ＬＩＮ總線技術及其應用研究

摘要：本地互聯網絡LIN總線是一種結構簡單、配置靈活的新型串行通信網絡。主要用于實現汽車內部諸多電子控制單元之間的通信，為目前在汽車行業內廣泛使用的現場總線提供輔助功能，即作為子網絡。本文認為在一些對通信速率要求不高的工業及家用電器領域完全可以使用并推廣該總線技術。

關鍵詞：LIN總線；串行通訊；主從節點；工業應用

引言

LIN本地互聯網絡是一種將開關、顯示器、傳感器及執行器等簡單控制設備連接起來的串行通信網絡，主要用于實現汽車中的分布式電子系統控制。因其主要目標是為汽車網絡(如CAN總線)提供輔助功能，因此通常作為子網絡。用于一些不需要諸如CAN總線的帶寬和多功能的場合，比如智能傳感器和制動裝置之間的通信。使用LIN總線可大大節省成本，該低成本的串行通信模式和相應的開發環境已經由LIN協會制定成標準，為汽車制造商以及供應商在研發、應用電子產品方面降低成本。但是，LIN的應用并不局限于汽車領域，在諸如工業控制領域也理所應當占有廣闊的應用地位和前景。

LIN總線的技術特點包括：(1)單主機，多從機結構(沒有總線仲裁)，(2)基于普通UART/SCI接口的低成本硬件、低成本軟件或作為純狀態機；(3)帶時間同步的多點廣播接收，從節點無需石英或陶瓷振蕩器，(4)確定性的信號傳輸，(5)低成本的單線實現；(6)速率可達20kbit/s；(7)總線長度≤40m(8)保證信號傳輸的延遲時間；(9)可選的數據場長度0~8bytes；(10)靈活性的配置；(11)數據校驗和的安全性和錯誤檢測；(12)網絡中故障節點的檢測，(13)使用最小成本的半導體元件(小尺寸，單芯片系統)；(14)不需改變LIN從節點的硬件和軟件即可在網絡上增加節點；(15)通常一個LIN網絡節點數小于16個。

LlN2.0總線技術

LIN2.0版本反映了LIN協會的定義趨勢，通過比較LINl.3和LIN2.0規范，可看到最重大的兩個變化是對于配置和診斷的標準化支持，以及指定節點能力文件，這都是為了要簡化現有節點的使用。LIN工作原理是基于單主/多從概念。在一個LIN簇中，由一個主節點以及數個從節點構成。主節點由主機任務和從機任務組成。而所有其他的節點只包含從機任務。圖1所示為典型的LIN簇，即一個主節點，兩個從節點。主機任務決定何時以及傳送哪一幀，而從機任務則傳送幀數據。

LIN2.0報文幀由幀頭和幀響應組成，其中幀頭由主機任務傳送，幀響應由從機任務傳送。每個報文幀都包含2、4、8字節的數據。報文幀的結構由一個同步間隔域(Break)以及隨后的4至11個字節域(byte field)構成，如圖2所示。

同步間隔域

同步間隔域可看作是一中斷，用來表示一個新報文幀的開始，由主節點中的主機任務在LIN總線上產生至少13位顯性狀態，其中包含起始位和同步界定符。

同步域：其格式為0x55，表現為8個位定時中有5個下降沿。

保護識別符：用于描述報文數據的含義，一個保護識別符域由兩個子域組成：其中第0位到第5位是識別符位，第6和第7位是奇偶校驗位。識別符共6位，取值范圍為0至63。識別符可分為4類：

0到59(0x3b)用于信號傳輸的報文幀，

60(0x3c)和61(0x3d)用于傳送診斷數據；

62(0x3e)為留給用戶的擴展幀；

63(0x3f)為保留用于以后協議增訂使用。

數據域：一個報文幀可以“攜帶”0到8字節的數據。

校驗和：校驗和等于數據域所有字節的和的取反。對于只計算數據域所有字節的校驗和，稱為傳統校驗和。如果校驗和要將保護識別符和數據域所有字節一起計算，則稱為增強性校驗和。

由表1可見，LIN總線的整體性能要比CAN差很多，但LIN總線較CAN總線的最大優勢在于實現成本比較低，由于LIN面向的是并不需要CAN的性能、帶寬及復雜性的低端系統，因此在這些場合中LIN有較為廣泛的應用。

