第三章 子總線系統(tǒng)

第一節(jié) LIN總線系統(tǒng)

一、LIN總線系統(tǒng)的應用

如圖3-1所示，LIN是英文Local Interconnect Network的縮寫，被稱為是CAN總線系統(tǒng)的子網，也叫“局域子系統(tǒng)”。汽車上LIN總線控制的所有系統(tǒng)之間的數據交換，必須通過CAN總線控制單元才能實現。LIN總線作為CAN總線的一種有益補充，可以更為經濟、有效地完成車輛功能。LIN（局域網）結構比較簡單，只有一根數據線，也只能用于傳感器和執(zhí)行器之間的簡單數據傳遞。它與CAN總線不同，LIN總線上的控制單元是分主、從的，主控制單元與CAN總線連接，控制著LIN總線上的其他從控制單元。也就是說，只有主控制單元發(fā)送信息結束后，從控制單元才能進行數據信息的發(fā)送。LIN總線被稱為數據循環(huán)總線，是指數據信息不管有沒有要求或是有沒有變化，總是在總線上反復重新循環(huán)發(fā)送和傳遞，以利于傳感器和執(zhí)行器在任意時刻都可以接收總線上的數據信息。

LIN總線是在CAN總線的基礎上新發(fā)展的汽車車載子總線系統(tǒng)，是為了建立傳輸速率有限、結構簡便且性能優(yōu)良的總線系統(tǒng)而產生的，如圖3-2所示。它只需要一條數據傳輸線，使用低成本組件（如用阻容組合代替石英）即可。LIN總線通過使用較簡單的電子設備節(jié)省了結構空間，最大傳輸速率為20kbit/s。由于多家汽車制造商將標準公開化，促進了供應商之間的競爭并降低了成本，使得CAN總線不僅沒有被取代，反而得到了擴展，單主/多從原理確保了安全性。

LIN總線的應用成本較低，傳輸速率較低，適合應用在一些對時間要求不是那么嚴格的場合，如舒適娛樂系統(tǒng)。如圖3-3所示，多數車型都將LIN總線應用在自動空調系統(tǒng)、后視鏡控制（圖3-4）、電子輔助轉向助力系統(tǒng)、車門、頂窗、刮水器和洗滌器的控制傳輸上。

二、LIN總線特點

LIN總線是用于汽車分布式電控系統(tǒng)的一種新型低成本串行通信系統(tǒng)，是一種基于SCI（UATR）數據格式、主從結構的單線12V的總線通信系統(tǒng)，主要用于智能傳感器和執(zhí)行器的串行通信。

LIN總線采用低成本的單線連接，傳輸速度最高可達20kbit/s；其媒體訪問采用單主/多從的機制，不需要進行仲裁；在從節(jié)點中不需要晶體振蕩器而能進行自同步；采用8位單片機，極大地減少了硬件平臺的成本。其主要目的是為現有汽車網絡CAN提供輔助功能，目標用于低端系統(tǒng)，無需CAN總線的性能、帶寬以及復雜性。可以說LIN總線是一種輔助的總線網絡。

LIN總線系統(tǒng)一般由1個主控制單元和最多16個從控制單元組成。LIN總線主控制單元請求從控制單元發(fā)送數據，并發(fā)出操控指令。為了與汽車上的其他控制單元進行通信，主控制單元連接在其他總線上。LIN總線主控制單元在汽車診斷檢測儀中有地址碼，由其負責對所連接的從控制單元進行診斷。

LIN總線的主要特點是：

1）LIN總線系統(tǒng)是單線式總線，通過一根芯線傳輸數據，車輛搭鐵也當成數據傳輸的接地連接。雖然不是雙絞線，但可以避免電磁干擾，所以不需要屏蔽線。

2）LIN總線的線束顏色一般采用紫白色，通常底色是紫色，有標志色。

3）LIN總線的橫截面積為0.35mm²。

4）LIN總線上的控制單元有主控制單元和從控制單元。主控制單元與CAN總線和LIN總線相連，從控制單元都與LIN總線相連，主控制單元控制從控制單元發(fā)送數據信息。一個主控制單元最多可以連接16個從控制單元。

