LIN總線技術(shù)及其應(yīng)用研究
引言
LIN 本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是一種將開關(guān)、顯示器、傳感器及執(zhí)行器等簡單控制設(shè)備連接起來的串行通信網(wǎng)絡(luò),主要用于實(shí)現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。因其主要目標(biāo)是為汽車網(wǎng)絡(luò)(如CAN總線)提供輔助功能,因此通常作為子網(wǎng)絡(luò),用于一些不需要諸如CAN總線的帶寬和多功能的場合,比如智能傳感器和制動裝置之間的通信。使用LIN總線可大大節(jié)省成本,該低成本的串行通信模式和相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境已經(jīng)由LIN協(xié)會制定成標(biāo)準(zhǔn),為汽車制造商以及供應(yīng)商在研發(fā)、應(yīng)用電子產(chǎn)品方面降低成本。但是,LIN的應(yīng)用并不局限于汽車領(lǐng)域,在諸如工業(yè)控制領(lǐng)域也理所應(yīng)當(dāng)占有廣闊的應(yīng)用地位和前景。
LIN 總線的技術(shù)特點(diǎn)包括:⑴單主機(jī),多從機(jī)結(jié)構(gòu)(沒有總線仲裁);⑵基于普通UART/ SCI 接口的低成本硬件、低成本軟件或作為純狀態(tài)機(jī);⑶帶時(shí)間同步的多點(diǎn)廣播接收,從節(jié)點(diǎn)無需石英或陶瓷振蕩器;⑷確定性的信號傳輸;⑸低成本的單線實(shí)現(xiàn);⑹速率可達(dá)20 kbit/s;⑺總線長度≤40m;⑻保證信號傳輸?shù)难舆t時(shí)間;⑼可選的數(shù)據(jù)場長度0~8bytes;⑽靈活性的配置;⑾數(shù)據(jù)校驗(yàn)和的安全性和錯(cuò)誤檢測;⑿網(wǎng)絡(luò)中故障節(jié)點(diǎn)的檢測;⒀使用最小成本的半導(dǎo)體元件(小尺寸,單芯片系統(tǒng));⒁不需改變LIN從節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件即可在網(wǎng)絡(luò)上增加節(jié)點(diǎn);⒂ 通常一個(gè)LIN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)小于16 個(gè)。
LIN2.0總線技術(shù)
LIN2.0版本反映了LIN協(xié)會的定義趨勢,通過比較LIN1.3和LIN2.0規(guī)范,可看到最重大的兩個(gè)變化是對于配置和診斷的標(biāo)準(zhǔn)化支持,以及指定節(jié)點(diǎn)能力文件,這都是為了要簡化現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)的使用。LIN工作原理是基于單主/多從概念。在一個(gè)LIN簇中,由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)以及數(shù)個(gè)從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。主節(jié)點(diǎn)由主機(jī)任務(wù)和從機(jī)任務(wù)組成。而所有其他的節(jié)點(diǎn)只包含從機(jī)任務(wù)。圖1所示為典型的LIN簇,即一個(gè)主節(jié)點(diǎn),兩個(gè)從節(jié)點(diǎn)。主機(jī)任務(wù)決定何時(shí)以及傳送哪一幀,而從機(jī)任務(wù)則傳送幀數(shù)據(jù)。
圖1單主多從原理圖
LIN2.0報(bào)文幀由幀頭和幀響應(yīng)組成,其中幀頭由主機(jī)任務(wù)傳送,幀響應(yīng)由從機(jī)任務(wù)傳送。每個(gè)報(bào)文幀都包含2、4、8字節(jié)的數(shù)據(jù)。報(bào)文幀的結(jié)構(gòu)由一個(gè)同步間隔域(Break)以及隨后的4至11個(gè)字節(jié)域(byte field)構(gòu)成,如圖2所示。
