汽车LIN网络解决方案浅析

　　在对汽车所有节点进行集中控制方面，本地互联网络(LIN)提供了一种低速率、低成本的实施方法。

　　LIN总线是针对低成本应用而开发的汽车串行协议。它对现有CAN网络进行了补充，支持车内的分层式网络。本文讨了几种LIN网络方案，并比较了各个解决方案的优劣势。 

　　　                              图1：单个LIN网路连接示意图。　　

　　LIN总线是针对低成本应用而开发的汽车串行协议，是对现有CAN网络的补充，支持车内的分层式网络。该协议是简单的主/从配置，主要流程在主节点上完成。为了减少成本，从节点应当尽量简单。

　　LIN总线是主从协议，总线中的所有数据传输都由主节点发起。现在有两种完全不同的方法可以将数据传输到从节点，即主-从传输(主节点中的从任务传输数据)或从-从传输(主节点发送帧头，从某个从节点传输数据，然后由另一从节点接收该数据)。这两种方法具有不同的优势和劣势。

　　LIN协议是时间触发型，不需要总线仲裁，同样可以计算每条信息帧在最差环境的定时。每条信息帧的传输都由主节点上执行的调度表控制。调度表在既定时间传输信息帧帧头。 

　　　                        图2：2个LIN网络连接示意图。　　

　　网络实施

　　本节主要介绍单个LIN网络、多个LIN网络和混合CAN/LIN网络的各个方面。

　　单个LIN网络(多个门节点)

　　在这类网络中，车身控制器模块(BCM)将通过单个LIN网络与其它所有节点相连。如图1所示：

　　这类网络有非常直接的结构体系，LIN连接有效地取代了CAN解决方案。虽然LIN协议最初是设计为对CAN进行补充(而不是替换CAN)，但是如图1所示的连接可以实现一个简单的LIN解决方案。 

　　                                       图3：CANLIN混合网络解决方案。　　

　　这还是一个能降低成本的解决方案，因为它不需要任何CAN节点。BCM是LIN 网络的主节点，所有LIN节点都可以接入LIN网络上传输的所有信息。采用该种解决方案，网络上通常拥有5个LIN节点。减少节点数量和定义初始信息传输方法使网络更直接有效。

　　但是，制订进度表(定义哪条信息会在网络中以什么顺序出现)比较困难。如果该系统使用从节点--从节点通信，就可以简化进度表的制订过程，因为它把把网络流量减少到最小程度。例如，如果一个车门有任何键盘操作，这时主节点需要作出决策：网络上的任何节点都能在同一个信息帧内做出响应。

　　这类网络信息流最短，从而引起的EMC问题最少。同时，流量密度的降低，还有助于减少辐射。此外，由于所有节点都通过单线连接，因而将接头数量减到最少，这样增加了可靠性。 

　　　               图4：LIN网络车门解决方案1。　　

　　两个LIN网络

　　为了克服单个LIN网络的缺点，部分公司开始使用双LIN网络。如图2所示。

　　BCM控制两个完全独立的LIN网络，使得制制订进度表变得相对简单，网络灵活性也增强，即使出现撞车事件，大部分网络保持完整性的可能性也很大仍能保持完整状态。同时采用两个完全独立的LIN网络，有利于各个网进行及时通信。

　　具备LIN分层结构的CAN

　　仅仅依靠LIN不能克服所有的局限。那么，在汽车应用中怎么应用LIN呢？我们在前面的介绍中提到，LIN是作为CAN的补充，而不是彻底替换CAN。图3是CAN/LIN混合网络的解决方案：

　　如前所述，通常BCM和四个车门通过一个CAN网络连接。这是目前大量生产商采用的典型方案。这时，每个车门内的高性能控制器(MCU)，如常见的飞思卡尔HC908AZ60A, 直接控制车窗和车镜。

　　采用LIN结构实现车门功能，就可以选择规格更小的MCU(如HC908GZ16)，它除了能为BCM通信提供必要的CAN接口，还有足够的资源去控制单个LIN网络。在本例中，驾驶员车门MCU除了是BCM 的CAN 接口，还是控制后视镜、键盘、锁和车窗升降等操作的LIN网络的主节点。

　　这样做虽然会增加车门内的MCU，但如果对MCU和LIN状态机进行合适的选择，就可以获得功能更强大、更灵活的分布式系统。 

　　　               图5：LIN网络车门解决方案2。

　　车门控制

　　前面的例子介绍了车门内部的典型LIN网络，同时还针对上面提及的局限性提出了解决方法。但是，现在车门网络仍然存在几个问题，特别是功能失效和安全问题。车镜是系统中最容易被破坏的部件，在市区驾驶时经常被人取走，从而造成网络中断，甚至给部分生产商带来无法承受的风险。在安全方面，大量罪犯可以轻松取走车镜，从而获得驾驶员车门MCU的直接接入。这又是一个重大风险。

