基于XC886單片機的門控系統LIN總線通信模塊設計

0 引言
??? 隨著汽車業的飛速發展，汽車電控系統的配置不斷升級，使得車輛上的電子元件越來越多，其相互連接的網絡結構也越來越復雜。過去所采用的電纜連接方式所帶來的龐大布線負擔，容易造成車體過重和線路的磨損老化。在這種情況下，就需要引入標準的總線技術，從而降低車身重量，同時提高各個電控元件之間的通信可靠性。上世紀80年代，根據車用通信網絡在不同控制層面的不同功能要求，SAE (Societv ofAuto－mobile Engineering)將其分為A，B，C三類。其中A類為低速網，數據傳輸速率通常為1～10kb／s，LIN總線通信網絡就屬于此類。LIN總線一般應用于不需要高性能及帶寬和復雜性較大的低端系統，如車門控制模塊、座椅調節、車燈控制和空調系統中傳感器和執行器之間的通信。由于其LIN總線成本較低，也可以獨立用于不是特別復雜的車身控制網絡中。

1 LIN總線協議簡介
??? LIN協議標準于1998年由Audi、BMW、Mo－torola、Daimlerehrysler、VCT、Volvo和Volkswa－gen等七家公司在A類網已有協議的基礎上聯合提出。LIN總線在當今汽車電子的網絡結構中被廣泛使用，它基于通用的UART／SCI接口，使用單線信號傳輸，從節點無需晶振或陶瓷振蕩器就能實現自同步，因此成本低廉。LIN總線網絡采用單主多從模式，圖1所示是UN總線網絡的結構示意圖，它由一個主節點和一個或若干個從節點組成，不需要總線仲裁。LIN總線協議基于ISO參考模型中的物理層，數據鏈路層采用NRZ (Not Re－turn Zero)編碼方式，電平分為隱性電平(‘1’)和顯性電平(‘0’)。

1．1 物理層
??? LIN總線一般采用單總線(12 V)串行通訊，總線長度最大可達到40 m，傳輸速率最高可達到20 Kb／s，通常使用2．4Kb／s、9．6 Kb／s和19．2 Kb／s這三個波特率進行數據傳輸。由于從節點的個數除了受標識符數量的限制中，也受到總線的物理特性限制，節點過多必然減少網絡阻抗，從而導致通訊條件變差，所以協議規定：一個LIN總線網絡上的節點數目不能超過16個。
1．2 數據鏈路層
??? LIN總線協議的一個報文幀由報文頭和響應組成，圖2所示是LIN總線協議的報文幀結構。一般情況下，報文頭都是由主節點發送，而響應則是由一個主節點或者一個從節點發送。LIN總線網絡中的數據通訊都是由主節點發送一個報文頭來初始化的。報文頭包含一個空白場、一個同步場和一個標識符場，而響應則包括1到9個字節場(0～8個數據場和一個校驗和場)。其中，字節場由字節間的間隔分開，報文頭和響應則由幀內響應間隔分開，它們的最小長度皆為0。

??? 報文頭中的空白場可使節點能夠識別一個報文的開始。空白場為13位或者持續更長時間的顯性電平(‘0’)加上持續1個位時間以上的隱性電平(‘1’)組成。同步場則為一個字節長度(ox55)，可用來使相關從節點進行主從節點的時鐘同步。
??? 標識符場格式如圖3所示，定義報文的信息，長度為一個字節，其中前6位為標識符位，可定義26=64個標識符(其中保留4個標識符作為命令和擴展幀標識符)，后2位為奇偶校驗位。

??? 標識符用于定義數據的傳輸方向和響應中數據場的長度，并從節點根據標識符判斷報文是否與自己相關，從而對報文做出反應，進行通訊。當主節點發送的報文頭被相關從節點接受并對標識符判斷之后，從節點被要求進行數據發送，而主節點要接收從節點發送的數據，則需要將此標識符定義為接收標識符，對于從節點來說，則需定義為發送標識符，反之亦然。
??? 響應中數據場的長度由標識符位中的第4位和第5位(ID5和ID4)決定，它們將所有的標識符分成四組。每組有16個標識符，這些標識符代表著2、4和8個數據場。數據場的傳輸由低位到高位，包含了各個節點需要傳輸的數據。校驗和場是數據場所有字節的和的反碼，當節點收到數據并進行校驗時，要求所有數據字節和與校驗和場的字節相加必須是0xFF。

2 車門控制中LIN通信系統的設計
??? 本設計方案主要采用英飛凌XC886單片機作為主節點控制器，以英飛凌的TLE7259芯片作為LIN驅動模塊，這樣可使主節點車門控制器可以通過LIN總線與3個從節點車門控制器(TLE7810)進行通信。作為主節點，在此門控系統中，可以通過司機側按鈕開關對所有車窗進行升降，并可進行后視鏡的調節和中央門鎖的控制。圖4所示是車門控制系統的結構框圖。

