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节点总线成本车身控制模块单片机和本地互连网的作用

随着应用的不断扩展,今天和未来的单片机普及和车辆网络正在继续。单片机是车辆内各种电子控制模块的“大脑”,而网络则是“系统互连”。本地互连网络(LIN)是业界第一个提出车内ClassA开放多路复用协议标准。它定义了一个支持车辆内分布式车身控制电子系统的低成本的串行通信系统。LIN补充了由CAN引导的汽车多路复用网络的现有产品线。工业分析家指出,据估计到2010年每辆车将平均拥有20个LIN节点。车身控制应用代表了车辆中一个重要的领域,LIN有利于支持低成本子网络的简化,而不需要额外的带宽或产生复杂性。


通用的单片机,例如微芯科技的FlashPIC?单片机,其独特的程序存储器和外设的组合,非常适用于那些支持CAN和LIN标准的需要8位或16位单片机进行车身控制的应用

。微芯科技提供的广泛的多样化产品可为嵌入控制设计人员提供不同价格和性能的多种选择,以满足他们当前的设计项目的要求。


推进车身控制电子产品是汽车制造商生产更加令人愉悦、更加可靠和安全、更为智能化的车辆能力的基本要素。车身控制电子产品可通过简化车辆的操作,并使司机从分心的次要行为中解脱出来,从而改善车辆的安全因素。每个这样的电子控制模块必须解决先进性能和车辆网络连通性与竞争性价位的问题。由单片机供应商,诸如微芯科技提供的先进外设的集成,可以使系统设计人员具备一种市场竞争优势,他们可以创建其采用基于RISC的PIC?架构。


LIN是车辆网络子总线的一个通信概念。该规范涉及协议和物理层的定义,以及开发工具和应用软件的接口定义。LIN可以实现车内开关、智能传感器和执行器等应用的具有成本效益的通信网络,在这方面并不需要CAN的带宽和多功能性。该通信协议基于SCI(UART)数据格式,这是一种单主/从概念,是一种单线12V总线和无需稳定时基的节点时钟同步。LIN联盟围绕串行低成本通信概念和开发环境开发了这个标准,这使汽车制造商及其供应商能够以一种非常成本有效的方式创建执行和处理复杂的分级多路复用系统的方法。


LIN的典型车身控制应用
车身控制电子可改善车辆驾驶者的舒适性和安全性。LIN总线的典型应用是气候控制、照明、雨水传感器、智能雨刷、智能发电机、开关面板或射频(RF)接收器方面的车门、方向盘、座椅、马达和传感器等总成单元。LIN节点可以容易地连接汽车网络并易于访问所有类型的诊断和服务。此外,通常使用的信号模拟编码可以由数字信号取代,从而得到一条优化的配线束。
车顶:雨水传感器、灯光传感器、灯光控制、天窗,等等
车门:反光镜、中控ECU、反光镜开关、车窗升降、座椅控制开关、门锁,等等
气候:小型电机、控制面板
方向盘:导航控制、雨刷、灯光调节,等等
可选件:气候控制、收音机、电话,等等
座椅:座椅位置电机、人员在场传感器、控制面板
引擎:传感器、小型电机


在集中式车身控制系统中,执行器和传感器是通过一个具有CAN连通性的电子控制部件(ECU)进行硬连线的。ECU通过CAN链接与其他主ECU进行信号交换。如果本地执行器和传感器需要高计算性能,就需要选择硬连线。在那些本地性能低的系统中,可能需要选择基于智能执行器和传感器的分布式系统。选择这种配置是为了采用普遍可用的元件实现一个可升级的系统架构。


这种架构是具有成本效益的,由于电子元件的品种更少,本地智能和网络的附加成本可以通过生产和开发成本的节省得到补偿。这种架构的关键方法是子总线LIN标准、低成本机电和装配和半导体集成。


在LIN的低端应用中有两个关键因素:(a)与CAN相比,每个节点必须是低通信成本;(b)不需要CAN的性能、带宽和多功能性。LIN相对于CAN的主要成本节省是由以下因素推动的:(1)单线传输;(2)低成本的硬件或芯片内软件实现;(3)在从节点不必使用晶体或压电陶瓷。这些优点包括更低的带宽和限制性的单主节点总线接入方法。LIN和CAN协议的主要特性如下所示。

LINCAN
媒介接入控制单主节点多主节点
典型总线速度2.4至19.6kbd62.5至500kbd
多点发送信息路由6位标识符11/29位标识符
节点编码NRZ8N1(USART)位填充NRZ
每帧数据位2、4、8字节0至8字节
所需传输时间20kbd时为3.5ms125kbd时为0.8ms
4个数据位错误检测8位校验和15位CRC

物理层单线,Vbat双绞线,5V
时钟生成主节点:晶体,从节点:RC/压电陶瓷晶体
每节点相关成本0.51

LIN协议
LIN是一个基于通用SCI(UART)字节词接口的单线串行通信协议。LIN也可以用软件等效代码或纯状态机执行。LIN网络中的媒介接入是由主节点控制的,这样就不需要从节点仲裁或冲突管理,从而保证了信号传输(参见图2)没有最糟情况的延迟时间。
LIN的主要特性包括:
--低成本单线执行
--基于VBAT的增强型ISO9141
--速度高达20Kbps(由于EMC的限制)
--单主节点和多从节点概念
--没有仲裁需求
--基于通用UART/SCI接口硬件的低成本硅实现
--从节点自行同步,无需晶体或压电陶瓷
--显著减少了硬件平台的成本
--保证信号传输的延迟时间
--可预知的系统

