门控系统LIN总线通信模块设计与实现

　　随着汽车业的飞速发展，汽车电控系统的配置不断升级，使得车辆上的电子元件越来越多，其相互连接的网络结构也越来越复杂。过去所采用的电缆连接方式所带来的庞大布线负担，容易造成车体过重和线路的磨损老化。在这种情况下，就需要引入标准的总线技术，从而降低车身重量，同时提高各个电控元件之间的通信可靠性。LIN总线一般应用于不需要高性能及带宽和复杂性较大的低端系统，如车门控制模块、座椅调节、车灯控制和空调系统中传感器和执行器之间的通信。由于其LIN总线成本较低，也可以独立用于不是特别复杂的车身控制网络中。

　　1 LIN总线协议简介

　　LIN（Local Interconnect Network）是一种低成本的串行通讯网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。LIN 的目标是为现有汽车网络（例如CAN 总线）提供辅助功能，因此LIN总线是一种辅助的总线网络。在不需要CAN 总线的带宽和多功能的场合，比如智能传感器和制动装置之间的通讯使用LIN 总线可大大节省成本。LIN 技术规范中除定义了基本协议和物理层外还定义了开发工具和应用软件接口。LIN 通讯是基于SCI（UART）数据格式，采用单主控制器/多从设备的模式。仅使用一根12V 信号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线。这种低成本的串行通讯模式和相应的开发环境已经由LIN 协会制定成标准。LIN 的标准化将为汽车制造商以及供应商在研发应用操作系统降低成本……LIN总线协议基于ISO参考模型中的物理层，数据链路层采用NRZ （Not Re－turn Zero）编码方式，电平分为隐性电平（‘1’）和显性电平（‘0’）。

　　1.1 物理层

　　LIN总线一般采用单总线（12 V）串行通讯，总线长度最大可达到40 m，传输速率最高可达到20 Kb／s，通常使用2.4Kb／s、9.6 Kb／s和19.2 Kb／s这三个波特率进行数据传输。由于从节点的个数除了受标识符数量的限制中，也受到总线的物理特性限制，节点过多必然减少网络阻抗，从而导致通讯条件变差，所以协议规定：一个LIN总线网络上的节点数目不能超过16个。

　　1.2 数据链路层

　　LIN总线协议的一个报文帧由报文头和响应组成，图2所示是LIN总线协议的报文帧结构。一般情况下，报文头都是由主节点发送，而响应则是由一个主节点或者一个从节点发送。报文头包含一个空白场、一个同步场和一个标识符场，而响应则包括1 到9个字节场（0～8个数据场和一个校验和场）。其中，字节场由字节间的间隔分开，报文头和响应则由帧内响应间隔分开，它们的最小长度皆为0。

　　报文头中的空白场可使节点能够识别一个报文的开始。空白场为13位或者持续更长时间的显性电平（‘0’）加上持续1个位时间以上的隐性电平（‘1’）组成。同步场则为一个字节长度（ox55），可用来使相关从节点进行主从节点的时钟同步。

　　标识符场格式如图3所示，定义报文的信息，长度为一个字节，其中前6位为标识符位，可定义26=64个标识符（其中保留4个标识符作为命令和扩展帧标识符），后2位为奇偶校验位。

　　标识符用于定义数据的传输方向和响应中数据场的长度，并从节点根据标识符判断报文是否与自己相关，而主节点要接收从节点发送的数据，则需要将此标识符定义为接收标识符，对于从节点来说，则需定义为发送标识符，反之亦然。

　　响应中数据场的长度由标识符位中的第4位和第5位（ID5和ID4）决定，它们将所有的标识符分成四组。每组有16个标识符，这些标识符代表着2、4和8 个数据场。当节点收到数据并进行校验时，要求所有数据字节和与校验和场的字节相加必须是0xFF。

　　1.3　LIN总线特点

　　低成本基于通用UART 接口几乎所有微控制器都具备LIN 必需的硬件。

　　极少的信号线即可实现国际标准ISO9141 规定。

　　传输速率最高可达20Kbit/s。

　　单主控器/多从设备模式无需仲裁机制。

　　从节点不需晶振或陶瓷震荡器就能实现自同步节省了从设备的硬件成本。

　　保证信号传输的延迟时间。

　　不需要改变LIN 从节点的硬件和软件就可以在网络上增加节点。

　　通常一个LIN 网络上节点数目小于12 个共有64 个标志符。

　　2 车门控制中LIN通信系统的设计

　　本设计方案主要采用英飞凌XC886单片机作为主节点控制器，以英飞凌的TLE7259芯片作为LIN驱动模块，这样可使主节点车门控制器可以通过LIN 总线与3个从节点车门控制器（TLE7810）进行通信。图4所示是车门控制系统的结构框图。

