lin总线综述及车门控制实例

动力和车速已经不再是消费者对汽车性能的唯一追求，人们越来越关心驾车时的舒适感、安全保障、功能的易用性，和对环境的保护等方面。

因此，除了车身系统（Car body）和传动系统（Power Train）等传统的汽车控制单元以外，安全系统（Safety）和车载资通娱乐系统（Telematics / Infotainment）也随着电子技术的进步而逐渐成熟。

现代的汽车电子系统中，电子控制组件（ECU）因在上述系统中赋予汽车更

高效和更具智能性的操控能力而扮演了重要角色，也实现了诸如电源、车灯和门窗等自动检测功能，给驾驶提供了更大便利。

汽车中的电子系统和组件平均达到80多个，它们之间越来越复杂的连接和

通信功能对总线技术提出了需求。车灯、发动机、电磁阀、空调等设备的传统连接方式为线缆连接，而如果电子元件之间也用电缆连接则必然造成连接复杂性的提高、可靠性的下降，和整体重量的上升;此外，伴随而来的线缆的磨损和老化

现象也将使汽车的安全性能降低。

为避免线缆带来的各种麻烦，车载网络（In-Vehicle Network）

中应用标准化总线技术则成为较理想的解决方式。按不同的技术特点和应用领域，车载总线技术可分为五类。

如表一所示，第一类LIN、TTP/A等总线传输速度最低，适用于车体控制;第二类中速总线，如低速CAN、SAE J1850、VAN（Vehicle Area Network）等，适用于对实时性要求不高的通信应用;第三类包括高速CAN、TTP/C等技术，适用于高速、实时死循环控制的多路传输网络;第四类如IDB-C、IDB-M（D2B、MO ST、IDB1394））、IDB-Wireless（Bluetooth）等，一般应用于车载资通娱乐网络;第五类传输速度最高，用于最具关键性、实时性最高的人身安全系统，包括FlexRay和Byteflight 等。

本文将主要讨论LIN总线技术规格及在门控系统中的应用实例。

LIN技术概况

LIN总线全称为区域互连网络（Local Interconnect Network），是一种结构简单、配置灵活、成本低廉的新型低速串行总线，和基于序列通讯协议的车载总线的子集系统（Sub-bus System）。

LIN总线为主从节点构架，即一个主节点（Master Node）最多可支持16个从节点（Slave Node）;在从节点中不用晶振（Crystal O sci llator）或陶瓷谐振器（Ceramic Resonator）时钟，也能做到自同步性。LIN基于UART / SCI接

口协议，可实现极低的软硬件成本;其信号传播时间可预先计算，以满足传输的确定性。总线电缆的长度最多可以扩展到40米左右，数据传输率可达 20 kbps。

1999年，LIN 1.0版推出后，不断有新版本出现（LIN 1.3、LIN 2.0），持续改进了LIN总线的性能与适用性。美国汽车工程师协会（SAE）下属的车辆架构任务组（Task Force）也基于LIN 2.0提出J2602规范，此举让LIN从节点所需要的软件代码长度缩短，进一步降低了LIN 2.0中软件单元的复杂性，可实现更高效的系统配置。此外，主流厂商也会针对LIN的性能推出改进版本或技术，例如意法半导体的LINSCI。

图一LIN总线应用领域

LIN主要用作CAN等高速总线的辅助网络或子网络，能为不需要用到CAN的装置提供较为完善的网络功能，包括空调控制（Climate Control）、后视镜（Mirrors）、车门模块（Door Modules）、座椅控制（Seats）、智能性交换器（Smart Switches）、低成本传感器（Low-cost Sensors）等。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。

LIN网络架构

如上文所述，LIN网络基于主从节点构架而形成网络拓扑结构。主节点需要向从节点发出周期性的检测信号，检测结果由从节点反馈给主控制器。其中周期根据事件检测的实时性要求而设定。

如图二所示，LIN的信号由一个由主任务提供的标头（Header）和由从任务处理的响应部分（Response）构成。标头包含一个13位的同步间隔字段（Synch Break Field）、一个由主任务产生的同步字段（Synch Field），以及一个辨识字段（Identifier Field）。其中每一个字节字段都以串行位元组方式发送，起始位的第一位为“0”，而终止位为“1”。由主任务执行的信号标头会依整个

LIN丛集的进度表决定每个信号的传输时间，以确保数据传输的确定性及避免网络超载的危险。在LIN网络中只有主节点采用晶体振荡器来为系统提供精确的基本时钟，此时钟会嵌入上述的同步字段中，让从任务能与主节点时序同步。LIN 信号的响应部分包含一个数据域位（Data Filed），长度为2 / 4 / 8个字节，和一个长度为一个字节的验证字段（Checksum Field）。

图二LIN信号结构示意图

LINSCI

LINSCI可以集成在8位MCU中，可实现标头侦测（Header Detection）、指示器（Identifier）和非相关字节过滤（Irrelevant Byte Filtering）、延伸性错误侦测（Extended Error Detection）和再同步化（Resynchronisation）等功能。其作用是使从设备的LIN总线功能更有效地发挥。

LINSCI也可以实现更高的精度。LIN总线的波特率（Baud Rate）预定标器（Prescaler）一般为8位整型值，分辨率有限，使得很难达成标准SCI位时间取样原则所需要的误差率为2%的准确性。LIN总线波特率一般为10kbps和

