- LIN Bus簡介及實例
- LIN Bus技術現(xiàn)況
- 運作架構
- 系統(tǒng)最佳化技術
- 與CAN Bus的區(qū)隔
- 門控建置開發(fā)
LIN Bus在車用總線中以低成本、省資源為其特點，妥善運用將可提高汽車附加價值。本文將介紹LIN Bus技術現(xiàn)況、運作架構、系統(tǒng)最佳化技術、與CAN Bus的區(qū)隔，并以門控建置開發(fā)實例提供進一步的說明。
今日汽車的設計在安全、舒適、便利和環(huán)保等訴求下，對電子技術的仰賴日益加深。目前在汽車架構中的車體（Car body）、傳動系統(tǒng)（Power train）、安全系統(tǒng)（Safety）和車載資通娛樂系統(tǒng)（TelemaTIcs/Infotainment）等各個部分中，都可以看到愈來愈多的電子控制組件（ECU），它們賦與汽車更具智能性的操控能力，例如會自動檢查門窗、車燈是否關閉，在駕駛人進入車內(nèi)前自動接通電源，離開時則會檢查是否切斷電源等等。
目前汽車內(nèi)電子組件的連結愈來愈復雜，一臺車中平均存在著80個左右的電子組件或模組系統(tǒng)。過去采用傳統(tǒng)的電纜方式來連結車燈、電動機、電磁閥、加熱器、空調(diào)等設備，若以此方式來連結電子組件，龐大的纜線數(shù)量將造成車體重量的沉重負擔。因此，有必要導入標準化的總線技術，此舉除了降低建置的困難度及配線重量外，也能提升控制的精確性，而且比較不會有線路老化、磨損的問題。
在此趨勢下，已有各種總線技術出現(xiàn)在車載網(wǎng)路（In-Vehicle Network）當中，它們各有其技術特色，適合不同的應用領域。大致上可以分為五類：第一類是傳輸速度最低的LIN、TTP/A，適用于車體控制；第二類包括低速CAN、SAE J1850、VAN（Vehicle Area Network）等中速網(wǎng)路總線，適用于對即時性要求不高的通信應用；第三類包括高速CAN、TTP/C等，適用于高速、即時閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)；第四類包括IDB-C、IDB-M（D2B、MOST、IDB1394）、IDB-Wireless（藍芽）等，專門用在車載資通娛樂網(wǎng)路之中；第五類則包括 FlexRay和Byteflight，用在最具關鍵性、即時性最高的人身安全系統(tǒng)（請參考表一）。
本文將探討LIN的技術規(guī)格現(xiàn)況及在門控系統(tǒng)中的建置實例。
LIN Bus技術現(xiàn)況
區(qū)域互連網(wǎng)路（Local Interconnect Network, LIN）是基于序列通信協(xié)定的車載總線的子集系統(tǒng)（sub-bus system）。為了支持多個智慧性節(jié)點的分布式系統(tǒng)設計，LIN提供標準化的API以及軟件設計流程。它的傳輸速度雖然不高，但其低成本的特性，能為不需要用到CAN的裝置提供較為完善的網(wǎng)路功能，包括空調(diào)控制（Climate Control）、后照鏡（Mirrors）、車門模組（Door Modules）、座椅（Seats）、智能性交換器（Smart Switches）、低成本感測器（Low-cost Sensors）等，請參考圖一。
在重要規(guī)格的演進上，自1999年推出LIN 1.0版、2002年12月修訂LIN 1.3版，并在2003年9月再次發(fā)布LIN 2.0版規(guī)范，持續(xù)改進了LIN總線的性能與適用性。此外，美國汽車工程師協(xié)會（SAE）下屬的車輛架構任務組（Task Force）也基于LIN 2.0提出J2602規(guī)范，進一步降低了LIN 2.0中軟件單元的復雜性，此舉讓LIN從節(jié)點所需要的軟件代碼長度縮短，在建置上會更有效率。此外，市場上的領導業(yè)者也會針對LIN的效能提出改善技術，例如ST的LINSCI。一般來說，LIN的主要特色及優(yōu)勢包括：
- 采用一個主節(jié)點、多個從節(jié)點的概念（最多支持16個節(jié)點）；
- 由于基于普通UART/SCI接口協(xié)定，其軟硬件成本極低；
- 在從節(jié)點（slave node）中不用晶體振蕩器（crystal oscillator）或陶瓷諧振器（ceramic resonator）時鐘，也能做到自同步性，這能進一步降低成本；