LJN從節點應用設計

本文采用NXP推出的本地互聯網絡I/O附屬擴展芯片UJAl023，可協助構建高性價比、高可靠度的車內LIN網絡。雖然，該芯片起初的設計初衷是應用在高檔轎車行業，但由于該芯片的高集成性和可靠性等特點，完全能夠用于諸如電力工業領域等。UJAl023是一個獨立的可應用于本地互聯網絡(LIN)I/O的從節點，它可以代替傳統的電子控制單元中所使用的基本部件，這些電子控制單元用于對I/O進行控制。

UJAl023芯片內包含一個LIN 2.0控制器，一個集成的LIN收發器，并同時兼容LINl_3規范。同時還包括8個可通過LIN總線進行配置的I/O端口。A1023具有自動比特率同步電路，可以在lkbit/s至20kbit/s范圍內與主節點保持同步，因此芯片內集成了一個晶振。LIN協議由芯片自動進行處理，從節點的地址NAD和幀識別符(frameIdentifier)的設置由主請求命令(masterrequest)和從響應命令(slave response)以菊花鏈方式或即插方式完成。8個雙向I/O引腳可由LIN總線命令進行配置，并且可以具有以下的功能：

輸入功能

標準輸入引腳，

本地喚醒；

邊沿捕獲，

模擬信號輸入引腳；

開關矩陣(與輸出引腳配合使用)。

輸出功能

標準輸出引腳，可配置為高邊驅動、低邊驅動、推拉驅動模式；

周期(循環)偵聽模式用于本地喚醒；

PWM模式，例如，驅動轎車后燈；

開關矩陣(與輸入引腳配合使用)。

配置流程

UJAl023可通過LIN命令幀，即主請求命令和從響應命令以報文鏈的形式完成配置。主請求命令發送配置數據，而主請求命令的目標從節點在收到命令后將發送相應的數據給主節點作為響應。圖3所示為uJ『A1023的配置流程，其中主請求命令和從響應命令之間井然有序的配合就是一種“握手”的概念。

UJAl 023應用實例

由圖4所示。單片UJAl023具有8個I/o口可作為通用I/O口使用。在圖4中，P0、P1用于讀入開關量的值。P3用于驅動發光二極管。P5通過功率放大可驅動電機。P7則對模擬量進行采集，P2還可以驅動繼電器，因而UJAl023在繼電保護中也有“用武之地”。

多片UJAl023應用

使用即插方式，通過“單主多從”的方式，將多片UJAl023連成網絡形式的應用。由圖5所示為由1個主節點和8個從節點組成的基于單主多從模式的LIN網絡。由圖可知，每個從節點有8路I/O，因此該網絡總共有多達64路的控制口?？蛇M行多種形式的多路控制。其特點就是應用靈活，配置方便，擴展性強，成本低廉，可靠性高。值得一提的是，圖5只是一個子網絡，如果需要更多的端口，完全可以按圖5的形式進行多網絡擴展，而網與網之間可以通過網關來連接。

該形式十分適合于如圖6所示的電力系統繼電保護應用中。下位低頻低壓減載裝置的設計目的是完成35kV系統根據電力系統頻率和電壓變化，按預定的控制方案切除電力負荷。

圖6中每臺低頻減載裝置中的內部結構的設計思想，以圖5為參考，一個裝置中包含一個基于單主多從的子網絡，即含有多片UJA1023，而每片芯片的I/O口驅動若干的繼電器，以在必要時控制繼電器以切除負載。

結語

由以上的分析不難得出結論，在工業自動化領域，對于數據的傳輸速率要求不高的傳感器、數字量I/O、顯示和執行部件的控制連接固然可以使用CAN，但是這樣可以會造成浪費。在這種情況下，LIN的成本廉價，抗干擾性強，使用單線連接的優越性就體現出來了。此外，在家用電器中也可使用LIN總線，例如在洗衣機中，微處理器通過LIN總線的傳感器進行水位、水流、水溫的測量，通過連在總線上的電動閥進行給水和排水控制。因此LIN總線技術的應用范圍遠不是局限于汽車工業，而在其他領域也同樣有著不可忽視的廣闊應用前景和現實意義。