基于Microchip单片机及收发器实现的低成本LIN总线

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???? 摘? 要： 介绍了几款MICROCHIP单片机及收发器实现低成本的汽车子网LIN总线节点。基于MICROCHIP单片机内带的增强型通用同步/异步收发器(EUSART)实现LIN的控制器，并用MICROCHIP的MCP2021作为LIN的电平转换器，最终实现一主多从的低成本的LIN网络。
　　随着汽车总线应用的日益普及以及对汽车成本的要求越来越严格，LIN总线的市场占有率越来越高。本文从低成本的角度来实现LIN总线的节点，具有非常高的实用价值。
　　1 LIN的基本知识与发展
　　1.1 LIN的基本知识
　　局域互连网络LIN（Local Interconnect Network）是低成本的串行通信网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制，是现有多种汽车网络在功能上的补充；同时它也是一个开放的标准，作为CAN总线的子总线，能缓解CAN总线数据拥挤的现状。
　　由于LIN总线是可靠、低成本、开放标准的网络解决方案，它可以简化现存的多点解决方案，并且能降低在汽车电子领域中的开发、生产、服务和后勤成本。
　　1.2 LIN的起源与发展
　　LIN联盟成立于1999年，并发布了LIN 1.0版本。2000年，LIN联盟再次发布了1.1版本。2001年，第一辆采用LIN1.1版本的量产汽车面世。2003年，2.0版本出现。2006年，2.1版本面世并沿用至今。
　　1.3 LIN的市场
　　LIN总线产品已经成为汽车总线的第二大市场，预计将成为未来增长最快的一个市场。第一大市场是CAN总线，其在2006年已经达到顶峰。
　　2 LIN的基本概念
　　LIN在物理层是单线实现的，一般电压范围在8 V～18 V。LIN网络是单主多从结构，由于只有一个主节点，所以不存在总线仲裁。总线的速度一般在2.4 kbd～19.6 kbd之间。典型节点数为2～10个，由于阻抗匹配的原因，最多不能超过16个。如图1所示。




　　LIN总线为串行通信方式，编码采用非归零码，8N1（8个数据位，没有校验位，1个停止位）方式，如图2所示。每帧的数据字节数可变，为2～8 B。在数据字节结束后，会发一个校验和来进行校验。
                          
                       
                          
                               
　　在LIN网络中，主节点的时钟由高精度的晶振产生，从节点一般用RC震荡器产生。在本文中，从节点的时钟可以用MICROCHIP单片机的内部RC震荡器来实现。
　　3 LIN协议的基本知识
　　LIN的报文分为两部分，一是主任务，也叫报文头；另一个部分是从任务，也叫响应场。如图3所示。




　　主任务位于主机节点内部，都是由主节点发出，它负责报文的进度表、发送报文头（HEADER）。从任务位于所有的（即主机和从机）节点中，其中一个（主机节点或从机节点）发送报文的响应（RESP*E）。
　　3.1 报文头
　　报文头分为三部分，按顺序分别叫同步间隔、同步字段、标识符字段。
　　同步间隔是一个长时间的低电平（显性总线电平），低电平时间要大于10个位定时时间，通常为13个位定时时间。在长时间的低电平之后，要跟着一个短时间的高电平（隐性总线电平），一般为1～4个位定时时间。
　　同步字段包含了时钟的同步信息。它的内容为0x55，表现在8个位定时中有5个下降沿（隐性跳变到显性的边沿）。从节点通过同步字段，可以使自己的总线速率与主节点同步。
　　标识符字段定义了报文的内容和长度。其中，内容是由6个标识符位和2个奇偶校验位组成，如图4所示。标识符位的第5位和第6位（ID4和ID5）定义了报文数据场的长度。