- 信號傳播時間可預先計算，以滿足信號傳輸?shù)拇_定性；
- 基于應用交互作用的信號；
- 可達 20 kbps資料傳輸率；
- 總線電纜的長度最多可以擴展到40公尺；[page]
LIN Bus運作架構
LIN網(wǎng)路是基于「一主多從」的主從原則（master/slave principle）而形成的拓樸結構，因此需要由主節(jié)點周期性地對從節(jié)點發(fā)出詢問動作。周期的設定必須根據(jù)事件偵測的即時性要求，并將從節(jié)點的偵測結果傳送到到主控制器。
在LIN上傳輸?shù)挠嵦枺溆嵖蚪Y構上是由一個由主任務提供的標頭（header）和由從任務處理的回應部分（Response）所構成。標頭包含一個13 位的同步間隔欄位（synch break field）；一個由主任務產(chǎn)生的同步欄位（synch field）；以及一個辨識欄位（identifier field）。其中每一個位組欄位都以串行位元組方式發(fā)送，起始位元組的第一位編碼為“0”，而終止位編碼為“1”。
在回應部分則包含二、四或八個位組的資料欄位（data filed），以及一個位組的驗證欄位（checksum field）。由主任務執(zhí)行的訊框標頭會依整個LIN叢集的進度表決定每個訊框的傳輸時間，以確保網(wǎng)路不會超載，并能確保資料傳輸?shù)拇_定性。在LIN網(wǎng)路中只有主節(jié)點采用晶體振蕩器來為系統(tǒng)提供精確的基本時鐘，此時鐘會嵌入上述的同步欄位中，讓從任務能與主節(jié)點時序同步。請參考圖二。
LINSCI最佳化LIN系統(tǒng)
以標準SCI所建置的LIN網(wǎng)路雖已具備極佳的建置優(yōu)勢，但讓想讓系統(tǒng)等級獲得最佳化，仍存在一些限制。若想得到最佳化的LIN系統(tǒng)，必須考慮以下因素：
- LIN傳輸所需要的CPU負荷；
- 應用上所需要的時脈準確性；
- LIN傳輸?shù)念l寬；
- LIN界面的穩(wěn)定性/有效性；
因此，為了達到最佳化的需求，有必要在硬體技術上進行強化。ST的LINSCI即是經(jīng)過強化的硬體SCI埠，可透過減少CPU負載來提升系統(tǒng)效能；另外，其內(nèi)部的1MHz震蕩器、帶有運算放大器的快速10位ADC，以及低電壓檢測器的可修整重啟電路─可透過消除對這些功能所需之外部電路的需求來簡化系統(tǒng)設計并降低制造成本。8Kbyte的擴充快閃記憶體能在單一供給電壓下操作，以降低電路板復雜度并提供更快速的編程能力。
LINSCI可以被嵌入在一顆很小的8-bit MCU中，它的目的就是要讓從設備的LIN功能能完全發(fā)揮，其功能包括標頭偵測（Header Detection）、指示器（Identifier）和非相關位組過濾（Irrelevant Byte Filtering）、延伸性錯誤偵測（Extended Error Detection）和再同步化（Resynchronisation）等。LINSCI的訊框架構請參考圖三。
進一步來看，LIN的鮑率（Baud rate）是10kbps和20kbps，這很難達成標準SCI位時間取樣原則所需要的2%準確性。這是因為鮑率預定標器（prescaler）的有限分辨率所造成的。假設CPU的頻率是8MHz，LIN的鮑率是20kbps，由于LIN的時脈容忍度是15%，這造成2.33%的量化錯誤。在LINSCI 中則以12位unsigned定點值（即LDIV）來取代8位整數(shù)值的鮑率預定標器，能讓上述的量化誤差下降到0.15%。
門控系統(tǒng)建置案例
以下將以門控模組系統(tǒng)的建置，進一步說明LIN總線的應用及設計要求。在今日中階及高階車款中的門控系統(tǒng)，往往需要這些功能：
- 門鎖（lock）和防盜門鎖（dead lock latch）；
- 動力車窗（Power Window）升降；
- 踏腳燈（Footstep light）；
- 切換面板照明（Switch panel illumination）；
圖四顯示以LIN網(wǎng)路組成的門控系統(tǒng)，它的主控節(jié)點是由一個中央車體控制單元（Central Body ECU），它和車體CAN網(wǎng)路相連結。每個車門都由一個車門模組（DM-Driver, DM-Passenger, DM-RearRight, DM-RearLeft）所組成，能夠提供動力車窗及門鎖功能。此外，兩個前門都有后視鏡控制（MMR, MML）的從節(jié)點。在此系統(tǒng)中，還會有一個嵌在駕駛端的中央切換面板（Central Switch panel, SP），它是一個獨立的從節(jié)點，由它來控制所有的動力車窗、手動門鎖及后視鏡調(diào)整等功能。
