng)控制整車中新增加的香氛空氣凈化設(shè)備進(jìn)行香氛彈識(shí)別、通道切換及風(fēng)機(jī)的風(fēng)擋控制，并回傳新的狀態(tài)信息，在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)引進(jìn)LIN 總線技術(shù)來(lái)解決這個(gè)車載設(shè)備間的通信問(wèn)題。

中控系統(tǒng)和香氛設(shè)備接入到同一條LIN 總線上，中控系統(tǒng)設(shè)備為主機(jī)，往總線上發(fā)送控制命令[1]；香氛空氣凈化設(shè)備作為從機(jī)，從LIN 總線上接收控制命令，根據(jù)命令進(jìn)行相應(yīng)的操作，并把操作結(jié)果響應(yīng)給中控系統(tǒng)。本文圍繞車載中控設(shè)備通過(guò)LIN 通信控制香氛空氣凈化設(shè)備工作，對(duì)LIN 總線架構(gòu)、硬件電路設(shè)計(jì)及軟件通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方案展開論述。

1 基于LIN 通信的香氛空氣凈化設(shè)備設(shè)計(jì)分析

香氛空氣凈化設(shè)備主要包含LIN 通信控制功能模塊、通道切換模塊、香氛識(shí)別模塊、風(fēng)機(jī)控制模塊和單片機(jī)等（圖1）。

1.1 處理器設(shè)計(jì)

香氛空氣凈化設(shè)備中的控制中樞是一個(gè)型號(hào)為N32A455CEL7的單片機(jī)（MCU），它通過(guò)LIN 通信模塊與中控系統(tǒng)連接。MCU 通過(guò)LIN 通信模塊接收中控系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的通道切換命令和風(fēng)機(jī)的擋位控制命令，并發(fā)出香氛識(shí)別模塊對(duì)香氛彈的ID 識(shí)別、生產(chǎn)日期和剩余有效時(shí)間信息，以及風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等相關(guān)響應(yīng)信息。

1.2 通道切換模塊設(shè)計(jì)

該功能模塊主要由一個(gè)DRV8824 的芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)開始工作，帶動(dòng)通道轉(zhuǎn)換。同時(shí)，由一個(gè)光電開關(guān)管來(lái)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，并反饋給MCU 檢測(cè)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)到目標(biāo)通道位置后，MCU 控制DRV8824 停止工作，通道切換操作完成。

1.3 風(fēng)機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

該功能模塊通過(guò)GPIO 口控制風(fēng)機(jī)的電源通路或者斷路，并輸出指定占控比PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)工作。同時(shí)，MCU 通過(guò)檢測(cè)風(fēng)機(jī)的輸出脈沖來(lái)檢測(cè)其轉(zhuǎn)速，并把數(shù)值通過(guò)LIN 總線響應(yīng)給中控系統(tǒng)。

1.4 香氛識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)香氛空氣凈化設(shè)備把通道切換到目標(biāo)位置后，MCU 就會(huì)去讀取香氛彈上FM4442 的EEPROM 數(shù)據(jù)，其中包含每個(gè)通道上對(duì)應(yīng)香氛彈上的ID 標(biāo)識(shí)符、生產(chǎn)日期和剩余使用時(shí)間等信息。如果讀取香氛彈上的信息失敗，則香氛空氣凈化設(shè)備停止工作；如果信息讀取成功，則判斷剩余時(shí)間是否為零。不為零，則設(shè)備正常工作；否則停止工作。

1.5 LIN 通信模塊設(shè)計(jì)

在硬件電路上，用型號(hào)為N32A455CEL7 的國(guó)產(chǎn)MCU 通過(guò)串口控制型號(hào)為TJA1028T3V3 的LIN 總線收發(fā)器，來(lái)實(shí)現(xiàn)LIN 總線數(shù)據(jù)通信。軟件上，后文將對(duì)LIN 通信的協(xié)議及軟件實(shí)現(xiàn)邏輯展開詳細(xì)敘述和討論。