圖2 LIN報(bào)文幀結(jié)構(gòu)及字節(jié)域結(jié)構(gòu)
表1 LIN總線和CAN總線性能比較
同步間隔域
同步間隔域可看作是一中斷,用來表示一個(gè)新報(bào)文幀的開始,由主節(jié)點(diǎn)中的主機(jī)任務(wù)在LIN總線上產(chǎn)生至少13位顯性狀態(tài),其中包含起始位和同步界定符。
·同步域:其格式為0x55,表現(xiàn)為8個(gè)位定時(shí)中有5個(gè)下降沿。
·保護(hù)識別符:用于描述報(bào)文數(shù)據(jù)的含義,一個(gè)保護(hù)識別符域由兩個(gè)子域組成:其中第0位到第5位是識別符位,第6和第7位是奇偶校驗(yàn)位。識別符共6位,取值范圍為0至63。識別符可分為4類:
0到59(0x3b)用于信號傳輸?shù)膱?bào)文幀;
60(0x3c)和61(0x3d)用于傳送診斷數(shù)據(jù);
62(0x3e)為留給用戶的擴(kuò)展幀;
63(0x3f)為保留用于以后協(xié)議增訂使用。
·數(shù)據(jù)域:一個(gè)報(bào)文幀可以“攜帶”0到8字節(jié)的數(shù)據(jù)。
·校驗(yàn)和:校驗(yàn)和等于數(shù)據(jù)域所有字節(jié)的和的取反。對于只計(jì)算數(shù)據(jù)域所有字節(jié)的校驗(yàn)和,稱為傳統(tǒng)校驗(yàn)和。如果校驗(yàn)和要將保護(hù)識別符和數(shù)據(jù)域所有字節(jié)一起計(jì)算,則稱為增強(qiáng)性校驗(yàn)和。
由表1可見,LIN總線的整體性能要比CAN差很多,但LIN總線較CAN總線的最大優(yōu)勢在于實(shí)現(xiàn)成本比較低,由于LIN面向的是并不需要CAN的性能、帶寬及復(fù)雜性的低端系統(tǒng),因此在這些場合中LIN有較為廣泛的應(yīng)用。
圖3 UJA1023配置流程圖
LIN從節(jié)點(diǎn)應(yīng)用設(shè)計(jì)
本文采用NXP推出的本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)I/O附屬擴(kuò)展芯片UJA1023,可協(xié)助構(gòu)建高性價(jià)比、高可靠度的車內(nèi)LIN網(wǎng)絡(luò)。雖然,該芯片起初的設(shè)計(jì)初衷是應(yīng)用在高檔轎車行業(yè),但由于該芯片的高集成性和可靠性等特點(diǎn),完全能夠用于諸如電力工業(yè)領(lǐng)域等。UJA1023 是一個(gè)獨(dú)立的可應(yīng)用于本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LIN)I/O的從節(jié)點(diǎn),它可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子控制單元中所使用的基本部件,這些電子控制單元用于對I/O進(jìn)行控制。
UJA1023 芯片內(nèi)包含一個(gè)LIN 2.0 控制器,一個(gè)集成的LIN收發(fā)器,并同時(shí)兼容LIN1.3 規(guī)范。同時(shí)還包括8個(gè)可通過LIN總線進(jìn)行配置的I/O端口。UJA1023 具有自動比特率同步電路,可以在1kbit/s 至20kbit/s 范圍內(nèi)與主節(jié)點(diǎn)保持同步,因此芯片內(nèi)集成了一個(gè)晶振。
LIN協(xié)議由芯片自動進(jìn)行處理,從節(jié)點(diǎn)的地址NAD和幀識別符(frame Identifier)的設(shè)置由主請求命令(master request)和從響應(yīng)命令(slave response)以菊花鏈方式或即插方式完成。8 個(gè)雙向I/O引腳可由LIN總線命令進(jìn)行配置,并且可以具有以下的功能:
輸入功能
·標(biāo)準(zhǔn)輸入引腳;
·本地喚醒;
·邊沿捕獲;
·模擬信號輸入引腳;
·開關(guān)矩陣(與輸出引腳配合使用)。
輸出功能
