Мрежата LI

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2010

Същност на стандарта, интегрални схеми на приемопредаватели, микроконтролери и сензори.

Последното десетилетие бележи качествено нов етап в техническото развитие на автомобилите, безусловно доминиран от електрониката. Към познатите озвучителни системи и управления на горивния процес се прибавиха множество други информационно-управляващи системи, които осигуряват данни за състоянието и местоположението на колата, повишават сигурността и комфорта на пътуващите и улесняват водача.
За реализацията на тези и други системи чрез масово произвеждани електронни прибори се наложи създаването на стандарти със съответните протоколи за обмен на данни между устройствата. Голямо приложение получи CAN, който се използва в множество индустриални системи. Негов недостатък е сравнително високата цена на реализация. Така се стигна до създаването на стандарта LIN (Local Interconnect Network) с подобно предназначение, но с около 2 пъти по-ниска цена на приборите и свързващата ги мрежа, който намери широко приложение в автомобилите от среден клас на европейските производители. По своята структура и действие той е твърде близък до използвания в САЩ SAE-J2602. В голяма част от автомобилите двата стандарта се използват съвместно, т.е. само част от мрежата CAN е заменена с мрежа LIN.

Същност на стандарта LIN
Създаден през 1999 г. от група европейски производители днес стандартът има 4 разновидности: LIN Specification 1.2, LIN Specification 1.3 от ноември 2002 г.,  LIN Specification 2.0 от септември 2003 г. и  LIN Specification 2.1 от ноември 2006 г., като специализираните интегрални схеми (ИС) обикновено работят с две или три от тях. Стандартът е предназначен да осигурява обмен на данни с максимална скорост 20 kbps между възли (Node) в автомобила. Свързването на възлите се прави с един проводник (вторият е шасито), обикновено наричан шина, с допустима дължина между два възела 40 m. Обменяните данни са цифрови с логически нива (0 и 1), дадени на фиг. 1 като процент от напрежението на акумулатора VBAT. Границите на нивата в приемниците са по-широки от тези в предавателите не само поради известните принципи, но и защото при влошаване на дадена връзка (особено с шасито) и голям ток през нея може да се получи значителен пад на напрежение, който да "повдигне" недопустимо ниското логическо ниво или да "свали" високото. Максимално допустимата скорост SR на смяна от едното логическо ниво в другото е 2 V/ms, с което се намаляват смущенията от LIN мрежата към други електронни устройства в автомобила. Това означава минимална продължителност на фронтовете на импулсите tmin[ms] = (U1[V] – U0[V])/SR[V/ms], където U0 и U1 са напреженията съответно на лог.0 и лог.1. Например при VBAT = 12,6 V и логически нива 10% и 90% от това напрежение трябва tmin = (11,34V – 1,26V)/2V/ms = 5 ms.
Изходите на всички възли са с отворен дрейн и се свързват по схемата на фиг. 2, като резисторът R е със съпротивление 1 kW в управляващите възли (Master) и 30 kW в управляваните (Slave) възли. Поради това при незадействани възли по шината се установява лог. 1, често наричана Recessive, а при задействане на възел се получава лог. 0 (Dominant). Диодът D е поставен за блокиране на евентуално прехвърляне на сигнали към акумулатора при намалено негово напрежение. За ограничаване на максималната скорост на обмен трябва всеки извод на възел спрямо маса да има капацитет 220 pF, а цялата шина - 10 nF.
Към един управляващ възел могат да се свържат до 15 управлявани, което представлява една подмрежа (Subnet). При необходимост от повече възли могат да се създават повече подмрежи, като връзката между тях се осъществява от управляващите ги възли и има възможност един управляващ възел да е част от повече подмрежи. За избягване на адресирането, известно от много други мрежи, е прието управляващият възел да осигурява във всеки момент от времето по мрежата да се предава само едно съобщение (Mеssage).
