介紹

長(zhǎng)期以來(lái),，許多大的汽車(chē)生產(chǎn)商采用的是對(duì)汽車(chē)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中控制的解決方案,。這些采用集中控制的節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)為車(chē)窗升降,、鎖門(mén)和車(chē)鏡位置調(diào)整等幾種用戶(hù)操作提供接口和控制,。

過(guò)去,，這些采用集中控制的節(jié)點(diǎn)基于高性能的MCU,，這個(gè)MCU負(fù)責(zé)處理模塊中的各種功能。

模塊通常通過(guò)CAN總線連接,，現(xiàn)在該方法已在大量汽車(chē)平臺(tái)中得到實(shí)施,。雖然該方法能夠解決大量聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題，但同時(shí)也導(dǎo)致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)太過(guò)復(fù)雜,、速率要求過(guò)高,。

汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)繼續(xù)對(duì)生產(chǎn)商提出更多要求。創(chuàng)新和功能增強(qiáng)一直是競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)因素：在現(xiàn)有平臺(tái)上實(shí)施這些功能已變得越來(lái)越困難,。

增強(qiáng)各個(gè)集中控制節(jié)點(diǎn)的MCU功能是解決問(wèn)題的一個(gè)途徑,，但是，MCU規(guī)格增大,、互連數(shù)量增加,、缺乏靈活性等問(wèn)題最終會(huì)導(dǎo)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(diǎn)。本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）是實(shí)現(xiàn)該目的的理想網(wǎng)絡(luò),，提供了一種低速率,、低成本的實(shí)施方法。

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

LIN概況

LIN總線是針對(duì)低成本應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的汽車(chē)串行協(xié)議,。它對(duì)現(xiàn)有CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了補(bǔ)充，支持車(chē)內(nèi)的分層式網(wǎng)絡(luò),。本協(xié)議是簡(jiǎn)單的主/從配置,，主要流程在主節(jié)點(diǎn)上完成,。為了減少成本，從節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)盡量簡(jiǎn)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(diǎn)發(fā)起。現(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(diǎn),，即主-從傳輸（主節(jié)點(diǎn)中的從任務(wù)傳輸數(shù)據(jù)）或從-從傳輸（主節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀頭,，從某個(gè)從節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，然后由另一從節(jié)點(diǎn)接收該數(shù)據(jù)）,。這兩種方法具有不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì),。

使用LIN協(xié)議的信息傳輸定時(shí)是可以預(yù)測(cè)的。該協(xié)議是時(shí)間觸發(fā)型,，不需要總線仲裁,，同樣可以計(jì)算每條信息幀在最差環(huán)境的定時(shí)。每條信息幀的傳輸都由主節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行的調(diào)度表控制,。調(diào)度表在既定時(shí)間傳輸信息幀幀頭。

網(wǎng)絡(luò)實(shí)施

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

單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)（多個(gè)門(mén)節(jié)點(diǎn)）
在這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)中，車(chē)身控制器模塊（BCM）將通過(guò)單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)與其它所有節(jié)點(diǎn)相連,。如下圖所示：

這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)具有非常直接的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)為對(duì)CAN進(jìn)行補(bǔ)充（而不是替換CAN）,，但是如上圖所示的連接可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的LIN解決方案,。

這是一個(gè)能降低成本的解決方案，因?yàn)樗恍枰魏蜟AN節(jié)點(diǎn),。BCM是LIN 網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn),，所有LIN節(jié)點(diǎn)都可以接入LIN網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)乃行畔ⅰ２捎迷摲N解決方案,，網(wǎng)絡(luò)上通常擁有5個(gè)LIN節(jié)點(diǎn),。減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量和定義初始信息傳輸方法使網(wǎng)絡(luò)更直接有效。

但是,，制定調(diào)度（定義哪條信息會(huì)在網(wǎng)絡(luò)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(jiǎn)化調(diào)度表的制訂過(guò)程,，并能有效地將網(wǎng)絡(luò)流量減少到最小程度,。例如，如果一個(gè)車(chē)門(mén)有任何鍵盤(pán)操作,，這時(shí)主節(jié)點(diǎn)需要作出決策：網(wǎng)絡(luò)上的任何節(jié)點(diǎn)都能在同一個(gè)信息幀內(nèi)響應(yīng),。

