LIN总线在汽车门控系统中的应用

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（HeaderDetection）、指示器（Identifier）和非相关字节过滤（IrrelevantByteFiltering）、延伸性错误侦测（ExtendedErrorDetection）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（BaudRate）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（DeadLockLatch）、动力车窗（PowerWindow）、踏脚灯（Footsteplight），及切换面板照明（SwitchPanelIllumination）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（CentralBodyECU），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（CentralSwitchPanel）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（FaultTolerant），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。