2 LIN 總線架構(gòu)

LIN 總線采用單主機(jī)多從機(jī)的框架模式[2]，且節(jié)點(diǎn)之間采用的是單線傳輸方式（圖2）?？偩€上的電平一般是12.0 V，網(wǎng)絡(luò)中的導(dǎo)線長(zhǎng)度應(yīng)少于或者等于40 m，傳輸速率最高限制為20 kb/s。由于每增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致減少約3% 的網(wǎng)絡(luò)阻抗（1 ～ 30 kΩ），這樣會(huì)導(dǎo)致環(huán)境條件變差，因此LIN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量受到總線的物理特性限制，最大數(shù)量不超過(guò)16 個(gè)。

主機(jī)任務(wù)負(fù)責(zé)生成幀頭，并根據(jù)進(jìn)度表決定和維持哪個(gè)幀應(yīng)該被正確定時(shí)發(fā)送。從機(jī)任務(wù)負(fù)責(zé)發(fā)布或者接聽(tīng)?zhēng)膽?yīng)答狀態(tài)，它包括2 個(gè)狀態(tài)：幀處理器以及同步間隔段與同步段檢查器。

3 LIN 通信的硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 國(guó)產(chǎn)MCN32A455CEL 特性

香氛設(shè)備的MCU 芯片MCN32A455CEL 采用32 位ARMCortex-M4F 內(nèi)核， 最高工作主頻為144 MHz。它集成多達(dá)512 kB 加密存儲(chǔ)Flash，最大144 kB SRAM，具備7 個(gè)LIN/U（S）ART 接口，最高速率達(dá)4.5 Mb/s。它還具有相應(yīng)的LIN 通信控制功能接口，運(yùn)行速度能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

3.2 LIN 數(shù)據(jù)收發(fā)器TJA1028TV3V 特性

TJA1028T 是荷蘭的半導(dǎo)體公司恩智浦（NXPI）公司的產(chǎn)品（圖3），該產(chǎn)品專門用于LIN 總線數(shù)據(jù)通信。它內(nèi)部集成了具有低壓降壓的LIN 2.0/2.1/SAE J2602 收發(fā)調(diào)節(jié)器。電源輸入端具備3.3 V 和5.0 V 變體，穩(wěn)壓器可提供高達(dá)70 mA 電流。它還支持LIN 收發(fā)器休眠模式電壓調(diào)節(jié)器掉，同時(shí)具備LIN 總線喚醒功能等特性。

3.3 國(guó)產(chǎn)MCU 控制LIN 收發(fā)器與外界通信電路原理

MCU 通過(guò)帶有LIN 功能的串口模塊與LIN 總線收發(fā)器TJA1028 連接，并間接通過(guò)TJA1028 的LIN 管腳與外部LIN 總線相連。MCU 通過(guò)控制該收發(fā)器通與其他電控單元相連。這樣的連接可以實(shí)現(xiàn)香氛設(shè)備通過(guò)LIN 總線與帶有LIN 總線的中控系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)2 個(gè)設(shè)備間的硬件電路連接。這樣，中控系統(tǒng)可以通過(guò)LIN 總線把命令傳輸給香氛設(shè)備（圖4）。

4 LIN 通信的軟件實(shí)現(xiàn)邏輯

因?yàn)長(zhǎng)IN 總線不具備OSI 協(xié)議中詳細(xì)定義的有載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/ 沖突檢測(cè)（CSMA/CD） 通信協(xié)議，無(wú)法實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)以主機(jī)方式接入總線，也不具備報(bào)文沖突監(jiān)測(cè)以及“無(wú)損的逐位仲裁”決定報(bào)文發(fā)送優(yōu)先權(quán)。因此，LIN 報(bào)文幀傳輸任務(wù)必須由主機(jī)統(tǒng)一調(diào)度。這些任務(wù)的調(diào)度有嚴(yán)格的時(shí)間限制，因此也可稱之為時(shí)間表，時(shí)間表在LDF（LIN 描述文件）有詳細(xì)的定義。該文件中還包含有適用的LIN 協(xié)議版本、LIN 總線的數(shù)據(jù)傳輸速度、主機(jī)和從機(jī)設(shè)備名稱、診斷信號(hào)、幀和時(shí)間表的定義等信息（圖5）。

