介紹

長期以來,，許多大的汽車生產(chǎn)商采用的是對汽車所有節(jié)點進行集中控制的解決方案。這些采用集中控制的節(jié)點負責為車窗升降,、鎖門和車鏡位置調整等幾種用戶操作提供接口和控制,。

過去，這些采用集中控制的節(jié)點基于高性能的MCU,，這個MCU負責處理模塊中的各種功能,。

模塊通常通過CAN總線連接，現(xiàn)在該方法已在大量汽車平臺中得到實施,。雖然該方法能夠解決大量聯(lián)網(wǎng)問題,，但同時也導致基礎結構太過復雜、速率要求過高,。

汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢繼續(xù)對生產(chǎn)商提出更多要求,。創(chuàng)新和功能增強一直是競爭市場的驅動因素：在現(xiàn)有平臺上實施這些功能已變得越來越困難。

增強各個集中控制節(jié)點的MCU功能是解決問題的一個途徑,，但是,，MCU規(guī)格增大、互連數(shù)量增加,、缺乏靈活性等問題最終會導致效率降低,。

還有一種方法是降低集中控制的集成度，將部分功能移植到更小,，更可靠的節(jié)點,。本地互聯(lián)網(wǎng)絡（LIN）是實現(xiàn)該目的的理想網(wǎng)絡，提供了一種低速率,、低成本的實施方法,。

本文將以本地互連網(wǎng)絡為例，重點介紹這些簡化的網(wǎng)絡,。將討論幾種LIN網(wǎng)絡方案,，并且比較各個解決方案的優(yōu)劣勢,。

LIN概況

LIN總線是針對低成本應用而開發(fā)的汽車串行協(xié)議。它對現(xiàn)有CAN網(wǎng)絡進行了補充,，支持車內的分層式網(wǎng)絡,。本協(xié)議是簡單的主/從配置，主要流程在主節(jié)點上完成,。為了減少成本,，從節(jié)點應當盡量簡單。

LIN總線是主從協(xié)議,，總線中的所有數(shù)據(jù)傳輸都由主節(jié)點發(fā)起?，F(xiàn)在有兩種完全不同的方法可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇墓?jié)點，即主-從傳輸（主節(jié)點中的從任務傳輸數(shù)據(jù)）或從-從傳輸（主節(jié)點發(fā)送幀頭,，從某個從節(jié)點傳輸數(shù)據(jù),，然后由另一從節(jié)點接收該數(shù)據(jù)）。這兩種方法具有不同的優(yōu)勢和劣勢,。

使用LIN協(xié)議的信息傳輸定時是可以預測的,。該協(xié)議是時間觸發(fā)型，不需要總線仲裁,，同樣可以計算每條信息幀在最差環(huán)境的定時,。每條信息幀的傳輸都由主節(jié)點上執(zhí)行的調度表控制。調度表在既定時間傳輸信息幀幀頭,。

網(wǎng)絡實施

本節(jié)主要介紹單個LIN網(wǎng)絡,、多個LIN網(wǎng)絡和混合CAN/LIN網(wǎng)絡的各個方面。

單個LIN網(wǎng)絡（多個門節(jié)點）
在這類網(wǎng)絡中,，車身控制器模塊（BCM）將通過單個LIN網(wǎng)絡與其它所有節(jié)點相連,。如下圖所示：

這類網(wǎng)絡具有非常直接的結構體系，LIN連接有效地取代了CAN解決方案,。雖然LIN協(xié)議最初是設計為對CAN進行補充（而不是替換CAN）,，但是如上圖所示的連接可以實現(xiàn)一個簡單的LIN解決方案。

這是一個能降低成本的解決方案,，因為它不需要任何CAN節(jié)點,。BCM是LIN 網(wǎng)絡的主節(jié)點，所有LIN節(jié)點都可以接入LIN網(wǎng)絡上傳輸?shù)乃行畔?。采用該種解決方案,，網(wǎng)絡上通常擁有5個LIN節(jié)點。減少節(jié)點數(shù)量和定義初始信息傳輸方法使網(wǎng)絡更直接有效,。

