汽车车载网络结构

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1、汽车车载网络 LIN总线协议与技术概述 n 随着现代电子技术的不断发展和电子技术在汽 车系统中的不断应用 汽车的各种性能都得到了 极大的改善 现代驾乘人员对汽车各个方面的要 求越来越高 如视野性 方便性 舒适性和娱乐 性等 新的控制功能随汽车级别的提升不断增加 如中央门锁 灯光控制 玻璃升降 后视镜调 节 天窗控制 座椅调节和点火延时控制等 传 统的控制系统多采用继电器和独立模式控制 这 使得车内线束过多且布线复杂 从而造成了严重 的电磁干扰 使系统的可靠性下降 CAN LIN总 线技术的应用 取代了传统的线束 使信息交换 变得安全 迅捷 高效 n LIN Local Interconnect

2、 Network 是一种用于 汽车中分布式电子系统的新型低成本串行通信网 络 它由汽车厂商开发 专门应用于低端系统 作为CAN的辅助网络或子网络 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 动装置之间的通信 使用LIN总线可以大大节省 成本 目前 高 低速CAN和J1850总线已经成为标准 的车用网络总线 这些总线速度极高 具有高抗 电磁干扰性和高传输可靠性等优越的性能 但价 格也较高 大量的车身和安全性能方面的应用对 车用网络总线的性能要求并不太高 只需要一种 性价比更高的标准车用网络总线 而LIN总线正 好可以满足这一需求 因此 目前LIN总线技术 正被越来越广泛的应用到

3、车身电子中 nLIN协议是由欧洲车辆制造商协会开发用来进行 低成本 短距离 低速网络通信 其用途是传输 开关设置状态以及对开关变化响应 因此通信事 件是在百毫秒以上时间内发生 而不像引擎管理 等其它速度快得多的汽车应用 此协议支持在单 根线上进行双向通信 使用由RC振荡器驱动的低 成本微控制器 这样可以省去晶振或陶瓷振荡器 的成本 另外 此协议实际上是以时间和软件上 的代价换取硬件上成本的节约 LIN协议的每一 条消息都包含自动 波特率步进的数据 最高可以 支持波特率为20k 同时低功耗睡眠模式可以关断 总线 以避免产生不必要的功耗 总线可以由任 意一个节点提供电源 LIN总线简介 nLIN是

4、一种低成本的汽车网络 它是现有的汽车 多元网络的补充 nLIN总线的主要特征是 一个主节点 多个从节 点的概念 低成本 基于普通UART SCI接口硬件 相同的软件或作为纯状态机 自同步 在从节 点中不用晶体振荡器或陶瓷振荡器时钟 确定性 信号传输 信号传播时间预先可计算 低成本单 线实现连接 速度高达20kbps 基于应用交互作 用的信号 n LIN总线是一种串行通信网络 可以将开关 显 示器 传感器和执行器等简单控制设备连接起来 主要用于汽车中的分布式电子控制系统 LIN 采用单主机 多从机的总线拓扑结构 没有总线仲 裁 仅使用一根12V信号总线 主节点包含主任 务和从任务 从节点只包含从

5、任务 它不需要专 门的片上通讯模块 采用标准串行通信接口 USART 速率可达20kbps 总线长度不大于40m LIN总线作为一种辅助的总线网络 在不需要 CAN总线的优越性能的场合 相比于CAN总线具 有更高的性价比 n它有如下几个方面的优点 n LIN是一种低端网络系统 可提供简单的网络解 决方案 支持网络节点的互操作性 大大减少了 系统安装 调试和接线的成本和时间 LIN的通信量小 配置灵活 采用单线连接及单 主机 多从机的通信结构 无需总线仲裁 可保 证低端设备及电子控制单元简便 快捷的实时通 信 通过主机节点可将LIN与上层网络 如CAN 相 连接 实现LIN的子总线辅助通信功能