這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)信息流最短,，從而引起的EMC問(wèn)題最少。同時(shí),，流量密度的降低,，還有助于減少輻射。由于所有節(jié)點(diǎn)都通過(guò)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(shì),，為什么許多生產(chǎn)商不實(shí)施該解決方案呢,？原因如下：首先，網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度與CAN解決方案沒(méi)有太大區(qū)別,。每個(gè)車(chē)門(mén)節(jié)點(diǎn)仍然需要控制車(chē)鏡,、車(chē)窗升降和鎖門(mén)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(yīng)用中（如汽車(chē)）,，每個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)完全依靠"單主節(jié)點(diǎn)/單線"連接。如果使用本網(wǎng)絡(luò)的汽車(chē)發(fā)生撞車(chē),，那么所有節(jié)點(diǎn)都很容易被破壞,，進(jìn)而可能無(wú)法響應(yīng)。

在低功率應(yīng)用中（仍以汽車(chē)為例）,，網(wǎng)絡(luò)需要頻繁的返回到低功率狀態(tài),，這時(shí)所有節(jié)點(diǎn)都處于"睡眠"模式。盡管所有LIN節(jié)點(diǎn)都能喚醒網(wǎng)絡(luò),，但主節(jié)點(diǎn)可能需要一定時(shí)間才能決定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)喚醒網(wǎng)絡(luò),。

兩個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)（左邊和右邊）
為了克服單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，部分公司開(kāi)始使用雙LIN網(wǎng)絡(luò),。結(jié)構(gòu)圖如下：

BCM控制兩個(gè)完全獨(dú)立的LIN網(wǎng)絡(luò),，使得制定調(diào)度表變得相對(duì)簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)靈活性也增強(qiáng),，即使出現(xiàn)撞車(chē)事件,，大部分網(wǎng)絡(luò)仍能保持完整狀態(tài)。同時(shí)采用兩個(gè)完全獨(dú)立的LIN網(wǎng)絡(luò),，有利于各個(gè)網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行通信,。

但是，這個(gè)方法仍然有幾個(gè)缺點(diǎn),。首先,，各個(gè)節(jié)點(diǎn)智能沒(méi)有降低，仍然需要高性能的MCU,。其次,，盡管信息定義變得更簡(jiǎn)單,，但兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的信息交換變得困難，有時(shí)比較慢,。在這種配置中,，雖然鍵盤(pán)作為L(zhǎng)IN節(jié)點(diǎn)配置在網(wǎng)絡(luò)右側(cè)，但鍵盤(pán)的大量功能卻需要左手方網(wǎng)絡(luò)控制,，這會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間延遲的問(wèn)題,。

具備LIN分層結(jié)構(gòu)的CAN
僅僅依靠LIN不能克服所有的局限。

因此,，在汽車(chē)應(yīng)用中,，怎么應(yīng)用LIN呢？我們?cè)谇懊娴慕榻B中提到,，LIN是作為CAN的補(bǔ)充,，而不是徹底替換CAN。下圖是CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)的解決方案：

如前所述,，通常BCM和四個(gè)車(chē)門(mén)通過(guò)一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)連接,。這是目前大量生產(chǎn)商采用的典型方案。這時(shí),，每個(gè)車(chē)門(mén)內(nèi)的高性能控制器（MCU）,，如常見(jiàn)的Freescale HC908AZ60A, 直接控制車(chē)窗和車(chē)鏡。

采用LIN結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)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(gè)LIN網(wǎng)絡(luò),。在本例中，駕駛員車(chē)門(mén)MCU除了是BCM 的CAN 接口,，還是控制后視鏡,、鍵盤(pán)、鎖和車(chē)窗升降等操作的LIN網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn),。

這樣做雖然會(huì)增加車(chē)門(mén)內(nèi)的MCU,，但如果對(duì)MCU和LIN狀態(tài)機(jī)進(jìn)行合適的選擇，就可以獲得功能更強(qiáng)大,、更靈活的分布式系統(tǒng),。

在當(dāng)今飛速變化的行業(yè)中，客戶(hù)要求更多能滿(mǎn)足其需求的定制產(chǎn)品,，靈活性是實(shí)現(xiàn)這種需求的重要因素,。通過(guò)在車(chē)內(nèi)引入規(guī)格更小的單獨(dú)模塊，汽車(chē)生產(chǎn)商能夠迅速修改其標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品平臺(tái),，去迎合客戶(hù)的需求,。

