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動力和車速已經不再是消費者對汽車性能的唯一追求，人們越來越關心駕車時的舒適感、安全保障、功能的易用性，和對環境的保護等方面。因此，除了車身系統（Car body）和傳動系統（Power Train）等傳統的汽車控制單元以外，安全系統（Safety）和車載資通娛樂系統（Telematics / Infotainment）也隨著電子技術的進步而逐漸成熟。 現代的汽車電子系統中，電子控制組件（ECU）因在上述系統中賦予汽車更高效和更具智能性的操控能力而扮演了重要角色，也實現了諸如電源、車燈和門窗等自動檢測功能，給駕駛提供了更大便利。 汽車中的電子系統和組件平均達到80多個，它們之間越來越復雜的連接和通信功能對總線技術提出了需求。車燈、發動機、電磁閥、空調等設備的傳統連接方式為線纜連接，而如果電子元件之間也用電纜連接則必然造成連接復雜性的提高、可靠性的下降，和整體重量的上升；此外，伴隨而來的線纜的磨損和老化現象也將使汽車的安全性能降低。 為避免線纜帶來的各種麻煩，車載網絡（In-Vehicle Network）中應用標準化總線技術則成為較理想的解決方式。按不同的技術特點和應用領域，車載總線技術可分為五類。如表一所示，第一類LIN、TTP/A等總線傳輸速度最低，適用于車體控制；第二類中速總線，如低速CAN、SAE J1850、VAN（Vehicle Area Network）等，適用于對實時性要求不高的通信應用；第三類包括高速CAN、TTP/C等技術，適用于高速、實時死循環控制的多路傳輸網絡；第四類如IDB-C、IDB-M（D2B、MOST、IDB1394）)、IDB-Wireless（Bluetooth）等，一般應用于車載資通娛樂網絡；第五類傳輸速度最高，用于最具關鍵性、實時性最高的人身安全系統，包括FlexRay和Byteflight等。 本文將主要討論LIN總線技術規格及在門控系統中的應用實例。 表一 車載網絡總線標準 LIN技術概況 LIN總線全稱為區域互連網絡（Local Interconnect Network），是一種結構簡單、配置靈活、成本低廉的新型低速串行總線，和基于序列通訊協議的車載總線的子集系統（Sub-bus System）。 LIN總線為主從節點構架，即一個主節點（Master Node）最多可支持16個從節點（Slave Node）；在從節點中不用晶振（Crystal Oscillator）或陶瓷諧振器（Ceramic Resonator）時鐘，也能做到自同步性。LIN基于UART / SCI接口協議，可實現極低的軟硬件成本；其信號傳播時間可預先計算，以滿足傳輸的確定性。總線電纜的長度最多可以擴展到40米左右，數據傳輸率可達 20 kbps。 1999年，LIN 1.0版推出后，不斷有新版本出現（LIN 1.3、LIN 2.0），持續改進了LIN總線的性能與適用性。美國汽車工程師協會（SAE）下屬的車輛架構任務組（Task Force）也基于LIN 2.0提出J2602規范，此舉讓LIN從節點所需要的軟件代碼長度縮短，進一步降低了LIN 2.0中軟件單元的復雜性，可實現更高效的系統配置。此外，主流廠商也會針對LIN的性能推出改進版本或技術，例如意法半導體的LINSCI。 圖一 LIN總線應用領域 LIN主要用作CAN等高速總線的輔助網絡或子網絡，能為不需要用到CAN的裝置提供較為完善的網絡功能，包括空調控制（Climate Control）、后視鏡（Mirrors）、車門模塊（Door Modules）、座椅控制（Seats）、智能性交換器（Smart Switches）、低成本傳感器（Low-cost Sensors）等。