在此，以圖莫斯替代中控系統(tǒng)作為主機(jī)，控制LIN 通信加載LDF 文件來(lái)控制LIN 通信任務(wù)的調(diào)度（圖6）。圖6 中上面的列表中可以清楚地看到當(dāng)前選中的報(bào)文具有哪些信號(hào)，這些信號(hào)的名稱等信息。下面的列表中顯示了報(bào)文的別名，由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送；發(fā)送當(dāng)前幀后，需要等待多長(zhǎng)時(shí)間才能發(fā)送下一幀。

綜上可知，主機(jī)與從機(jī)通信必須嚴(yán)格根據(jù)LDF 文件中的時(shí)間表來(lái)調(diào)度報(bào)文的傳輸任務(wù)。報(bào)文必須根據(jù)文件中定義的幀和信號(hào)格式來(lái)組成，以及從機(jī)反饋給主機(jī)狀態(tài)信息的診斷報(bào)文格式定義。進(jìn)度表在執(zhí)行的時(shí)候，從其入口處開始執(zhí)行，直至該表的最后一個(gè)幀。如果沒(méi)有新的進(jìn)度表啟動(dòng)，則返回當(dāng)前進(jìn)度表的開頭，從第一個(gè)幀開始執(zhí)行。

4.1 LIN 通信協(xié)議

LIN 總線上的報(bào)文傳輸任務(wù)，不僅其調(diào)度需要根據(jù)LDF 文件的定義來(lái)執(zhí)行，而且主機(jī)端的報(bào)文從應(yīng)用層到LIN 總線物理層的整個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)包組成，以及從機(jī)端從LIN 物理層到應(yīng)用層的整個(gè)數(shù)據(jù)包拆包過(guò)程，也都必須遵守LIN 通信協(xié)議層來(lái)完成（圖7）。

LIN 總線通過(guò)LIN 通信協(xié)議規(guī)范節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信。該協(xié)議主要分為：應(yīng)用層、API 接口層、協(xié)議層和物理層。物理層已在硬件電路設(shè)計(jì)中詳細(xì)體現(xiàn)。協(xié)議層主要涉及在主機(jī)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)如何從應(yīng)用層往底層物理層傳遞；傳遞過(guò)程中經(jīng)過(guò)那些協(xié)議層；在每個(gè)協(xié)議層怎樣把應(yīng)用層數(shù)據(jù)逐層打包處理，并最終在物理層，以位的數(shù)據(jù)格式逐位發(fā)送。

同理在從機(jī)節(jié)點(diǎn)，如何在物理層逐位接收數(shù)據(jù)，并把接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議從物理層往應(yīng)用層傳遞；在傳遞過(guò)程中怎樣逐層拆包，并把拆包后的數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用程序使用。

4.2 LIN 報(bào)文結(jié)構(gòu)

在LIN 通信協(xié)議中，主機(jī)節(jié)點(diǎn)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)之間以完整的報(bào)文交互來(lái)傳遞數(shù)據(jù)。一個(gè)完整的報(bào)文包含同步間隔段、同步段、受保護(hù)ID 段、數(shù)據(jù)段、校驗(yàn)和段等相關(guān)信息（圖8）。

同步間隔段：它是每個(gè)幀里唯一用來(lái)標(biāo)識(shí)幀的起始點(diǎn)。它由主機(jī)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生，1 個(gè)同步間隔段至少有13 bit 的顯性值，包括起始位和間隔定界符，其中間隔定界符的長(zhǎng)度至少為1 bit。

同步段：它是一個(gè)值為0x55 的字節(jié)場(chǎng)，其二進(jìn)制值為0101 0101，在總線發(fā)送該數(shù)值時(shí)是以10101010 的順序發(fā)送。在從機(jī)上必須能夠探測(cè)到間隔/ 同步數(shù)據(jù)序列。如果發(fā)現(xiàn)了同步場(chǎng)，那么間隔/ 同步符號(hào)序列的總線將會(huì)終止正在進(jìn)行的幀轉(zhuǎn)移，重新啟動(dòng)新幀的處理。

受保護(hù)ID 段：它包含2 個(gè)子場(chǎng)，標(biāo)識(shí)符和標(biāo)識(shí)符的奇偶校驗(yàn)。0 ～ 5 bit 是標(biāo)識(shí)符，6 ～ 7 bit 是奇偶校驗(yàn)。