車(chē)門(mén)控制
前面的例子介紹了車(chē)門(mén)內(nèi)部的典型LIN網(wǎng)絡(luò),，同時(shí)還針對(duì)上面提及的局限性提出了解決方法。但是,，現(xiàn)在車(chē)門(mén)網(wǎng)絡(luò)仍然存在幾個(gè)問(wèn)題,，特別是功能失效和安全問(wèn)題。車(chē)鏡是系統(tǒng)中最容易被破壞的部件,，在市區(qū)駕駛時(shí)經(jīng)常被人取走,，從而造成網(wǎng)絡(luò)中斷，甚至給部分生產(chǎn)商帶來(lái)無(wú)法承受的風(fēng)險(xiǎn),。在安全方面,，大量罪犯可以輕松取走車(chē)鏡，從而獲得駕駛員車(chē)門(mén)MCU的直接接入,。這又是一個(gè)重大風(fēng)險(xiǎn),。

有幾種方法可以減少這種風(fēng)險(xiǎn)。方法之一如下：

在本例中,，車(chē)門(mén)內(nèi)部有兩個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò),。從圖上可以看到，車(chē)鏡與系統(tǒng)其它部分有效地隔離開(kāi),，大大降低車(chē)鏡被取走而帶來(lái)的危害,。任何罪犯行為只能訪問(wèn)駕駛員車(chē)門(mén)MCU，但無(wú)法接入關(guān)鍵組件,，如門(mén)鎖等,。

還有一種方法是從LIN子節(jié)點(diǎn)控制車(chē)鏡。

在本例中,，安全和可靠性問(wèn)題都能夠有效解決,。車(chē)鏡由鍵盤(pán)MCU或LIN節(jié)點(diǎn)直接控制。兩種方法都是合適的系統(tǒng)設(shè)計(jì),。

典型的LIN節(jié)點(diǎn)

上圖介紹了車(chē)門(mén)內(nèi)部的LIN網(wǎng)絡(luò),。

下面是車(chē)內(nèi)常見(jiàn)LIN節(jié)點(diǎn)的例子。

駕駛員車(chē)門(mén)模塊
在上面的系統(tǒng)中,，該模塊是車(chē)門(mén)網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn),，提供車(chē)門(mén)內(nèi)部LIN網(wǎng)絡(luò)的控制和定時(shí)功能。它能控制車(chē)門(mén)內(nèi)所有LIN 節(jié)點(diǎn),，同時(shí)也充當(dāng)車(chē)身控制模塊（BCM）和本地LIN 網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān),。

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(chē)鏡模塊還保存車(chē)鏡位置等詳細(xì)信息,，有時(shí)駕駛員或乘客車(chē)鏡還安裝溫度感應(yīng)器來(lái)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(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)信息,。車(chē)鏡模塊通常是LIN從節(jié)點(diǎn),。

車(chē)窗升降模塊
電子車(chē)窗包括升、降和防夾控制,。

車(chē)窗升降節(jié)點(diǎn)一般是LIN 從節(jié)點(diǎn),，有時(shí)前車(chē)窗模塊同時(shí)充當(dāng)BCM的LIN從節(jié)點(diǎn)和后車(chē)門(mén)的主節(jié)點(diǎn)。

門(mén)鎖模塊
鎖定功能包括"標(biāo)準(zhǔn)鎖"和"童鎖",。車(chē)門(mén)內(nèi)部的LIN直接與模塊連接,，這也是實(shí)現(xiàn)童鎖功能的前提條件，這樣司機(jī)才能取消特定的門(mén)鎖功能,。門(mén)鎖模塊一般是LIN 從節(jié)點(diǎn),。

前開(kāi)關(guān)面板
汽車(chē)舒適性控制的大量功能（如鎖門(mén)、車(chē)窗升降和車(chē)鏡控制的開(kāi)關(guān)）有時(shí)集成到單個(gè)模塊中,，作為L(zhǎng)IN網(wǎng)絡(luò)的從節(jié)點(diǎn),。

通信方法

如前所述，LIN網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)控制,，有各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

主-從通信
主節(jié)點(diǎn)傳輸信息ID（參見(jiàn)第2節(jié)）,，進(jìn)而發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸命令,。網(wǎng)上所有LIN節(jié)點(diǎn)將該信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行相應(yīng)的操作,。