此系統(tǒng)會對LIN網(wǎng)路形成下述要求：
- 當主控器收到從遙控鑰匙發(fā)出的有效訊號時，必須要啟動門控系統(tǒng)，從節(jié)點通常是通過CAN總線來接收；
- 當正確的鑰匙打開前門時，也同時啟動門控系統(tǒng)；從節(jié)點會直接反應而不需經(jīng)由與主控器的通訊；
- 對切換面板的詢問動作（Polling），以確保回應對各個驅動裝置控制（動力車窗、后視鏡調(diào)整、門鎖）的主動式切換；
- 對所有從節(jié)點的詢問動作，以得到車窗升降的位置狀態(tài)，以及車門的開關情況；
- 對所有從節(jié)點的睡眠模式控制（即電池供應操作模式）；
在清楚了LIN網(wǎng)路的要求后，我們必須選擇功能相符的微控制器（MCU）來達成。這些MCU必須針對車窗的升降提供防夾（AnTI pinch）、馬達的PWM控制及車窗位置的監(jiān)控功能；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(jiān)控，以及對后視鏡及切換面板的操控功能。（圖五）是門控模組的功能方塊圖架構。
在系統(tǒng)的規(guī)劃上，要一些注意的要領，這包括時序的準確性，也就是為了正確的運作，車門模組需要一個容忍度小于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。此外，針對安全性（如防夾）和便利性（如門鎖偵測）等功能，都會有實時性的要求。
以手動打開汽車門鎖的動作為例，從鑰匙插入門鎖到打開，可接受的延遲時間必須小于200ms，這表示反應時間很短。傳動馬達需要約100ms去打開門鎖，這只留100ms給MCU來完成從低功率模式啟動、偵測到鑰匙，并觸發(fā)傳動裝置等動作。因此這個網(wǎng)路必須采用LIN最快的傳輸速率，也就是 20kbps。而在20kbps的傳輸率下，CPU的反應時間必須要小于1ms，否則資料會漏失，LIN的傳輸會失敗。
另一個設計議題則是功耗，這對于多數(shù)的ECU來說都是很關鍵的。以門控系統(tǒng)來說，即使車子熄火了，系統(tǒng)仍需進行間隔性的監(jiān)控詢問動作，這就會造成車子電力的持續(xù)消耗。監(jiān)控的延遲間隔設定是蠻矛盾的事，因時間間隔太長，則會造成反應動作上的遲鈍現(xiàn)象，但太短，又會增加系統(tǒng)的功耗。[page]
故障安全設計
相較于車體CAN總線系統(tǒng)，LIN總線并不具有錯誤容忍性（fault tolerant），因此必須考慮短路時總線線路的故障安全（fail-safe）機制，也就是每個節(jié)點必須有能力分辨出短路的總線線路。反應動作必須遵循特定的程序（例如讓門鎖維持在打開的狀態(tài)，而每個節(jié)點的功耗應盡可能降低）。
以ST的L9638 LIN收發(fā)器為例，它能提供額外的故障安全裝置（fail-safe）功能，例如對短路狀態(tài)的處理。當MCU辨識出短路的LIN總線線路，電子控制器（ECU）可以把自己關掉，當收發(fā)器在消除短路狀況后還能夠重新啟動。
LIN Bus與CAN Bus有所區(qū)隔
目前電子控制組件已散布整臺車子，它們讓傳動及感測功能變得更有智能性。在本文介紹的LIN網(wǎng)路是屬于低傳輸速率的總線規(guī)格，但它的低成本及傳輸?shù)恼_性，仍然相當受到車廠的歡迎。據(jù)估計在歐洲新出廠的車子中，LIN的應用占了相當大的比例。
當然，LIN不會有和CAN總線控制網(wǎng)路相同的效能，因此，在某一特定的車載系統(tǒng)中，LIN總線是否能提供滿意的效能，就得看應用本身的需求而定。此外，透過專屬的設計，能夠讓LIN的功能得到全面性的發(fā)揮，例如將LIN協(xié)定以硬體方式建置（如LINSCI），可以讓LIN的驅動程序碼更為簡化，也能增加系統(tǒng)的可靠性。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總線本來就是為了與CAN形成區(qū)隔而設計的，以門控系統(tǒng)來說，它能大大降低從主控器連結到每個車門的線路數(shù)量，而成本也會比采用CAN總線控制的解決方案來得低。不過，如果是更關鍵性的應用，就得考慮成本更高的CAN，以兩線總線來提供容錯能力及更高的效能。