在帶寬要求不高、功能簡單、實時性要求低的場合，如車身電器的控制等方面，使用LIN總線可有效的簡化網絡線束、降低成本、提高網絡通訊效率和可靠性。 LIN網絡架構 如上文所述，LIN網絡基于主從節點構架而形成網絡拓撲結構。主節點需要向從節點發出周期性的檢測信號，檢測結果由從節點反饋給主控制器。其中周期根據事件檢測的實時性要求而設定。 如圖二所示，LIN的信號由一個由主任務提供的標頭（Header）和由從任務處理的響應部分（Response）構成。標頭包含一個13位的同步間隔字段（Synch Break Field）、一個由主任務產生的同步字段（Synch Field），以及一個辨識字段（Identifier Field）。其中每一個字節字段都以串行位元組方式發送，起始位的第一位為“0”，而終止位為“1”。由主任務執行的信號標頭會依整個LIN叢集的進度表決定每個信號的傳輸時間，以確保數據傳輸的確定性及避 免網絡超載的危險。在LIN網絡中只有主節點采用晶體振蕩器來為系統提供精確的基本時鐘，此時鐘會嵌入上述的同步字段中，讓從任務能與主節點時序同步。LIN信號的響應部分包含一個數據域位（Data Filed），長度為2 / 4 / 8個字節，和一個長度為一個字節的驗證字段（Checksum Field）。 圖二 LIN信號結構示意圖 LINSCI LINSCI可以集成在8位MCU中，可實現標頭偵測（Header Detection）、指示器（Identifier）和非相關字節過濾（Irrelevant Byte Filtering）、延伸性錯誤偵測（Extended Error Detection）和再同步化（Resynchronisation）等功能。其作用是使從設備的LIN總線功能更有效地發揮。 LINSCI也可以實現更高的精度。LIN總線的波特率（Baud Rate）預定標器（Prescaler）一般為8位整型值，分辨率有限，使得很難達成標準SCI位時間取樣原則所需要的誤差率為2%的準確性。LIN總線波特率一般為10kbps和20kbps，如果按20kbps計算，假設CPU頻率為8MHz，由于LIN的頻率寬容度為15%，量化錯誤將達到2.33%。LINSCI的預定標器則以12位無符號（Unsigned）定點值（即LDIV）代替8位整型值，量化誤差則可下降到0.15%。 圖三 LINSCI數據結構圖 實現LIN系統的最優化包含許多方面因素。雖然以標準SCI所建立的LIN網絡已具備極佳性能，但LIN數據傳輸所需要的頻寬和CPU負荷，應用上所需的頻率準確性，以及LIN界面的穩定和有效性等都是應該考慮的因素。此外，硬件技術上的強化也十分必要。 ST的LINSCI即可通過這些手段實現更高的效率和更低的成本。首先，經過強化的硬件SCI端口減少了CPU負載，相應提高了系統效能。低成本主要由高集成度獲得，其內部集成了1MHz震蕩器、帶有運算放大器的快速10位ADC，以及帶有低電壓檢測器的可配置重啟電路，簡化了外部電路和系統設計，降低了制造成本。同時，8KB的擴展內存能在單一供給電壓下操作，除了提供更快速的編程能力，還降低了電路板的復雜程度。 汽車門控系統架構實例 以汽車門控系統舉例。如圖四所示，目前中高檔車型的門控系統主要包括車門鎖（Lock）、防盜門鎖（Dead Lock Latch）、動力車窗（Power Window）、踏腳燈（Footstep light），及切換面板照明（Switch Panel Illumination）等。