6、从而优 化网络结构 提高网络效率和可靠性 LIN的协议是开放的 任何组织和个人无需支付 费用即可获取 n LIN规范包括三个主要部分 LIN协议规范部分 说明LIN的物理层和数据链路层 LIN配置语 言部分 说明LIN配置文件的格式 和LIN API部 分 说明网络与应用程序间的接口 LIN协议的通信机制和帧结构如图3所示 LIN 网络中的每个节点都有一个从任务模块 主节点 还包含一个主任务模块 帧头由主任务发出 包 括同步间隙 同步场和信息标识符 所有节点中 的从任务 包括主节点 对信息标识符进行滤波 并发回数据场和校验场 字节场采用SCI UART 串行数据格式 LIN总线的结构 n使用一

7、个帧收发器连接LIN簇与物理总线 所有 的应用不直接访问这些帧 在帧和应用之间加入 了基于信号的交互作用层 interaction level 此外 在应用和帧处理程序层之间存在诊断接口和信 号交互作用层 nLIN系统由一个主节点和多个从节点 最多16个节 点 构成 主任务发送的帧由一个报头和不同从任 务的一个响应消息构成 图2所示为由不同从任务 响应的主任务报头 图2 主节点和从节点的工作过程 n图3所示为LIN帧的结构 该帧由一个间隔 break 字段后跟4到11个字节的字段构成 每一个字节字段都以串行字节方式发送 起始字节的第一位编码为 0 而终止位编 码为 1 图3 LIN帧结构 LI

8、N总线特性 nLIN总线融合了I2C和RS232的特性 像I2C总线那样 LIN 总线通过一个电阻上拉到高电平 而每一个节点又都可以 通过集电极开路驱动器将总线拉低 像RS232那样通过起 始位和停止位标识出每一个字节 每一位在时钟上异步传 输 图1给出了典型的LIN协议配置 当任意一个节点将总线拉 低时 总线处于低电平 标识着总线进入占用状态 而当 所有节点都使总线浮空时总线处于电池的电压 9 18V 则 意味着总线处于非占用状态 Recessive state 在空闲状态 下浮空的总线通过电阻被上拉到高电平 n总线工作在9到18伏的电压下 但所有连接到总线 上的器件必须能承受40V的电压

9、一般情况下 微 控制器通过线路驱动器或接收器与总线隔离 总 线在每一个节点上被端接到V bat 主节点通过一 个1k 的电阻端接而从节点则通过一个20k 到 47k 的电阻端接 总线最大长度为40米 n 总线上传输的每一个字节都是与起始位和停止位 一起组成帧 起始位的状态与空闲状态相反 即为 0 而停止位则与空闲状态同为1 在每个字节中 首先传输的是最低有效位 LIN总线技术及其应用研究 n引言 n LIN 本地互联网络是一种将开关 显示器 传 感器及执行器等简单控制设备连接起来的串行通 信网络 主要用于实现汽车中的分布式电子系统 控制 因其主要目标是为汽车网络 如CAN总线 提供辅助功能 因

10、此通常作为子网络 用于一些 不需要诸如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信 使用LIN 总线可大大节省成本 该低成本的串行通信模式 和相应的开发环境已经由LIN协会制定成标准 为汽车制造商以及供应商在研发 应用电子产品 方面降低成本 但是 LIN的应用并不局限于汽 车领域 在诸如工业控制领域也理所应当占有广 阔的应用地位和前景 nLIN 总线的技术特点包括 单主机 多从机结 构 没有总线仲裁 基于普通UART SCI 接口 的低成本硬件 低成本软件或作为纯状态机 带时间同步的多点广播接收 从节点无需石英或 陶瓷振荡器 确定性的信号传输 低成本的 单线实现 速率可

11、达20 kbit s 总线长度 40m 保证信号传输的延迟时间 可选的数 据场长度0 8bytes 灵活性的配置 数据校验 和的安全性和错误检测 网络中故障节点的检 测 使用最小成本的半导体元件 小尺寸 单芯片 系统 不需改变LIN从节点的硬件和软件即可 在网络上增加节点 通常一个LIN 网络节点数 小于16 个 nLIN2 0总线技术 nLIN2 0版本反映了LIN协会的定义趋势 通过比 较LIN1 3和LIN2 0规范 可看到最重大的两个变 化是对于配置和诊断的标准化支持 以及指定节 点能力文件 这都是为了要简化现有节点的使用 LIN工作原理是基于单主 多从概念 在一个 LIN簇中 由一个