5）數據傳遞速率為1～20kbit/s。因為傳輸速率低，所以一般被應用在刮水器、空調等車身電氣系統(tǒng)等要求傳輸速率不高的系統(tǒng)中。它實用性強，傳輸技術容易實現，價格低廉。

三、LIN總線系統(tǒng)結構

1．LIN的特點

LIN總線系統(tǒng)的突出特點是：LIN總線是單線式總線，僅靠一根導線傳輸數據。Audi車系LIN導線的底色是紫色，有標志色。LIN導線的橫截面面積為0.35mm²，無需屏蔽。如圖3-5所示，LIN總線系統(tǒng)的構成有三個部分：LIN上級控制單元，亦即LIN主控制單元；LIN從屬控制單元，亦即LIN從控制單元；單根導線。

2．LIN主控制單元

（1）LIN主控制單元的功能LIN主控制單元連接在CAN數據總線上，執(zhí)行以下功能：

1）監(jiān)控數據傳輸過程和數據傳輸速率，發(fā)送信息標題。

2）LIN主控制單元的軟件內已經設定了一個周期，該周期用于決定何時將哪些信息發(fā)送到LIN數據總線上多少次。

3）LIN主控制單元在LIN數據總線系統(tǒng)的LIN控制單元與CAN總線之間起“翻譯”作用，它是LIN總線系統(tǒng)中唯一與CAN數據總線相連的控制單元（圖3-6）。

4）通過LIN主控制單元進行與之相連的LIN從控制單元的自診斷。

（2）LIN總線的信息結構LIN主控制單元控制總線導線上的信息傳輸情況。LIN總線的信息結構如圖3-7所示。

每條信息的開始處都通過LIN總線主控制單元發(fā)送一個信息標題。該信息標題由一個同步相位（同步間隔和同步字節(jié)）構成，后面是標識符字節(jié)，可傳輸2、4或8字節(jié)的數據。標識符字節(jié)包括LIN從控制單元地址、信息長度和用于信息安全的兩個位等信息。標識符用于確定主控制單元是否將數據傳輸給從控制單元，或主控制單元是否在等待從控制單元的回應（答復）。信息段包含發(fā)送給從控制單元的信息。校驗區(qū)可為數據傳輸提供更高的安全性。校驗區(qū)由主控制單元通過數據字節(jié)構成，位于信息結束處。LIN總線主控制單元以循環(huán)形式傳輸當前信息。

3．LIN從控制單元

在LIN數據總線系統(tǒng)內，單個的控制單元（如新鮮空氣鼓風機）或傳感器及執(zhí)行元件（如水平傳感器及防盜警報蜂鳴器）都可看為LIN從控制單元。傳感器內集成有一個電子裝置，該裝置對測量值進行分析，其數值是作為數字信號通過LIN總線傳輸的。有些傳感器和執(zhí)行元件只使用LIN主控制單元插口上的一個針腳（PIN腳），即可以實現信息傳輸（即單線傳輸，見圖3-8）。

LIN執(zhí)行元件都是智能型的電子或機電部件，這些部件通過LIN主控制單元的LIN數字信號接收任務。LIN主控制單元通過集成的傳感器來獲知執(zhí)行元件的實際狀態(tài)，然后就可以進行規(guī)定狀態(tài)和實際狀態(tài)的對比，并發(fā)出相應的控制指令。只有當LIN主控制單元發(fā)送出控制指令后，傳感器和執(zhí)行元件才會做出反應（執(zhí)行主控制單元的控制指令）。

電動遮陽卷簾和空調出風口風門伺服電動機的控制（見圖3-9和圖3-10）都是按照這個控制原理工作的。

LIN從控制單元等待LIN主控制單元的指令，僅根據需要與主控制單元進行通信。為結束休眠模式，LIN從控制單元可自行發(fā)送喚醒信號。LIN從控制單元安裝在LIN總線系統(tǒng)設備上（如空調出風口風門伺服電動機等）。

