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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:單個(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ⅰ２捎迷摲N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(pán)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(pán)、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(pán)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(pán)。當(dāng)鍵盤(pán)“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(pán)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。
飛思卡爾汽車及標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品市場(chǎng)部供稿