根據(jù)該主-從通信模式,，主節(jié)點(diǎn)內(nèi)部有一個(gè)從節(jié)點(diǎn)正在運(yùn)行。它對(duì)正確的ID進(jìn)行響應(yīng),，然后將規(guī)定的比特傳輸?shù)絃IN總線,。不同LIN節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中都擁有完整的LIN幀，同時(shí)還按照各自的不同應(yīng)用提供主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和流程,。

例如，主節(jié)點(diǎn)可能希望所有門(mén)鎖都打開(kāi),，這樣每個(gè)門(mén)鎖節(jié)點(diǎn)被設(shè)定為對(duì)單個(gè)信息進(jìn)行響應(yīng),，然后完成開(kāi)鎖；或者主節(jié)點(diǎn)可能傳輸四條不同信息,，然后選擇性地打開(kāi)門(mén)鎖,。

主-從通信模式將大部分調(diào)度操作轉(zhuǎn)移到主節(jié)點(diǎn)上，從而簡(jiǎn)化其它節(jié)點(diǎn)操作,。因此,，LIN從節(jié)點(diǎn)硬件大幅減少，甚至可能減少為單個(gè)狀態(tài)設(shè)備,。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是,，由于主節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)與所有節(jié)點(diǎn)通信,，已信息和要求的ID數(shù)量都大大減少。

主節(jié)點(diǎn)將所有數(shù)據(jù)通信發(fā)送到全部節(jié)點(diǎn)（然后在所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌O(shè)備之前從節(jié)點(diǎn)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(diǎn)對(duì)所有通信進(jìn)行監(jiān)測(cè)，減少并消除潛在錯(cuò)誤,。

但是,，這種通信方法速度緩慢。這時(shí),，LIN節(jié)點(diǎn)很難及時(shí)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(diǎn)。

從-從通信
主節(jié)點(diǎn)同樣發(fā)送信息幀頭,。但是,，在從-從通信模式下，響應(yīng)"從任務(wù)"的是遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn),，如鍵盤(pán),。當(dāng)鍵盤(pán)"填滿(mǎn)"信息幀數(shù)據(jù)字節(jié)時(shí)，網(wǎng)上所有節(jié)點(diǎn)都能看到整個(gè)傳輸過(guò)程,，并響應(yīng)相應(yīng)的操作,。本例中，車(chē)窗LIN 從節(jié)點(diǎn)響應(yīng)鍵盤(pán)LIN節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),。

與主-從通信相比,，從-從通信方法更迅速。各個(gè)信息幀上的節(jié)點(diǎn)共用信息,，從而極大地提高響應(yīng)速度,。單個(gè)信息可以打開(kāi)兩扇車(chē)窗，關(guān)閉一個(gè)車(chē)門(mén),，打開(kāi)三個(gè)車(chē)門(mén)或者移動(dòng)車(chē)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(gè)從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘源未知，因此從節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)時(shí)（根據(jù)主節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求）,，數(shù)據(jù)可能發(fā)生漂移,。主節(jié)點(diǎn)有一個(gè)精確度很高的時(shí)鐘，數(shù)據(jù)漂移有較大的誤差范圍,，但另一個(gè)接受數(shù)據(jù)的LIN 從節(jié)點(diǎn)卻沒(méi)有,，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤譯。其次，這種情況下,，主節(jié)點(diǎn)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(shí)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(shí)的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間,。本協(xié)議專(zhuān)用于1kbps和 20kbps之間的運(yùn)行，建議在LIN技術(shù)規(guī)范中也使用這些傳輸速率,。

這些數(shù)據(jù)可能看起來(lái)速率很慢（特別是與CAN 比較時(shí)）,，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(jiǎn)化從節(jié)點(diǎn),。

結(jié)論

隨著汽車(chē)的一些智能控制功能轉(zhuǎn)移到最小的節(jié)點(diǎn)中,，對(duì)滿(mǎn)足這樣要求的小而可靠的微處理器的需求越來(lái)越多。

LIN網(wǎng)絡(luò)方案使大量節(jié)點(diǎn)之間的互連變得簡(jiǎn)單,、經(jīng)濟(jì)高效,，因此是理想的解決方案。同時(shí),，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮大量其它因素,。