但是,，制定調度（定義哪條信息會在網(wǎng)絡中以什么順序出現(xiàn)）比較困難。如果該系統(tǒng)使用從-從通信，就可以簡化調度表的制訂過程,，并能有效地將網(wǎng)絡流量減少到最小程度,。例如，如果一個車門有任何鍵盤操作,，這時主節(jié)點需要作出決策：網(wǎng)絡上的任何節(jié)點都能在同一個信息幀內響應,。

這類網(wǎng)絡信息流最短，從而引起的EMC問題最少,。同時，流量密度的降低,，還有助于減少輻射,。由于所有節(jié)點都通過單線連接，接頭數(shù)量減少到最少,，這樣增加了可靠性,。

既然該方法具有如此顯著的優(yōu)勢，為什么許多生產(chǎn)商不實施該解決方案呢,？原因如下：首先,，網(wǎng)絡上各個節(jié)點的復雜度與CAN解決方案沒有太大區(qū)別。每個車門節(jié)點仍然需要控制車鏡,、車窗升降和鎖門等操作,，仍然是居于高性能MCU的方案。

在安全性十分重要的應用中（如汽車）,，每個節(jié)點應完全依靠"單主節(jié)點/單線"連接,。如果使用本網(wǎng)絡的汽車發(fā)生撞車，那么所有節(jié)點都很容易被破壞,，進而可能無法響應,。

在低功率應用中（仍以汽車為例），網(wǎng)絡需要頻繁的返回到低功率狀態(tài),，這時所有節(jié)點都處于"睡眠"模式,。盡管所有LIN節(jié)點都能喚醒網(wǎng)絡，但主節(jié)點可能需要一定時間才能決定哪個節(jié)點負責喚醒網(wǎng)絡,。

兩個LIN網(wǎng)絡（左邊和右邊）
為了克服單個LIN網(wǎng)絡的缺點,，部分公司開始使用雙LIN網(wǎng)絡。結構圖如下：

BCM控制兩個完全獨立的LIN網(wǎng)絡,，使得制定調度表變得相對簡單,，網(wǎng)絡靈活性也增強，即使出現(xiàn)撞車事件,，大部分網(wǎng)絡仍能保持完整狀態(tài),。同時采用兩個完全獨立的LIN網(wǎng)絡，有利于各個網(wǎng)絡準時進行通信。

但是,，這個方法仍然有幾個缺點,。首先，各個節(jié)點智能沒有降低,，仍然需要高性能的MCU,。其次，盡管信息定義變得更簡單,，但兩個網(wǎng)絡之間的信息交換變得困難,，有時比較慢。在這種配置中,，雖然鍵盤作為LIN節(jié)點配置在網(wǎng)絡右側,，但鍵盤的大量功能卻需要左手方網(wǎng)絡控制，這會導致響應時間延遲的問題,。

具備LIN分層結構的CAN
僅僅依靠LIN不能克服所有的局限,。

因此，在汽車應用中,，怎么應用LIN呢,？我們在前面的介紹中提到，LIN是作為CAN的補充,，而不是徹底替換CAN,。下圖是CAN/LIN混合網(wǎng)絡的解決方案：

如前所述，通常BCM和四個車門通過一個CAN網(wǎng)絡連接,。這是目前大量生產(chǎn)商采用的典型方案,。這時，每個車門內的高性能控制器（MCU）,，如常見的Freescale HC908AZ60A, 直接控制車窗和車鏡,。

采用LIN結構實現(xiàn)車門功能，就可以選擇規(guī)格更小的MCU（如HC908GZ16）,，其除了能為BCM通信提供必要的CAN接口,，還有足夠的資源去控制單個LIN網(wǎng)絡。在本例中,，駕駛員車門MCU除了是BCM 的CAN 接口,，還是控制后視鏡、鍵盤,、鎖和車窗升降等操作的LIN網(wǎng)絡的主節(jié)點,。