·標(biāo)準(zhǔn)輸出引腳,可配置為高邊驅(qū)動、低邊驅(qū)動、推拉驅(qū)動模式;
·周期(循環(huán))偵聽模式用于本地喚醒;
·PWM模式,例如,驅(qū)動轎車后燈;
·開關(guān)矩陣(與輸入引腳配合使用)。
配置流程
UJA1023可通過LIN命令幀,即主請求命令和從響應(yīng)命令以報(bào)文鏈的形式完成配置。主請求命令發(fā)送配置數(shù)據(jù),而主請求命令的目標(biāo)從節(jié)點(diǎn)在收到命令后將發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)給主節(jié)點(diǎn)作為響應(yīng)。圖3所示為UJA1023的配置流程,其中主請求命令和從響應(yīng)命令之間井然有序的配合就是一種“握手”的概念。
UJA1023應(yīng)用實(shí)例
圖4 通用I/O口應(yīng)用
由圖4所示。單片UJA1023具有8個(gè)I/O口可作為通用I/O口使用。在圖4中,P0、P1用于讀入開關(guān)量的值。P3用于驅(qū)動發(fā)光二極管。P5通過功率放大可驅(qū)動電機(jī)。P7則對模擬量進(jìn)行采集,P2還可以驅(qū)動繼電器,因而UJA1023在繼電保護(hù)中也有“用武之地”。
多片UJA1023應(yīng)用
使用即插方式,通過“單主多從”的方式,將多片UJA1023連成網(wǎng)絡(luò)形式的應(yīng)用。由圖5所示為由1個(gè)主節(jié)點(diǎn)和8個(gè)從節(jié)點(diǎn)組成的基于單主多從模式的LIN網(wǎng)絡(luò)。由圖可知,每個(gè)從節(jié)點(diǎn)有8路I/O,因此該網(wǎng)絡(luò)總共有多達(dá)64路的控制口??蛇M(jìn)行多種形式的多路控制。其特點(diǎn)就是應(yīng)用靈活,配置方便,擴(kuò)展性強(qiáng),成本低廉,可靠性高。值得一提的是,圖5只是一個(gè)子網(wǎng)絡(luò),如果需要更多的端口,完全可以按圖5的形式進(jìn)行多網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展,而網(wǎng)與網(wǎng)之間可以通過網(wǎng)關(guān)來連接。
圖5 基于單主多從模式的LIN網(wǎng)絡(luò)
該形式十分適合于如圖6所示的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)應(yīng)用中。下位低頻低壓減載裝置的設(shè)計(jì)目的是完成35kV系統(tǒng)根據(jù)電力系統(tǒng)頻率和電壓變化,按預(yù)定的控制方案切除電力負(fù)荷。
圖6 系統(tǒng)總體框圖
圖6中每臺低頻減載裝置中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想,以圖5為參考,一個(gè)裝置中包含一個(gè)基于單主多從的子網(wǎng)絡(luò),即含有多片UJA1023,而每片芯片的I/O口驅(qū)動若干的繼電器,以在必要時(shí)控制繼電器以切除負(fù)載。
結(jié)語
由以上的分析不難得出結(jié)論,在工業(yè)自動化領(lǐng)域,對于數(shù)據(jù)的傳輸速率要求不高的傳感器、數(shù)字量I/O、顯示和執(zhí)行部件的控制連接固然可以使用CAN,但是這樣可以會造成浪費(fèi)。在這種情況下,LIN的成本廉價(jià),抗干擾性強(qiáng),使用單線連接的優(yōu)越性就體現(xiàn)出來了。此外,在家用電器中也可使用LIN總線,例如在洗衣機(jī)中,微處理器通過LIN總線的傳感器進(jìn)行水位、水流、水溫的測量,通過連在總線上的電動閥進(jìn)行給水和排水控制。因此 LIN總線技術(shù)的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)不是局限于汽車工業(yè),而在其他領(lǐng)域也同樣有著不可忽視的廣闊應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。