LIN总线在车身控制中的应用性研究

LIN总线简介
LIN总线主要用于汽车电子控制系统，构成CAN、TTP/C等高速总线的辅助网络，实现汽车网络的分级制结构，以简化线束，合理利用网络资源，节约成本。

LIN网络设计中关键问题是LIN总线接口的软件和硬件设计。笔者在研究LIN规范的新修订版本LIN2.0的基础上设计了基于该规范的LIN节点，针对LIN接口设计中几个关键问题提出了解决方法。

LIN节点硬件设计
1 LIN接口总体设计
LIN节点硬件上主要包括LIN接口电路部分、控制输入部分、显示电路或负载驱动输出等，其中LIN接口为节点的核心。以Microchip公司的PIC16F87为控制器、TJA1020为LIN收发器、SA57022 为开关电源的LIN接口电路如图1所示。SA57022电源输出的打开与关断由LIN收发器控制通过INH引脚控制。

图1 LIN接口原理图

因主机节点需为网络中的从机节点提供时钟基准，故在主机节点中为PIC16F87配置了外部晶振。在从机节点中，从机节点可通过主机节点发送帧头中的同步场来校准自身波特率，故可省去外部晶振而使用PIC16F87内置的RC振荡器。

2 LIN收发器应用设计
TJA1020为LIN收发器，它是LIN 协议控制器和LIN传输媒体之间的接口，是节点的核心器件，负责收发数据时总线的波形调整和电平转换及节点多种工作模式的实现。TJA1020按LIN物理层规范集成了片内从机端电阻，在从机节点应用中无须再外接从机端电阻，在主机节点应用中按图1所示在其INH引脚和LIN引脚之间串接主机端电阻和二极管可提高总线的驱动能力，并在总线对地短路时使节点自动进入睡眠状态，减少电流损耗。

以TJA1020为收发器构造的LIN节点具有普通、低斜率、睡眠、准备四种工作模式，以尽可能降低功耗和电磁辐射，各种模式下的节点状态和模式间转换如图2所示。

图2 工作模式的节点状态以及模式间的切换

LIN节点软件设计
1 LIN主机节点软件设计
LIN主机节点行使帧处理和LIN网络的通信管理职能，程序流程如图3所示。

图3 主机程序流程

LIN规范规定，同步间隔场为至少13个连续的显性位(低电平)。LIN 通信基于通用UART/SCI接口，字节传送使用8N1编码，无法直接产生这样一个显性序列。

总线的正常通信波特率为9.6k，从机节点始终以此波特率工作，主机节点在需要发送同步间隔场时将波特率降低到4.8k，并发送0x00，则工作于9.6k波特率的从机节点将检测到18个连续的显性位，从而判断一个新报文帧的到来。主机节点在发送完同步间隔场后将波特率恢复到9.6k。

2 LIN从机节点软件设计
LIN从机节点的职能可概括为帧头检测与接收和帧处理这两部分。在每个报文帧的帧头中由配置晶体振荡器的主机节点通过同步场给从机节点提供波特率基准，从机节点通过测量同步场来校准自身波特率，以保证在报文传输中各节点之间的同步。

同步场逻辑值为0x55，波形如图4所示。从机节点通过测量同步场中第1和第5个下降沿之间的时间间隔来计算校准自身波特率。

图4 同步场波形图

设主机节点和从机节点的串行口均工作于方式1（8位UART，波特率可变），主机节点波特率为B，从机节点以定时器测量同步场第1和第5个下降沿得到的计数个数为C，从机节点振荡器当前频率为fs，得到式（1）。
                  (1)

设从机节点计数器1作为波特率发生器工作于常数自动重新装入的8位定时器/计数器方式，得到式（2）。
        (2)

使从机节点与主机节点同步，则令：
Bs=B                       (3)

由式(1)～式(3)可得到式（4）。
            (4)

从机节点以由式(4)计算得到的N值作计数器1产生波特率的重新装入值，可产生与主机节点一致的波特率。

节点制作与实验
利用该设计制作LIN节点构建LIN网络，对其进行了通信试验和初步的抗干扰试验。由于报文帧头和报文帧响应均由主机节点发送，报文帧帧头和报文帧响应间的帧间响应间隔较小。

当LIN从机节点在LIN主机节点的引导下相互传送指令或信息时，LIN网络上进行从机节点到从机节点的数据传输，此时LIN主机节点发送报文帧帧头，一个LIN从机节点发送报文帧响应，另一个或几个LIN从机节点接收报文帧响应。由于这种报文帧传送需要3个甚至3个以上节点参与，故预留了较长的帧间间隔，以便报文帧响应的发送节点和接收节点有充足的响应时间，确保报文帧传送的顺利完成。

当LIN主机节点向某从机节点请求数据时，LIN总线上进行从机节点到主机节点的数据传输，此时LIN主机节点发送报文帧头， LIN从机节点接收报文帧帧头后发送报文帧响应， LIN主机节点接收报文帧响应。
汽车电磁环境恶劣，因此汽车通信系统的抗干扰能力尤为重要，按该设计制作的LIN网络在BZ-5型汽车电火花干扰试验台上进行了抗干扰实验，试验中网络通信顺利，各项功能正常。

结束语
在车身控制系统中应用LIN总线降低了低端通信网络的成本，同时增加了设计的灵活性，提高了系统的可靠性，有利于分布式车身控制系统的开发。多种工作模式的实现和它们之间的转换可减少电能消耗和电磁辐射；调整波特率产生帧头的方法可摆脱对额外或特殊器件的依赖；从机节点自同步的实现可减小节点体积降低成本。