這樣做雖然會增加車門內的MCU，但如果對MCU和LIN狀態(tài)機進行合適的選擇,，就可以獲得功能更強大,、更靈活的分布式系統(tǒng),。

在當今飛速變化的行業(yè)中，客戶要求更多能滿足其需求的定制產(chǎn)品,，靈活性是實現(xiàn)這種需求的重要因素,。通過在車內引入規(guī)格更小的單獨模塊，汽車生產(chǎn)商能夠迅速修改其標準產(chǎn)品平臺,，去迎合客戶的需求,。

車門控制
前面的例子介紹了車門內部的典型LIN網(wǎng)絡，同時還針對上面提及的局限性提出了解決方法,。但是,，現(xiàn)在車門網(wǎng)絡仍然存在幾個問題，特別是功能失效和安全問題,。車鏡是系統(tǒng)中最容易被破壞的部件,，在市區(qū)駕駛時經(jīng)常被人取走，從而造成網(wǎng)絡中斷,，甚至給部分生產(chǎn)商帶來無法承受的風險。在安全方面,，大量罪犯可以輕松取走車鏡,，從而獲得駕駛員車門MCU的直接接入。這又是一個重大風險,。

有幾種方法可以減少這種風險,。方法之一如下：

在本例中，車門內部有兩個LIN網(wǎng)絡,。從圖上可以看到,，車鏡與系統(tǒng)其它部分有效地隔離開，大大降低車鏡被取走而帶來的危害,。任何罪犯行為只能訪問駕駛員車門MCU,，但無法接入關鍵組件，如門鎖等,。

還有一種方法是從LIN子節(jié)點控制車鏡,。

在本例中，安全和可靠性問題都能夠有效解決,。車鏡由鍵盤MCU或LIN節(jié)點直接控制,。兩種方法都是合適的系統(tǒng)設計。

典型的LIN節(jié)點

上圖介紹了車門內部的LIN網(wǎng)絡,。

下面是車內常見LIN節(jié)點的例子,。

駕駛員車門模塊
在上面的系統(tǒng)中，該模塊是車門網(wǎng)絡的主節(jié)點,，提供車門內部LIN網(wǎng)絡的控制和定時功能,。它能控制車門內所有LIN 節(jié)點，同時也充當車身控制模塊（BCM）和本地LIN 網(wǎng)絡之間的網(wǎng)關。

后視鏡模塊
典型的新型后視鏡鏡通常能夠支持X,、Y方向和折疊功能,。車鏡模塊還保存車鏡位置等詳細信息，有時駕駛員或乘客車鏡還安裝溫度感應器來持續(xù)監(jiān)控外界環(huán)境,。該信息一般被用作駕駛員信息,，也可以作為復雜的發(fā)動機管理系統(tǒng)信息。車鏡模塊通常是LIN從節(jié)點,。

車窗升降模塊
電子車窗包括升,、降和防夾控制。

車窗升降節(jié)點一般是LIN 從節(jié)點,，有時前車窗模塊同時充當BCM的LIN從節(jié)點和后車門的主節(jié)點,。

門鎖模塊
鎖定功能包括"標準鎖"和"童鎖"。車門內部的LIN直接與模塊連接,，這也是實現(xiàn)童鎖功能的前提條件,，這樣司機才能取消特定的門鎖功能。門鎖模塊一般是LIN 從節(jié)點,。

前開關面板
汽車舒適性控制的大量功能（如鎖門,、車窗升降和車鏡控制的開關）有時集成到單個模塊中，作為LIN網(wǎng)絡的從節(jié)點,。

通信方法

如前所述,，LIN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信主要包括兩種不同方法：主-從數(shù)據(jù)傳輸或從-從數(shù)據(jù)傳輸。兩種方法都由主節(jié)點控制,，有各自的優(yōu)勢和劣勢,。

主-從通信
主節(jié)點傳輸信息ID（參見第2節(jié)），進而發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸命令,。網(wǎng)上所有LIN節(jié)點將該信息進行轉換,，然后再進行相應的操作。