За икономия на енергията в акумулатора всеки управляван възел автоматично преминава в режим “Изключен” (Sleep Mode), ако в продължение на 4 s не е предавал данни. При получаване на сигнал за активиране трябва възлите да са готови за предаване най-много 0,1 s след края му. Напълно е възможно да има интервали от време, през които по шината не се обменят данни (Idle Bus). Тогава управляващият възел остава активен и следи за получаването на сигнал за активиране (Wake-Up Signal) на управляван възел, представляващ подаване по шината на лог. 0 за време 0,25 - 5 ms. Същото логическо ниво може да се получи и при късо съединение на шината към маса, с което да направи невъзможен обменът на данни по нея. За избягване на това някои приемопредаватели имат контролен таймер (Watchdog Timer), който ги изключва при наличие на лог. 0 повече от 5 ms.
Обменът на данните се извършва в LIN пакети (LIN Frame), структурата на всеки от които е дадена на фиг. 3а и има две части - начален пакет (Frame Header) и пакет с отговор (Frame Response). Първият се изпраща от управляващия възел и се състои от три части. Началната SBR е прекъсване на синхронизацията (Sync Break) и започва с най-малко тринадесет лог. 0 и завършва с поне една лог. 1. Чрез нея на управляваните възли се “съобщава”, че предаването започва. Следва синхронизиращият байт (Sync Byte) SB с реална дължина 10b, който започва с лог.0 и завършва с лог. 1. Целта му е синхронизация на управляваните възли, което позволява те да работят с евтини резонатори (допустим толеранс 14%). След SB по желание може да се постави междубайтов интервал (Interbyte Space) IS с дължина 1b, което обикновено се прави при използване във възлите на прости и евтини микроконтролери.
Последната част на началния пакет е идентификаторът (Protected Identifier) PID, чиято структура е дадена на фиг. 3б и е същата, както в интерфейса SCI (Serial Communication Interface). В началото й има разред “Старт” (Start Bit) от лог.0, следват 8 разреда със съдържанието, като предаването им започва с младшия LSB и завършва със старшия MSB, и накрая е разредът “Стоп” (Stop Bit) също лог.0. Предназначението на първите 6 от осемте разреда е да определи типа на исканите от управляваните възли данни, които могат да бъдат 60 разновидности, всяка определяна от двоично число с десетичен еквивалент между 0 и 59. То достига до всички управлявани възли, тяхното програмно осигуряване (Slave Task) го обработва и отговор дава само възелът, който притежава исканите данни. Това означава, че управляващият възел в LIN не адресира съобщенията, а възелът, който ще ги приеме, се определя от PID. Останалите два разреда в PID са за проверка по четност на първите 6 разреда.
При скорост на предаване 20 kbps начален пакет с дължина 35 b (дадената на фиг. 3а) има продължителност 1,75 ms. В зависимост от обема на данни в управлявания възел пакетът с отговора може да съдържа 2, 4 или 8 байта Di, всеки със структурата на фиг. 3б. Пакетът завършва с байт за проверка (Checksum Byte) CSB, предназначен да открие наличието на евентуални грешки  в байтовете Di.
Описаният LIN пакет се нарича безусловен (Unconditional Frame), който може да има две разновидности. Спорадичният пакет (Sporadic Frame) е точно описаният, т.е. при него отговор дава само един управляем възел и известните от други мрежи сблъсъци (Collision), водещи до грешки в обмена на данни, по принцип не съществуват. При определения от съдържанието пакет (Even Triggered Frame) е възможно при един начален пакет да се получат няколко пакета с отговори от различни управлявани възли и има опасност от сблъсъци. Предимството му е, че тук всеки управляван възел дава отговор само ако има нови данни, което е предпоставка за увеличаване на скоростта на обмен на данни по мрежата.
Специфични са двата вида диагностични пакети (Diagnostic Frame). При единия от тях управляващият възел изпраща към друга мрежа (напр. CAN) Master Request Frame, съдържащ начален пакет и пакет с отговор, показващ състоянието на LIN мрежата. Другият вид е за проверка на управляван възел, към който управляващият изпраща начален пакет и като отговор получава Slave Response Frame.