2．1 XC886與UN驅動模塊的接口設計
??? 英飛凌公司的XC886單片機是基于8051工業標準架構的高性能8位微控制器，其內部集成有CAN控制器并支持UN通信，同時包含兩個UART(其中一個用于支持LIN)和兩個單獨16位計時器的捕捉／比較單元(CCU)，可靈活產生PWM信號。此外，還集成有高精度8路10位ADC、四個通用16位計時器和可編程16位看門狗計時器(WDT)，并支持片內調試。XC886包含多種省功耗模式，非常適用于各種汽車車身控制網絡以及工業和農業設備控制、建筑物照明控制、智能傳感器和工業自動化等領域。
??? 系統中的LIN驅動模塊選用英飛凌公司的TLE7259芯片，它具有總線接地短路保護功能，適用于傳輸速率為2．4 kb／s～20 kb／s的車載系統通信網絡。同時，該器件還具有極強的防靜電放電(ESD)特性和優越的抗電磁干擾(EMI)能力。其基于固定斜率的斜率控制機制，還可實現在寬頻帶范圍內優越的EMC性能。在XC886作為LIN總線主節點控制器的設計方案中，必須在TLE7259芯片的LIN＿BUS引腳與INH引腳之間連接一個1kΩ的電阻和一個反向二極管，并將TLE7259配置成主節點驅動模塊。圖5所示是系統LIN驅動模塊的接口電路。

??? TLE7259芯片具有等待模式、正常模式和睡眠模式等三個工作模式。上電后。芯片立即進入等待模式，然后可通過EN引腳置1使之進入正常模式。在正常模式，XC886單片機可在TXD LIN管腳輸入所需發送的數據流，并通過TLE725芯片轉換成LIN總線信號，以控制轉換速率和波形，從而降低電磁輻射(EME)。LIN總線的輸出管腳(Bus)可通過一個內部終端電阻拉成高電平。TLE725芯片可在LIN總線的輸入管腳檢測數據流并通過管腳RXD＿LIN發送到XC886單片機。在正常模式下，將EN引腳置0可使芯片進入睡眠模式，此時的靜態電流不超過8 mA，用戶也可以通過LIN總線或本地引腳(WK)進行喚醒，使之重新進入等待模式。
2．2 LIN通信中主節點的軟件實現
??? 軟件采用C語言模塊化編寫，易于維護。本設計方案中，LIN總線的傳輸速率設置為20 kbit／s，可在單主節點和3個從節點之間通訊，支持數據場長度設置為2個字節。第一個字節用于發送主節點控制命令或接收從節點狀態信息，后一個字節為預留，可用于用戶擴展。

? 通常由主節點向從節點發送控制命令，主要包括車窗升降控制、車門鎖命令和后視鏡調節控制等，表1所列是其控制命令的數據場定義。當車窗控制部分發送車窗無動作命令時(Bit2為0)，可忽略后兩位(Bit1和Bit0)判斷，車窗保持原狀。當后視鏡部分發送后視鏡無動作命令時(Bit6為0)，則忽略后三位(Bit5，Bit4和Bit3)判斷，此時左右兩個后視鏡電機均無動作，后視鏡位置保持原狀。中控鎖部分(Bit7)用于中控鎖的狀態比較，若位數據相同，則保持中控鎖狀態，若位數據不同，則驅動中控鎖電機進行相應動作。

??? 狀態信息一般由從節點反饋給主節點，以用于故障診斷，主要包括車窗升降電機和繼電器的短路和開路信息等，表2所列是狀態信息的數據場定義。當主節點收到后狀態信息后。若發現故障，則主節點控制器將使指示燈閃爍或者進行聲音報警。

??? 主節點初始化之后，系統將處于等待狀態，同時檢查是否有數據傳輸需求。主程序每10 ms檢查一次主節點控制器的按鍵參數。當司機側主控板上有按鍵動作時，系統會將相應按鍵數據轉換成控制命令并通過LIN總線發送給從節點控制器；若沒有按鍵動作，則要求從節點反饋狀態信息，并分析其工作狀態。圖6所示是其主節點的程序流程圖。

3 結束語
??? 本文介紹了基于英飛凌公司的XC886單片機的車門控制系統的LIN總線通信模塊的設計方法，并對其硬件設計和軟件結構進行了簡單的分析。運用LIN總線技術開發的車窗、后視鏡和中央門鎖控制系統，由于使用了低功耗的8位單片機，因而降低了成本，提高了系統性能，是汽車電子技術的發展方向。本系統程序采用C語言編寫，具有很好的可讀性和維護性。事實上，總線技術的發展是推動汽車電子進步的一大動力，總線技術的廣泛使用則進一步促進了汽車生產商對總線開發的投人，因此，汽車總線的開發必然在將來的汽車工業中占據更為重要的位置。