　　3.2 响应场
　　响应场包含数据字段和校验和两部分。
　　数据字段由8 bit数据的字节组成，传输由最低位（LSB）开始。校验和按照带进位加的方式计算，每个进位都被加到本次计算结果的最低位。
　　3.3 保留的标识符
　　标识符为0x3C和0x3D的标识符被用做诊断。其中0x3C是主机请求帧，它可以从主机向从机节点发送命令和数据。0x3D是从机响应帧，它触发一个从机节点（由一个优先的下载帧编址）向主机节点发送数据。
　　标识符为0x3E是由用户定义的自由用法，标识符为0x3F是为将来使用而严格保留的。
　　4 MICROCHIP单片机的软硬件实现
　　4.1 硬件实现
　　主节点一般采用Flash比较大的MICROCHIP中档8位单片机，或者采用带CAN控制器的高档8位单片机或16位单片机作为控制器。时钟采用高精度石英晶振。物理层的电平转换采用MICROCHIP的收发器MCP2021。
　　从节点可用低成本的MICROCHIP中、低档8位单片机。时钟用单片机内部自带的RC震荡器。内部RC震荡器在常温25 ℃时，精度为1%，全温度范围(-40 ℃～+125 ℃)内精度为5%[1]。物理层的电平转换采用MICROCHIP的收发器MCP2021。
                          
                       
                          
                               
　　4.2 软件实现
　　4.2.1 主节点
　　主节点完全按照LIN规范实现。主节点的任务就是发送报文头和发送接收数据，实现一个网关的作用。另外，单片机的剩余功能，可以用来做一些A/D和开关量的采集，还可以驱动一些蜂鸣器、小电机或者LED和LCD等器件。主节点发送流程如图5所示。




　　LIN总线的通信可以通过配置单片机的EUSART来实现。每次通信都由主节点启动，此处不考虑从节点到从节点的通信。总线的配置也由主节点来实现，具体波特率可以通过波特率控制寄存器来实现。这里采用9 600的波特率。
　　标识符不是一个节点的地址，而是一个报文的描述符。当主节点发送一个0x3C的命令后，再发送8 B的00H，总线就进入休眠模式。在休眠模式下，总线处于空闲状态，因此任何一个从节点都可以唤醒总线。
　　主节点采用高精度的石英晶振作为时钟源，可以产生低误差的时钟信号。在这里，要把主节点设置为异步半双工通信模式，8 bit数据模式。时钟选择为内部时钟。
　　由于EUSART有“发送间隔字符位（SENDB）”，可以在每次发送数据前发送同步间隔字符，这样可以省掉不少软件开销，使单片机可以致力于其他逻辑的运算。
　　4.2.2 从节点
　　从节点不需要系统配置的信息，所有从节点接收所有报文，然后再判断是否需要执行。
　　从节点不需要外接石英晶振，可以用单片机内部自带的RC震荡器实现。MICROCHIP的中端8位单片机大多数都内带高精度的RC震荡器，在常温下(25℃)，经过校准可以达到±1%的精度。
　　每个单片机在出厂时都经过校准，并把校准字写在Flash空间的最后一位。在程序开始运行时，会把校准值装载到W寄存器里。在程序的第一条指令中执行MOVWF OSCCAL，即可将W寄存器里的值送到内部RC震荡器的校准寄存器里，从而实现校准。
　　从节点先检测总线电平，当长时间的隐性电平结束，出现大于10个位定时的显性电平后，开始数5个下降沿的时间，用时间值除以8，就可以算出波特率。然后从总线上读取数据，解码ID，处理响应。
　　EUSART支持波特率的自动检测和校准，可以使软件代码大量简化。从节点可以在总线空闲时进入休眠状态，当从节点检测到主节点发出的同步间隔时，可以从休眠状态唤醒。
　　当从节点被其他外部中断唤醒时(例如A/D转换完成，外部IO电平变化等)，从节点可以唤醒休眠的总线。
　　如果从节点的功能比较简单，工作电流比较小，可以通过收发器MCP2021的参考电压输出端来供电。MCP2021有两种型号，参考电压的输出分别为5 V和3.3 V，适应5 V和3.3 V的单片机。这个参考电压的输出电流最大为50 mA，所以不适合工作电流比较大的场合[3-4]。