摘  要： 介紹了幾款Microchip單片機及收發器實現低成本的汽車子網LIN總線節點。基于Microchip單片機內帶的增強型通用同步/異步收發器(EUSART)實現LIN的控制器，并用Microchip的MCP2021作為LIN的電平轉換器，最終實現一主多從的低成本的LIN網絡。
關鍵詞： LIN總線；收發器；增強型通用同步/異步收發器；CAN總線

    隨著汽車總線應用的日益普及以及對汽車成本的要求越來越嚴格，LIN總線的市場占有率越來越高。本文從低成本的角度來實現LIN總線的節點，具有非常高的實用價值。
1 LIN的基本知識與發展
1.1 LIN的基本知識
    局域互連網絡LIN（Local Interconnect Network）是低成本的串行通信網絡，用于實現汽車中的分布式電子系統控制，是現有多種汽車網絡在功能上的補充；同時它也是一個開放的標準，作為CAN總線的子總線，能緩解CAN總線數據擁擠的現狀。
    由于LIN總線是可靠、低成本、開放標準的網絡解決方案，它可以簡化現存的多點解決方案，并且能降低在汽車電子領域中的開發、生產、服務和后勤成本。
1.2 LIN的起源與發展
    LIN聯盟成立于1999年，并發布了LIN 1.0版本。2000年，LIN聯盟再次發布了1.1版本。2001年，第一輛采用LIN1.1版本的量產汽車面世。2003年，2.0版本出現。2006年，2.1版本面世并沿用至今。
1.3 LIN的市場
    LIN總線產品已經成為汽車總線的第二大市場，預計將成為未來增長最快的一個市場。第一大市場是CAN總線，其在2006年已經達到頂峰。
2 LIN的基本概念
    LIN在物理層是單線實現的，一般電壓范圍在8 V～18 V。LIN網絡是單主多從結構，由于只有一個主節點，所以不存在總線仲裁。總線的速度一般在2.4 kbd～19.6 kbd之間。典型節點數為2～10個，由于阻抗匹配的原因，最多不能超過16個[1]。如圖1所示。

    LIN總線為串行通信方式，編碼采用非歸零碼，8N1（8個數據位，沒有校驗位，1個停止位）方式，如圖2所示。每幀的數據字節數可變，為2～8 B。在數據字節結束后，會發一個校驗和來進行校驗。
    在LIN網絡中，主節點的時鐘由高精度的晶振產生，從節點一般用RC震蕩器產生。在本文中，從節點的時鐘可以用Microchip單片機的內部RC震蕩器來實現。
3 LIN協議的基本知識
    LIN的報文分為兩部分，一是主任務，也叫報文頭；另一個部分是從任務，也叫響應場。如圖3所示。

    主任務位于主機節點內部，都是由主節點發出，它負責報文的進度表、發送報文頭（HEADER）。從任務位于所有的（即主機和從機）節點中，其中一個（主機節點或從機節點）發送報文的響應（RESPONSE）。
3.1 報文頭
    報文頭分為三部分，按順序分別叫同步間隔、同步字段、標識符字段。
    同步間隔是一個長時間的低電平（顯性總線電平），低電平時間要大于10個位定時時間，通常為13個位定時時間。在長時間的低電平之后，要跟著一個短時間的高電平（隱性總線電平），一般為1～4個位定時時間[2]。
    同步字段包含了時鐘的同步信息。它的內容為0x55，表現在8個位定時中有5個下降沿（隱性跳變到顯性的邊沿）。從節點通過同步字段，可以使自己的總線速率與主節點同步。
    標識符字段定義了報文的內容和長度。其中，內容是由6個標識符位和2個奇偶校驗位組成，如圖4所示。標識符位的第5位和第6位（ID4和ID5）定義了報文數據場的長度。