　　有几种方法可以减少这种风险。方法之一如图4所示：

　　在本例中，车门内部有两个LIN网络。从图4可以看到，车镜与系统其它部分有效地隔离开，大大降低 车镜被取走而带来的危害。任何罪犯行为只能访问驾驶员车门MCU，但无法接入关键组件，如门锁等。
 
　　还有一种方法通过LIN子节点控制车镜。在本例中，安全和可靠性问题都能够有效解决。车镜由键盘MCU或LIN节点直接控制。两种方法都是合适的系统设计。 

　　　               表1：Lin规范中信息帧传输持续时间。　　

　　典型的LIN节点

　　上面介绍了车门内部的LIN网络。下面是车内常见LIN节点的例子。

　　驾驶员车门模块

　　在上面的系统中，该模块是车门网络的主节点，提供车门内部LIN网络的控制和定时功能。它能控制车门内所有LIN 节点，同时也充当车身控制模块(BCM)和本地LIN 网络之间的网关。

　　后视镜模块

　　典型的新型后视镜镜通常能够支持X、Y方向和折叠功能。车镜模块还保存车镜位置等详细信息，有时驾驶员或乘客车镜还安装温度感应器来持续监控外界环境。该信息一般被用作驾驶员信息，也可以作为复杂的发动机管理系统信息。车镜模块通常是LIN从节点。

　　车窗升降模块

　　电子车窗包括升、降和防夹控制。车窗升降节点一般是LIN 从节点，有时前车窗模块同时充当BCM的LIN从节点和后车门的主节点。

　　门锁模块

　　锁定功能包括“标准锁”和“童锁”。车门内部的LIN直接与模块连接，这也是实现童锁功能的前提条件，这样司机才能取消特定的门锁功能。门锁模块一般是LIN 从节点。

　　前开关面板

　　汽车舒适性控制的大量功能(如锁门、车窗升降和车镜控制的开关)有时集成到单个模块中，作为LIN网络的从节点。

　　通信方法

　　如前所述，LIN网络的数据通信主要包括两种不同方法：主-从数据传输或从-从数据传输。两种方法都由主节点控制，有各自的优势和劣势。

　　主-从通信

　　主节点传输信息ID，进而发送数据传输命令。网上所有LIN节点将该信息进行转换，然后再进行相应的操作。

　　根据该主-从通信模式，主节点内部有一个从节点正在运行。它对正确的ID进行响应，然后将规定的比特传输到LIN总线。不同LIN节点在网络中都拥有完整的LIN帧，同时还按照各自的不同应用提供主节点数据和流程。

　　例如，主节点可能希望所有门锁都打开，这样每个门锁节点被设定为对单个信息进行响应，然后完成开锁；或者主节点可能传输四条不同信息，然后选择性地打开门锁。

　　主-从通信模式将大部分调度操作转移到主节点上，从而简化其它节点操作。因此，LIN从节点硬件大幅减少，甚至可能减少为单个状态设备。另一个优势是，由于主节点能够同时与所有节点通信，已信息和要求的ID数量都大大减少。

　　主节点将所有数据通信发送到全部节点(然后在所有数据传输到其它设备之前从节点上接收该数据)，这样可以检查传输数据的有效性。该操作允许主节点对所有通信进行监测，减少或消除潜在错误。

　　但是，这种通信方法速度缓慢。这时，LIN节点很难及时地接收和处理数据，并选择性地将它传输给其它节点。

　　从-从通信

　　主节点同样发送信息帧头。但是，在从-从通信模式下，响应“从任务”的是远程节点，如键盘。当键盘“填满”信息帧数据字节时，网上所有节点都能看到整个传输过程，并响应相应的操作。本例中，车窗LIN 从节点响应键盘LIN节点数据。

　　与主-从通信相比，从-从通信方法更迅捷。各个信息帧上的节点共用信息，从而极大地提高响应速度。单个信息可以打开两扇车窗，关闭一个车门，打开三个车门或者移动车窗。这样就可以明显减少网上的数据流量。

　　但是，从-从通信方法也有不足：首先，各个从节点的时钟源未知，因此从节点将数据传输到网络时(根据主节点请求)，数据可能发生漂移。主节点有一个精确度很高的时钟，因此针对数据漂移得有很高级别的容差范围，但另一个接受数据的LIN 从节点却没有这么高，这会导致数据误译。其次，这种情况下，主节点不显示“从-从”通信已经失效。

　　信息帧传输持续时间

　　下表介绍了2、4、8字节信息在传输速率为600bit/sec 和19200bit/sec时的最长持续时间。本协议专用于1kbps和 20kbps之间的运行，建议在LIN技术规范中也使用这些传输速率。如表1所示。

　　这些数据可能看起来速率很慢(特别是与CAN 比较时)，但这样规定有多方面的原因，两大主要原因是最大限度地降低EMC辐射和简化从节点。

　　本文小结

　　随着汽车的一些智能控制功能转移到最小节点中，对于能满足这样要求的小而可靠的微处理器的需求不断增加。LIN网络方案使大量节点之间的互连变得简单、经济高效，因此是理想的解决方案。不过系统设计人员在设计时仍应考虑其它因素。