20kbps，如果按20kbps计算，假设CPU频率为8MHz，由于LIN的频率宽容度为15%，量化错误将达到2.33%。LINSCI的预定标器则以12位无符号（Unsigned）定点值（即LDIV）代替8位整型值，量化误差则可下降到0.15%。

图三LINSCI数据结构图

实现LIN系统的最优化包含许多方面因素。虽然以标准SCI所建立的LIN 网络已具备极佳性能，但LIN数据传输所需要的频宽和CPU负荷，应用上所需的频率准确性，以及LIN界面的稳定和有效性等都是应该考虑的因素。此外，硬件技术上的强化也十分必要。

ST的LINSCI即可通过这些手段实现更高的效率和更低的成本。首先，经过强化的硬件SCI端口减少了CPU负载，相应提高了系统效能。低成本主要由高集成度获得，其内部集成了1MHz震荡器、带有运算放大器的快速10位ADC，以及带有低电压检测器的可配置重启电路，简化了外部电路和系统设计，降低了制造成本。同时，8KB的扩展内存能在单一供给电压下操作，除了提供更快速的编程能力，还降低了电路板的复杂程度。

汽车门控系统架构实例

以汽车门控系统举例。如图四所示，目前中高档车型的门控系统主要包括车门锁（Lock）、防盗门锁（Dead Lock Latch）、动力车窗（Power Window）、踏脚灯（Footstep light），及切换面板照明（Switch Panel Illumination）等。其主节点为一个与车体CAN网络相连的中央车体控制单元（Central Body ECU），每个车门都有一个车门模块，即按四门的车身则为DM-Driver（司机位置）、DM-Passenger（副驾驶位置）、DM-RearRight（右后门）和DM-RearLeft （左后门）提供门锁和动力车窗等功能;另外两个前门还有MMR和MML左右后视镜控制模块。驾驶端的中央切换面板（Central Switch Panel）是一个独立的从节点，控制所有的动力车窗、手动门锁及后视镜等功能。

图四LIN网络门控系统示意图

汽车门控系统的应用场景对LIN网络提出了以下需求：当主控器收到从遥控钥匙发出的有效信号时，必须要启动门控系统，从节点通常通过CAN总线接收;当正确的钥匙打开前门时，也同时启动门控系统;从节点会直接反应而不需经由与主控器的通讯;切换面板的询问动作（Polling）功能，以确保响应对各个驱动装置控制，如动力车窗、后视镜调整、门锁等的主动式切换;对所有从节点的询问功能，以得到车窗升降的位置状态，以及车门的开关情况;以及系统对所有从节点的睡眠模式控制（即电池供应操作模式）等。因此门控系统的MCU也需要与上述功能相符，例如必须针对车窗的升降提供防夹（Anti-Pinch）功能、马达的PWM控制及车窗位置监控;能以SPI接口来控制门锁马达;对于车钥匙的拔出及开门的动作，能够提供电源供应模式的接触式监控，以及对后视镜及切换面板的操控功能等。

图五门控模块功能架构图

对上述功能的参数设置上，也有一些需要考虑的因素，例如时序的准确性和动作的实时性等。以手动打开汽车门锁的动作为例，从钥匙插入门锁到打开，需要快速的响应，可接受的延迟必须小于200ms。而在此期间，传动马达大约需要100ms打开门锁，因此留给MCU来完成从低功率模式启动、侦测到钥匙，并触发传动装置等动作的所有时间只有100ms。LIN总线波特率一般为10kbps或20kbps，如果按最快的20kbps计算，为保证数据传输的成功，则CPU的响应时间必须小

于1ms。此外，针对系统的安全性（如防夹）和便利性（如门锁侦测）等功能，都会有实时性的要求。

时序的准确性是为了实现正确的运作和流程。车门模块需要一个宽容度小于3%的时间参考，车窗防夹（Anti-Pinch）功能的复杂算法就需要这种准确性。

功耗与节能是对于多数ECU来说是十分关键的因素。以门控系统来说，系统在车辆熄火以后仍需进行间隔性的监控询问动作，会造成电力的持续消耗。而监控的延迟间隔设定很难取舍，因为时间间隔太长，则会造成反应延迟;太短的话，又会增加系统的功耗。

故障安全设计

故障和安全也是系统设计的重点，例如短路时总线线路的故障安全

（Fail-Safe）机制。因为LIN总线与车体CAN总线系统相比，不具有容错性能（Fault Tolerant），因此每个节点必须有能力分辨出短路的总线线路，同时反应动作必须遵循特定的程序。

L9638是ST推出的LIN收发器，可提供额外的安全故障功能，可有效处理短路等故障。当MCU发现短路的LIN总线线路，ECU可自关闭;而收发器在消除短路状况后仍能够重新启

动。

结论

通过灵活的配置，LIN可在多种应用中发挥全面的性能。例如将LIN协议以硬件方式建置（LINSCI）可以增加系统的可靠性和简化LIN的驱动程序码。MCU 的设计也是一大关键。以ST72F361为例，它在标准MCU上提供先进的SCI接口，并支持LIN的功能，除了能降低CPU的负荷外，也能省却较高成本的精准时序资源。

LIN总线属于低速率传输标准，不具备CAN总线的性能，主要定位于CAN的关键性应用以外的场景中（高速、高效率、高容错性能等）。设计车辆电子系统时，需要根据具体的需求和技术要求合理选用适合的技术标准，才能让LIN和CAN发挥自己特有的优势，并节省成本。LIN总线以其低成本及高可靠性赢得了独特的市场空间，预计在欧洲新出厂的车辆中，LIN总线的应用将占有相当大的比重。