12、主节点以及数个从节点构成 主节点由主机任务和从机任务组成 而所有其他 的节点只包含从机任务 图1所示为典型的LIN簇 即一个主节点 两个从节点 主机任务决定何 时以及传送哪一帧 而从机任务则传送帧数据 n图1所示为典型的LIN簇 即一个主节点 两个从节点 主机任务决定何时以及传送 哪一帧 而从机任务则传送帧数据 图1单主多从原理图 nLIN2 0报文帧由帧头和帧响应组成 其中帧头由主机任务 传送 帧响应由从机任务传送 每个报文帧都包含2 4 8字节的数据 报文帧的结构由一个同步间隔域 Break 以 及随后的4至11个字节域 byte field 构成 如图2所示 n n表1 LIN总线和CA

13、N总线性能比较 n表1 LIN总线和CAN总线性能比较 由表1可见 LIN总线的整体性能要比 CAN差很多 但LIN总线较CAN总线的最大 优势在于实现成本比较低 由于LIN面向的 是并不需要CAN的性能 带宽及复杂性的 低端系统 因此在这些场合中LIN有较为广 泛的应用 n LIN总线及其在汽车分级制网络中的应用 n1 引言 n总线通讯技术自20世纪80年代开始应用在汽车上 之后 1 便在电子技术和汽车技术的推动下飞速 发展 目前已形成了适用于不同场合的多种汽车 总线标准 如MOST CAN TTP LIN等 汽车 总线中通讯节点和数据流量持续增加 节点日益 复杂 使得汽车总线在重量 布置

14、成本 通信 效率等方面面临困境 走出这一困境的出路在于 实行汽车总线的网络化和分级制 A类总线 局域互连网LIN Local Interconnect Network 因 此应运而生 LIN是一种结构 n分类 速 度 应 用 nA 10Kbps100Kbps 实时控制 悬架控制 牵引控制 发 动机控制ABS系统等 n简单 配置灵活 成本低廉的新型低速串行总线 主要用作CAN等高速总线的辅助网络或子网络 在带宽要求不高 功能简单 实时性要求低的 场合 如车身电器的控制等方面 使用LIN总线 可有效的简化网络线束 降低成本 提高网络 通讯效率和可靠性 n汽车网络分类 nA类总线协议有许多种 然而长

15、久以来却没有一 种协议能成为该领域的通用标准 1998年Audi Motorola BMW DaimlerChrysler VCT Volvo 和Volkswagen七家公司联合成立了LIN协会 在潜 心研究A类总线的基础上提出了新型A类总线 LIN 该总线一经面世 即以其低廉的成本优异 的性能广为各大厂商所接受 有望成为A类总线 的国际标准 n标识符指出当前帧的内容 从机节点据此来确定 自己是否应该对当前帧做出响应 做出何种响应 n响应由从机任务发送 它由数据场和校验和场组 成 数据场由报文帧所携带的数据组成 长度为 一到八个字节 报文帧的最后为校验和场 长度 为一字节 LIN1 3及其以前

16、的规范版本中规定校 验和场仅对数据场作校验 称为传统校验和 LIN2 0规范中规定校验和场校验范围包括数据场 和标识符场 称为增强校验和 nLIN总线规范的初始版本LIN1 0由LIN协会 在1999年7月发布 后几经修订 现行版本 为LIN协会在2003年9月发布的LIN2 0 LIN 规范包括传输协议规范 传输媒介 开发 工具接口和软件程序编制接口 LIN的规范 化将改变低端汽车网络杂乱的现状 并将 降低汽车电子设备的开发 生产 服务和 维护成本 nLIN拓扑结构 nLIN采用单主机多从机模式 一个LIN网络 包括一个主机节点和若干个从机节点 n 由于过多节点将导致网络阻抗过低 一 个LIN网络中节点总数不宜超过16 主机 节点既包括主机任务也包括从机任务 从 机节点都只包括从机任务 主机节点也可 以通过网关和其他总线如CAN连接 nLIN数据传输 nLIN总线中数据借助报文帧来传输 报文帧由报 文头和响应组成 n报由主机任务发送 它包括同步间隔场 同步场 和标识符场三个部分 同步间隔场为至少13个连 续的显性位 低电平 它标志文头只能着一个 报文帧的开始 其后为同步场 同步场逻辑