  LIN的一个特殊特性是同步机制,它允许由从节点进行时钟恢复,而无需晶体或压电陶瓷。线驱动器和接收器的规范遵循某种增强的ISO9141单线标准。最高传输速度是20kbps,这是电磁兼容性(EMC)和时钟同步要求所致。


 除了主节点的命名外,LIN网络中的节点不使用任何与系统配置有关的信息。节点可以增加到LIN网络中,而无需改变其他从节点的硬件或软件。LIN网络的典型大小为12个节点(尽管这是不受限制的),这是由于少量的64个标识符和比较低的传输速度所致。时钟同步、UART通信的简单和单线媒介是LIN具有成本效益的主要因素。


通信概念
  LIN网络由一个主节点和一个或更多的从节点组成。所有节点都包括一个分为发送和接收任务的从节点通信任务,而主节点包括一个附加的主节点发送任务。主动LIN网络中的通信总是由主节点任务开始的。


 主节点发送一个由同步中断、同步字节和信息标识符组成的信息报头。正好一个从任务在接收和过滤标识符时被激活,然后开始传输信息响应。该响应包括两个、四个或八个数据字节和一个校验和字节。报头和响应部分形成一个信息帧。


  信息标识符表示信息的内容,而不是目的文件。这个通信概念可以实现各种方法的数据交换:从主节点(使用其从任务)到个一个或更多从节点,从一个从节点到主节点和/或其他从节点。直接在从节点开始将信号发送到从节点,而无需通过主节点进行路由是可能的,或从主节点将信息广播到网络中的所有节点。信息帧的顺序是由主节点控制的。主节点时序帧中的信息数目、顺序和频率是与波特率、系统响应时间和时间行为一起确定的。统的设计必须仔细,因为如果主节点错过了一个从节点的信息,由于主从的概念,这条信息将在下一个时序最先到达主节点。


  LIN协议提供了一个启动每个信息帧的专用同步模式,可使从节点在无需晶体或压电陶瓷的条件下,使其本地时基与主节点的时基保持同步。


LIN物理层
  LIN总线是由一个正电池节点Vbat的终止电阻器终端匹配电阻供电的单线总线。该总线的线收发器是一个ISO9141标准的增强型工具。总线可以采用两个补充的逻辑水平:代表一个逻辑‘0’的具有接近接地电气电压的显性值,以及代表逻辑‘1’的具有接入电池供电电压的电气电压隐性值。

  该总线利用一个主节点的1Ω上拉电阻和从节点上的30Ω电阻进行终端匹配。从节点终端匹配电容的典型值为220pF。主节点的电容比较高,是为了使整个线电容不依赖于从节点的数目。


LIN物理层的主要电气参数在以下列出:

参数典型值
通信速度9.6kbd,19.2kdb
电压水平13.5V
信号回转率2V/μs
终端匹配电阻器主节点:1kΩ
从节点:30kΩ
终端匹配电容器主节点:220pF
从节点:2.2nF
线电容100?150pF/m


LIN物理层的规范对收发器出了高性能的要求.收发器交换不应该干扰其他电子元件。特别需要注意的是必须满足汽车制造商的EMC要求

。利用波形成形或边缘圆化,可以最大限度地减少收发器的传导发射。


LIN总线系统实例:车门和反光镜模块
汽车车门中电子功能增加的数目是LIN总线用法的一个很好的例子。在进行保养时,可以增加或减少功能,而不会影响原来的系统设计,也不会影响其余从节点的硬件和软件。在开发过程中需要增加功能或选项,以及在车辆的LIN装配结束时,都可以对预先装配、预先测的试模块进行集成。车门LIN功能集群包括:
·车窗升降,有/无防夹控制
·马达PWM控制、车窗位置监控
·门锁执行器控制,包括马达控制(锁死)和车门开关控制
·开关面板控制
·开关照明
反光镜功能可以在更多的LIN从节点上进行集成,这取决于OEM为用户提供的可选功能计划的灵活性。这些反光镜功能包括反光镜上/下、进/出马达控制、加热、水坑灯、转向指示灯、减光(电镀反光镜)电动折叠。

总结
车身控制功能的持续进步,以及单片机和LIN协议是降低系统成本的关键因素。若干因素已在促进LIN作为一种“通用子总线网络标准”的扩展,其中包括:
·LIN的引进发生在车内电子控制模块经历戏剧性增长的时刻。今天的许多汽车方面的创新都是通过采用先进的电子概念实现的。用户追求车辆具有更多的舒适性与安全性为这个市场的开发添加了燃料。监管规范准则促进了这一趋势的发展。与此同时,汽车制造商需要从他们的供应商手中得到具有成本效益的实现方法。
·LIN是车内子网络具有成本效益的总线概念。它有助于优化系统成本和增加系统效率。在全球整个汽车工业中LIN概念不断找许多支持者。即使LIN联盟是由一个OEM、工具制造商和半导体厂商小组发起的,这个具有成本效益的通信开放串行总线标准已在保证统一的工具概念和适当的软件接口方面显示出了同时可用性。


作为用于实现分级车辆网络的驱动因素之一,LIN标准为涵盖了传输协议、传输媒介、开发工具之间的接口和软件编程界面等规范。LIN从硬件和软件的角度保证了网络节点的协同工作能力,并可预知EMC行为。LIN总线可满足车身控制应用在性能和成本方面的要求。它支持执行器和传感器设计的标准化和再用性。


车身控制应用受益于具有广泛存储器、外设和封装组合的基于闪存的单片机的持续进展,以及LIN作为一个低端多路复用解决方案标准的全球性支持。PIC单片机是通用的构建模块,有助于开发应对复杂的车身控制应用挑战的有效的解决方案,并且加快了汽车电子控制模块开发商的产品上市时间。

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