3.2 響應場
    響應場包含數據字段和校驗和兩部分。
    數據字段由8 bit數據的字節組成，傳輸由最低位（LSB）開始。校驗和按照帶進位加的方式計算，每個進位都被加到本次計算結果的最低位。
3.3 保留的標識符
    標識符為0x3C和0x3D的標識符被用做診斷。其中0x3C是主機請求幀，它可以從主機向從機節點發送命令和數據。0x3D是從機響應幀，它觸發一個從機節點（由一個優先的下載幀編址）向主機節點發送數據。
    標識符為0x3E是由用戶定義的自由用法，標識符為0x3F是為將來使用而嚴格保留的。
4 Microchip單片機的軟硬件實現
4.1 硬件實現
    主節點一般采用Flash比較大的Microchip中檔8位單片機，或者采用帶CAN控制器的高檔8位單片機或16位單片機作為控制器。時鐘采用高精度石英晶振。物理層的電平轉換采用Microchip的收發器MCP2021。
    從節點可用低成本的Microchip中、低檔8位單片機。時鐘用單片機內部自帶的RC震蕩器。內部RC震蕩器在常溫25 ℃時，精度為1%，全溫度范圍(-40 ℃～+125 ℃)內精度為5%[1]。物理層的電平轉換采用Microchip的收發器MCP2021。
4.2 軟件實現
4.2.1 主節點
    主節點完全按照LIN規范實現。主節點的任務就是發送報文頭和發送接收數據，實現一個網關的作用。另外，單片機的剩余功能，可以用來做一些A/D和開關量的采集，還可以驅動一些蜂鳴器、小電機或者LED和LCD等器件。主節點發送流程如圖5所示。

    LIN總線的通信可以通過配置單片機的EUSART來實現。每次通信都由主節點啟動，此處不考慮從節點到從節點的通信。總線的配置也由主節點來實現，具體波特率可以通過波特率控制寄存器來實現。這里采用9 600的波特率。
    標識符不是一個節點的地址，而是一個報文的描述符。當主節點發送一個0x3C的命令后，再發送8 B的00H，總線就進入休眠模式。在休眠模式下，總線處于空閑狀態，因此任何一個從節點都可以喚醒總線。
    主節點采用高精度的石英晶振作為時鐘源，可以產生低誤差的時鐘信號。在這里，要把主節點設置為異步半雙工通信模式，8 bit數據模式。時鐘選擇為內部時鐘。
    由于EUSART有“發送間隔字符位（SENDB）”，可以在每次發送數據前發送同步間隔字符，這樣可以省掉不少軟件開銷，使單片機可以致力于其他邏輯的運算。
4.2.2 從節點
    從節點不需要系統配置的信息，所有從節點接收所有報文，然后再判斷是否需要執行。
    從節點不需要外接石英晶振，可以用單片機內部自帶的RC震蕩器實現。Microchip的中端8位單片機大多數都內帶高精度的RC震蕩器，在常溫下(25℃)，經過校準可以達到±1%的精度。
    每個單片機在出廠時都經過校準，并把校準字寫在Flash空間的最后一位。在程序開始運行時，會把校準值裝載到W寄存器里。在程序的第一條指令中執行MOVWF OSCCAL，即可將W寄存器里的值送到內部RC震蕩器的校準寄存器里，從而實現校準。
    從節點先檢測總線電平，當長時間的隱性電平結束，出現大于10個位定時的顯性電平后，開始數5個下降沿的時間，用時間值除以8，就可以算出波特率。然后從總線上讀取數據，解碼ID，處理響應。
    EUSART支持波特率的自動檢測和校準，可以使軟件代碼大量簡化。從節點可以在總線空閑時進入休眠狀態，當從節點檢測到主節點發出的同步間隔時，可以從休眠狀態喚醒。
    當從節點被其他外部中斷喚醒時(例如A/D轉換完成，外部IO電平變化等)，從節點可以喚醒休眠的總線。
    如果從節點的功能比較簡單，工作電流比較小，可以通過收發器MCP2021的參考電壓輸出端來供電。MCP2021有兩種型號，參考電壓的輸出分別為5 V和3.3 V，適應5 V和3.3 V的單片機。這個參考電壓的輸出電流最大為50 mA，所以不適合工作電流比較大的場合[3-4]。
參考文獻
[1] LIN規范（V1.2），廣州周立功單片機發展有限公司，2005.
[2] LIN Specification Package(Revision 2.1).LIN Consortium，2006.
[3] PIC16F688數據手冊.DS41203B_CN.2006.
[4] MCP202X數據手冊.DS22018D_CN.2009.