其主節點為一個與車體CAN網絡相連的中央車體控制單元（Central Body ECU），每個車門都有一個車門模塊，即按四門的車身則為DM-Driver（司機位置）、DM-Passenger（副駕駛位置）、DM-RearRight（右后門）和DM-RearLeft（左后門）提供門鎖和動力車窗等功能；另外兩個前門還有MMR和MML左右后視鏡控制模塊。駕駛端的中央切換面板（Central Switch Panel）是一個獨立的從節點，控制所有的動力車窗、手動門鎖及后視鏡等功能。 圖四 LIN網絡門控系統示意圖 汽車門控系統的應用場景對LIN網絡提出了以下需求：當主控器收到從遙控鑰匙發出的有效信號時，必須要啟動門控系統，從節點通常通過CAN總線接收；當正確的鑰匙打開前門時，也同時啟動門控系統；從節點會直接反應而不需經由與主控器的通訊；切換面板的詢問動作（Polling）功能，以確保響應對各個驅動裝置控制，如動力車窗、后視鏡調整、門鎖等的主動式切換；對所有從節點的詢問功能，以得到車窗升降的位置狀態，以及車門的開關情況；以及系統對所有從節點的睡眠模式控制（即電池供應操作模式）等。因此門控系統的MCU也需要與上述功能相符，例如必須針對車窗的升降提供防夾（Anti-Pinch）功能、馬達的PWM控制及車窗位置監控；能以SPI接口來控制門鎖馬達；對于車鑰匙的拔出及開門的動作，能夠提供電源供應模式的接觸式監控，以及對后視鏡及切換面板的操控功能等。 圖五 門控模塊功能架構圖 對上述功能的參數設置上，也有一些需要考慮的因素，例如時序的準確性和動作的實時性等。以手動打開汽車門鎖的動作為例，從鑰匙插入門鎖到打開，需要快速的響應，可接受的延遲必須小于200ms。而在此期間，傳動馬達大約需要100ms打開門鎖，因此留給MCU來完成從低功率模式啟動、偵測到鑰匙，并觸發傳動裝置等動作的所有時間只有100ms。LIN總線波特率一般為10kbps或20kbps，如果按最快的20kbps計算，為保證數據傳輸的成功，則CPU的響應時間必須小于1ms。此外，針對系統 的安全性（如防夾）和便利性（如門鎖偵測）等功能，都會有實時性的要求。 時序的準確性是為了實現正確的運作和流程。車門模塊需要一個寬容度小于3%的時間參考，車窗防夾（Anti-Pinch）功能的復雜算法就需要這種準確性。 功耗與節能是對于多數ECU來說是十分關鍵的因素。以門控系統來說，系統在車輛熄火以后仍需進行間隔性的監控詢問動作，會造成電力的持續消耗。而監控的延遲間隔設定很難取舍，因為時間間隔太長，則會造成反應延遲；太短的話，又會增加系統的功耗。 故障安全設計 故障和安全也是系統設計的重點，例如短路時總線線路的故障安全（Fail-Safe）機制。因為LIN總線與車體CAN總線系統相比，不具有容錯性能（Fault Tolerant），因此每個節點必須有能力分辨出短路的總線線路，同時反應動作必須遵循特定的程序。 L9638是ST推出的LIN收發器，可提供額外的安全故障功能，可有效處理短路等故障。當MCU發現短路的LIN總線線路，ECU可自關閉；而收發器在消除短路狀況后仍能夠重新啟動。 結論 通過靈活的配置，LIN可在多種應用中發揮全面的性能。例如將LIN協議以硬件方式建置（LINSCI）可以增加系統的可靠性和簡化LIN的驅動程序碼。MCU的設計也是一大關鍵。以ST72F361為例，它在標準MCU上提供先進的SCI接口，并支持LIN的功能，除了能降低CPU的負荷外，也能省卻較高成本的精準時序資源。 LIN總線屬于低速率傳輸標準，不具備CAN總線的性能，主要定位于CAN的關鍵性應用以外的場景中（高速、高效率、高容錯性能等）。設計車輛電子系統時，需要根據具體的需求和技術要求合理選用適合的技術標準，才能讓LIN和CAN發揮自己特有的優勢，并節省成本。LIN總線以其低成本及高可靠性贏得了獨特的市場空間，預計在歐洲新出廠的車輛中，LIN總線的應用將占有相當大的比重。 |