　　2.1 XC886与UN驱动模块的接口设计

　　英飞凌科技公司于1999年4月1日在德国慕尼黑正式成立，至今在世界拥有35,600多名员工，2004财年公司营业额达71.9亿欧元，是全球领先的半导体公司之一。作为国际半导体产业创新的领导者，我们为有线和无线通信、汽车及工业电子、内存、计算机安全以及芯片卡市场提供先进的半导体产品及完整的系统解决方案。英飞凌平均每年投入销售额的17%用于研发，全球共拥有41,000项专利。

　　英飞凌公司的XC886单片机是基于8051工业标准架构的高性能8位微控制器，其内部集成有CAN控制器并支持UN通信，同时包含两个UART（其中一个用于支持LIN）和两个单独16位计时器的捕捉／比较单元（CCU），可灵活产生PWM信号。XC886包含多种省功耗模式，非常适用于各种汽车车身控制网络以及工业和农业设备控制、建筑物照明控制、智能传感器和工业自动化等领域。

　　系统中的LIN驱动模块选用英飞凌公司的TLE7259芯片，它具有总线接地短路保护功能，适用于传输速率为2.4 kb／s～20 kb／s的车载系统通信网络。同时，该器件还具有极强的防静电放电（ESD）特性和优越的抗电磁干扰（EMI）能力。其基于固定斜率的斜率控制机制，还可实现在宽频带范围内优越的EMC性能。在XC886作为LIN总线主节点控制器的设计方案中，必须在TLE7259芯片的LIN＿BUS引脚与INH引脚之间连接一个1kΩ的电阻和一个反向二极管，并将TLE7259配置成主节点驱动模块。图5所示是系统LIN驱动模块的接口电路。

　　TLE7259芯片具有等待模式、正常模式和睡眠模式等三个工作模式。上电后。芯片立即进入等待模式，然后可通过EN引脚置1使之进入正常模式。在正常模式，XC886单片机可在TXD LIN管脚输入所需发送的数据流，并通过TLE725芯片转换成LIN总线信号，以控制转换速率和波形，从而降低电磁辐射（EME）。LIN总线的输出管脚（Bus）可通过一个内部终端电阻拉成高电平。TLE725芯片可在LIN总线的输入管脚检测数据流并通过管脚RXD＿LIN发送到XC886单片机。在正常模式下，将EN引脚置0可使芯片进入睡眠模式，此时的静态电流不超过8 mA，用户也可以通过LIN总线或本地引脚（WK）进行唤醒，使之重新进入等待模式。

　　2.2 LIN通信中主节点的软件实现

　　软件采用C语言模块化编写，易于维护。本设计方案中，LIN总线的传输速率设置为20 kbit／s，可在单主节点和3个从节点之间通讯，支持数据场长度设置为2个字节。第一个字节用于发送主节点控制命令或接收从节点状态信息，后一个字节为预留，可用于用户扩展。

　　通常由主节点向从节点发送控制命令，主要包括车窗升降控制、车门锁命令和后视镜调节控制等，表1所列是其控制命令的数据场定义。当车窗控制部分发送车窗无动作命令时（Bit2为0），可忽略后两位（Bit1和Bit0）判断，车窗保持原状。中控锁部分（Bit7）用于中控锁的状态比较，若位数据相同，则保持中控锁状态，若位数据不同，则驱动中控锁电机进行相应动作。

　　状态信息一般由从节点反馈给主节点，以用于故障诊断，主要包括车窗升降电机和继电器的短路和开路信息等，表2所列是状态信息的数据场定义。当主节点收到后状态信息后。若发现故障，则主节点控制器将使指示灯闪烁或者进行声音报警。

　　主节点初始化之后，系统将处于等待状态，同时检查是否有数据传输需求。主程序每10 ms检查一次主节点控制器的按键参数。当司机侧主控板上有按键动作时，系统会将相应按键数据转换成控制命令并通过LIN总线发送给从节点控制器；若没有按键动作，则要求从节点反馈状态信息，并分析其工作状态。图6所示是其主节点的程序流程图。

　　3 结束语

　　本文介绍了基于英飞凌公司的XC886单片机的车门控制系统的LIN总线通信模块的设计方法，并对其硬件设计和软件结构进行了简单的分析。运用LIN总线技术开发的车窗、后视镜和中央门锁控制系统，由于使用了低功耗的8位单片机，因而降低了成本，提高了系统性能，是汽车电子技术的发展方向。本系统程序采用C语言编写，具有很好的可读性和维护性。事实上，总线技术的发展是推动汽车电子进步的一大动力，总线技术的广泛使用则进一步促进了汽车生产商对总线开发的投人，因此，汽车总线的开发必然在将来的汽车工业中占据更为重要的位置。