LIN從控制單元的特點如下：

1）接收、傳遞或忽略與從主系統(tǒng)接收到的信息標題相關的數據。

2）可以通過一個“叫醒”信號叫醒主系統(tǒng)。

3）檢查對所接收數據的檢查總量。

4）對所發(fā)送數據的檢查總量進行計算。

5）同主系統(tǒng)的同步字節(jié)保持一致。

6）只能按照主系統(tǒng)的要求同其他子系統(tǒng)進行數據交換。

四、LIN總線的數據傳輸

1．傳輸原理

LIN總線傳輸數據線是單線，數據線最長可達40m。在主節(jié)點內配置1kΩ電阻端接12V供電，在從節(jié)點內配置30kΩ電阻端接12V供電。各節(jié)點通過電池正極端接電阻向總線供電，每個節(jié)點都可以通過內部發(fā)送器拉低總線電壓。LIN總線驅動器的物理結構如圖3-11所示。

（1）LIN總線信號LIN總線信號波形如圖3-12所示。

隱性電平：如果所有節(jié)點都沒有驅動收發(fā)器晶體管導通，此時在LIN數據總線上的電壓就是蓄電池電壓，為隱性電平，表示邏輯“1”。

顯性電平：當有節(jié)點需要向外發(fā)送信息時，發(fā)送控制單元內的收發(fā)器驅動晶體管導通，將LIN數據總線導線接地，此時在LIN總線上的電壓為0V，為顯性電平表示邏輯“0”。

（2）總線電平抗干擾設置 在收發(fā)隱性電平和顯性電平時，通過預先設定公差值來保證數據傳輸的穩(wěn)定性，如圖3-13所示。為了在有干擾輻射的情況下仍能收到有效的信號，接收信號的允許電壓值要稍高一些，如圖3-14所示。

2．LIN總線的數據格式

LIN總線的數據格式如圖3-15所示。在LIN總線的信息中包含兩個部分：一部分是由LIN主控制器發(fā)送的信息標題，另一部分是由LIN主控制器或LIN從控制器發(fā)送的信息內容。發(fā)送的信息，所有連接在LIN總線上的節(jié)點都可以收到。

（1）信息標題 信息標題由LIN主控制單元按周期發(fā)送。信息標題分為同步暫停區(qū)、同步分界區(qū)、同步區(qū)和識別區(qū)四部分，見圖3-16。

1）同步暫停區(qū)。同步暫停區(qū)（Synch Pause）的長度至少為13位（二進制的），它以顯性電平發(fā)送。這13位的長度是必需的，只有這樣才能準確地通知所有的LIN從控制單元有關信息的起始點的情況。其他的信息是以最長為9位的（二進制的）顯性電平來一個接一個地傳輸的。

2）同步分界區(qū)。同步分界區(qū)（Synch Delimiter）至少為一位（二進制的）長，且為隱性電平。

3）同步區(qū)。同步區(qū)（Synch Field）由0101010101這個二進制位序構成，所有的LIN從控制單元通過這個二進制位序來與LIN主控制單元進行匹配（同步）。所有控制單元同步對于保證正確的數據交換是非常必要的。如果失去了同步性，那么接收到的信息中的某一數位值就會發(fā)生錯誤，該錯誤會導致數據傳輸錯誤。

4）識別區(qū)。識別區(qū)（Identify Field）的長度為8位（二進制的），頭6位是回應信息識別碼和數據區(qū)的個數，回應數據區(qū)的個數在0～8之間；后兩位是校驗位，用于檢查數據傳輸是否有錯誤。當出現識別碼傳輸錯誤時，校驗位可防止與錯誤的信息適配。