5 LIN 通信的報(bào)文時(shí)序圖介紹

在LIN 總線通信過(guò)程中，使用示波器抓取總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)波形（圖9）。首先，捕獲的波形是同步間隔段，它是一個(gè)至少有13 bit 的顯性值，包括起始位和間隔定界符組成。在LIN 總線中，顯示值是低電平表示。其次，捕獲的波形是同步段，其數(shù)值是0x55。

在總線上的傳輸波形序列是：一個(gè)起始位（顯性值：低電平）；數(shù)值序列為1010 1010 ；停止位（隱性位：高電平）。再次，捕獲的波形是受保護(hù)ID 段，其值為0x3c，在總線上的傳輸波形序列：一個(gè)起始位（顯性值：低電平）；停止位（隱性位：高電平）。最后，捕獲的數(shù)據(jù)段和校驗(yàn)和段的傳輸波形序列。

6 MCU 的LIN 通信軟件流程

MCU 通過(guò)串口控制LIN 通信的軟件流程[3] 如圖10 所示，步驟如下。

（1）香氛設(shè)備上電后，系統(tǒng)先去使能USART 所在GPIO 口的時(shí)鐘和USART 功能的時(shí)鐘。

（2）對(duì)用作USART 的GPIO 端口及管腳進(jìn)行配置。

（3）配置嵌套中斷向量控制器。

（4）在USART/LIN 的串口接收中斷時(shí)，監(jiān)聽(tīng)LIN 總線，并讀取從主機(jī)發(fā)送出來(lái)的報(bào)文幀或者是幀頭。

（5）串口接收中斷逐個(gè)字節(jié)讀取數(shù)據(jù)。在本步驟中，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)字節(jié)結(jié)合當(dāng)前報(bào)文狀態(tài)變量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。如果當(dāng)前是IDLE 狀態(tài)，那么串口在接收到數(shù)據(jù)時(shí)，主動(dòng)把狀態(tài)值切換到SYNC，并判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)是否是0x55。如果不是，則狀態(tài)值返回IDLE ；如果是，則把狀態(tài)值修改為PID 狀態(tài)，繼續(xù)接收下一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

再判斷是否是完整報(bào)文幀，如果是，則獲取數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，并把狀態(tài)值切換到RCV，串口繼續(xù)接收數(shù)據(jù)[4]。如果接收到的只是報(bào)文的幀頭，那么立即發(fā)送報(bào)文的應(yīng)答幀，同時(shí)把狀態(tài)值修改為IDLE 狀態(tài)。在RCV 狀態(tài)下，如果接收到數(shù)據(jù)段的完整數(shù)據(jù)后，那么整個(gè)報(bào)文幀接收完成，報(bào)文狀態(tài)值改為IDLE，進(jìn)入下一個(gè)新報(bào)文的接收。

在實(shí)際工作中，主機(jī)通過(guò)LIN 通信控制香氛空氣凈化設(shè)備具體過(guò)程如下。以圖莫斯替代中控系統(tǒng)作為主機(jī)，根據(jù)LDF 文件中定義的幀及任務(wù)調(diào)試時(shí)間表，向香氛空氣凈化設(shè)備發(fā)送0x36 報(bào)文控制其進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作，再發(fā)送0x37 報(bào)文幀頭。香氛設(shè)備在接收到0x36 報(bào)文后（圖11），開始進(jìn)行通道切換和風(fēng)機(jī)換擋操作（發(fā)送數(shù)據(jù)窗口設(shè)置，切換到Taste1 通道，風(fēng)機(jī)切換到Low 擋），并把結(jié)果以響應(yīng)的方式通過(guò)0x37 的幀頭返回給主機(jī)。

7 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)本項(xiàng)目需求搭建的LIN 總線框架，設(shè)計(jì)的硬件電路基礎(chǔ)上，嚴(yán)格參照LIN2.0 通信協(xié)議編寫軟件控制報(bào)文傳輸。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果表明，該方案的設(shè)計(jì)滿足項(xiàng)目要求，可適用于車載中控設(shè)備控制香氛設(shè)備工作的通信需求。

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作者簡(jiǎn)介：

高碧松，本科，工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制及嵌入式軟件開發(fā)。