根據(jù)該主-從通信模式,，主節(jié)點內部有一個從節(jié)點正在運行,。它對正確的ID進行響應，然后將規(guī)定的比特傳輸?shù)絃IN總線,。不同LIN節(jié)點在網(wǎng)絡中都擁有完整的LIN幀,，同時還按照各自的不同應用提供主節(jié)點數(shù)據(jù)和流程。

例如,，主節(jié)點可能希望所有門鎖都打開,，這樣每個門鎖節(jié)點被設定為對單個信息進行響應，然后完成開鎖,；或者主節(jié)點可能傳輸四條不同信息,，然后選擇性地打開門鎖,。

主-從通信模式將大部分調度操作轉移到主節(jié)點上，從而簡化其它節(jié)點操作,。因此,，LIN從節(jié)點硬件大幅減少，甚至可能減少為單個狀態(tài)設備,。另一個優(yōu)勢是,，由于主節(jié)點能夠同時與所有節(jié)點通信，已信息和要求的ID數(shù)量都大大減少,。

主節(jié)點將所有數(shù)據(jù)通信發(fā)送到全部節(jié)點（然后在所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌O備之前從節(jié)點上接收該數(shù)據(jù)）,，這樣可以檢查傳輸數(shù)據(jù)的有效性。該操作允許主節(jié)點對所有通信進行監(jiān)測,，減少并消除潛在錯誤,。

但是，這種通信方法速度緩慢,。這時,，LIN節(jié)點很難及時地接收和處理數(shù)據(jù)，并選擇性地將它傳輸給其它節(jié)點,。

從-從通信
主節(jié)點同樣發(fā)送信息幀頭,。但是，在從-從通信模式下,，響應"從任務"的是遠程節(jié)點，如鍵盤,。當鍵盤"填滿"信息幀數(shù)據(jù)字節(jié)時,，網(wǎng)上所有節(jié)點都能看到整個傳輸過程，并響應相應的操作,。本例中,，車窗LIN 從節(jié)點響應鍵盤LIN節(jié)點數(shù)據(jù)。

與主-從通信相比,，從-從通信方法更迅速,。各個信息幀上的節(jié)點共用信息，從而極大地提高響應速度,。單個信息可以打開兩扇車窗,，關閉一個車門，打開三個車門或者移動車窗,。這樣就可以明顯減少網(wǎng)上的數(shù)據(jù)流量,。

但是，從-從通信方法有重要的局限：首先,，各個從節(jié)點的時鐘源未知,，因此從節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡時（根據(jù)主節(jié)點請求）,，數(shù)據(jù)可能發(fā)生漂移。主節(jié)點有一個精確度很高的時鐘,，數(shù)據(jù)漂移有較大的誤差范圍,，但另一個接受數(shù)據(jù)的LIN 從節(jié)點卻沒有，這會導致數(shù)據(jù)誤譯,。其次,，這種情況下，主節(jié)點不顯示"從-從"通信已經(jīng)失效,。

數(shù)據(jù)傳輸速率

信息幀傳輸持續(xù)時間
下表介紹了2,、4、8字節(jié)信息在傳輸速率為600bit/sec 和19200bit/sec時的最長持續(xù)時間,。本協(xié)議專用于1kbps和 20kbps之間的運行,，建議在LIN技術規(guī)范中也使用這些傳輸速率。

這些數(shù)據(jù)可能看起來速率很慢（特別是與CAN 比較時）,，但這樣規(guī)定有多方面的原因,，兩大主要原因是最大限度地降低EMC輻射和簡化從節(jié)點。

結論

隨著汽車的一些智能控制功能轉移到最小的節(jié)點中,，對滿足這樣要求的小而可靠的微處理器的需求越來越多,。

LIN網(wǎng)絡方案使大量節(jié)點之間的互連變得簡單、經(jīng)濟高效,，因此是理想的解決方案,。同時，系統(tǒng)設計人員在設計時還應考慮大量其它因素,。