（2）信息內容 信息內容有兩種類型：一種是從控制單元收到主控制單元發(fā)來的信息標題中帶有要求從控制單元回應的信息后，LIN從控制單元根據識別碼給這個回應提供的回應信息；另一種是由主控制單元發(fā)出的命令信號，相應的LIN從控制單元會使用這些數據去執(zhí)行各種功能。

1）從控制單元回應信息：圖3-17所示是奧迪A6空調系統(tǒng)LIN總線的從控制單元回應信息傳遞流程圖，空調控制電腦（也是LIN總線主控制單元）在LIN總線上發(fā)送信息標題——查詢鼓風機的轉速，鼓風機讀取標題后將當前的鼓風機轉速信息發(fā)送到LIN總線上，空調控制電腦得以讀取此信息。

2）主控制單元命令信息：圖3-18所示是奧迪A6空調系統(tǒng)LIN總線的主控制單元命令信息傳遞流程圖，空調控制電腦（也是LIN總線主控制單元）在LIN總線上發(fā)送信息標題——調整鼓風機的轉速到200r/min，鼓風機從LIN總線上讀取標題后將當前的鼓風機轉速，相應地從150r/min調整到目標轉速200r/min。

信息內容由1～8個數據區(qū)構成，每個數據區(qū)是10個二進制位，其中一位是顯性起始位，一個是包含信息的字節(jié)和一個隱性停止位。起始位和停止位是用于再同步從而避免傳遞錯誤的。

3．LIN總線信息的順序

LIN主控制單元的軟件內已經設定了一個順序，LIN主控制單元就按這個順序將信息標題發(fā)送至LIN總線上（若是主信息，則發(fā)送的是回應）。常用的信息會多次傳遞。LIN主控制單元的環(huán)境條件可能會改變信息的順序。環(huán)境條件舉例如下：

1）點火開關接通/關閉。

2）自診斷已激活/未激活。

3）停車燈接通/關閉。

為了減少LIN主控制單元部件的種類，主控制單元將全部裝備控制單元的信息標題發(fā)送到LIN總線上，如果沒有安裝相應設備控制單元，那么在示波器屏幕上會出現沒有回應的信息標題，但這并不影響系統(tǒng)的功能，如圖3-19所示。

4．LIN總線防盜功能

只有當LIN主控制單元發(fā)送出帶有相應識別碼的信息標題后，數據才會傳至LIN總線。由于LIN主控制單元對所有信息進行全面監(jiān)控，因此無法從車外對LIN導線進行控制。系統(tǒng)要求LIN從控制單元只能回應，這樣就不會發(fā)生通過LIN總線打開車門的現象了。這種設置就使得在車外安裝LIN從控制單元（如在前保險杠內的車庫門開啟控制單元）成為可能。LIN總線防盜功能示意如圖3-20所示。

五、LIN總線的自診斷

1．利用故障檢測儀VAS5051進行故障診斷

當LIN總線系統(tǒng)出現故障時，可利用故障檢測儀VAS5051對LIN總線系統(tǒng)進行故障診斷和檢測，如圖3-21所示。對LIN總線系統(tǒng)進行自診斷時，需使用LIN主控制單元的地址碼。自診斷數據經LIN總線由LIN從控制單元傳至LIN主控制單元。在LIN從控制單元上可以完成所有的自診斷功能（表3-1）。

2．故障分析

（1）LIN總線短路 無論是LIN總線對電源正極短路還是對電源負極短路，LIN總線都會關閉，無法正常工作。

（2）LIN總線斷路LIN總線發(fā)生斷路故障時，其功能喪失情況視發(fā)生斷路故障的具體位置而定。如圖3-22所示，當LIN總線在位置A處斷路時，其下游的所有從控制單元（圖中為從控制單元1和從控制單元2）均不能正常工作；當LIN總線在位置B處斷路時，從控制單元1將不能正常工作；當LIN總線在位置C處斷路時，從控制單元2將不能正常工作。根據LIN總線發(fā)生故障時其功能的喪失情況，結合LIN總線控制關系并參閱電路圖，就可以判斷出發(fā)生斷路故障的大致位置。