LIN приемопредаватели
Приемопредавателите за LIN (LIN Transceiver) представляват специализирани ИС, чиято работа като приемници се състои в преобразуването на идващите по шината LIN данни в такива с едни от стандартните логически нива. Това от своя страна изисква източник на стабилизирано напрежение, което се използва и при работата на предавателя - той преобразува данни със стандартни логически нива в изискваната от стандарта LIN форма.
Действието на приемопредавателите се изяснява чрез обобщената структура на фиг. 4, в която ключовете SI и SS са MOS транзистори, като SI и извод INH съществуват само в някои приемопредаватели. Извод LIN е свързан към шината LIN и в режим на предаване по нея данните постъпват на вход TXD, който обикновено може да работи с 3,3 V и 5 V логически нива. Блокът SRC осигурява изходни импулси с логически нива в съответствие с фиг. 1 и точно определена продължителност на фронтовете, т.е. фиксира стойността на SR. В част от приемопредавателите SR може да се задава от управляващия блок CNTR, което същевременно означава фиксиране на максималната скорост на данните на изход LIN.
В общия случай има 3 режима на работа, но те не са задължителни за всички приемопредаватели – част от тях са с един или два режима. Изборът на режим се прави чрез логическите нива на определени входове на ИС, например TXD и EN на фиг. 4. Нормалният режим (Normal Mode) е задължителен, тъй като съответства на стандарта LIN, а в зависимост от конкретната ИС минималната скорост може да е 1 kbps или 2,4 kbps. При бавния режим (Slow Mode) стойността на SR е около 1 V/ms, а максималната скорост на обмен - 10 kbps. Той се използва когато е необходимо намаляване на смущенията, създавани от мрежата LIN. Бързият режим (Fast Mode) осигурява SR малко над 10 V/ms и съответно максимална скорост 100 kbps. Използва се в изолирани случаи, например за обмен на данни с управляващи блокове (ECU).
Следващите два блока са класически – драйверът DRT осигурява работата на крайното стъпало OS, реализирано с един или два MOS транзистора. Общо действието на предавателната част се състои в осигуряване на лог.0 на извод LIN при лог.0 на TXD и прекъсване на изходната верига на OS при лог.1 на TXD, когато на LIN се получава високо логическо ниво благодарение на резистора 30k, диода и затворения ключ SS.
В режим приемане най-напред чрез филтъра F се намаляват неизбежните смущения от шината LIN. Приемникът REC формира на изхода си импулси със същите логически нива, както тези на вход TXD, които чрез драйвера DRR се подават на изход RXD. Даденият с прекъсната линия блок TS е температурен сензор за изключване на ИС при превишаване на определена нейна температура и съществува само в някои приемопредаватели. Вход EN е за разрешаване на работата на ИС или привеждането й в режим "изключена" (Sleep Mode). Особеност е съществуването  и на режим "очакване" (Standby Mode), в който не е възможно предаване, ключът SS е отворен и извод LIN е свързан към захранващото напрежение VS чрез източник на ток, а приемникът работи. Преминаването от него в работен режим става чрез съответен сигнал (Wake-Up Event) по шината LIN, при което таймерът WUT за време tW превключва ИС от режим "изключена" в "очакване". Той също е даден с прекъсната линия, защото фигурира само в част от приемопредавателите.

Същото превключване се осъществява чрез подходящо логическо ниво на вход WAKE.
Последният елемент в структурата е ключът SI, също съществуващ само в част от приемопредавателите. При затварянето му чрез сигнал от блок CNTR на извод INT се получава напрежението VS.
Типичната схема на свързване на приемопредавател е дадена на фиг. 5, като VS е напрежението на акумулатора на автомобила, а диодът D1 е предпазен. С CU е означен контролираният чрез LIN елемент, например сензор, изпълнителен механизъм, ключ, електродвигател или лампа. Микроконтролерът mC осигурява на вход TXD данните за предаване, приема тези от изход RXD и включва и изключва приемопредавателя TR чрез входа EN. Изход RXD е с отворен дрейн и налага поставянето на резистора R (съпротивление около 5 kW), когато няма такъв в mC. При отворен ключ SW на вход WAKE е част от VS, което е достатъчно за установяване на работен режим на TR, докато при затварянето на SW се преминава в режим "очакване". Стабилизираното захранващо напрежение на mC и съответно високото логическо ниво на изходите му се осигуряват от стабилизатора REG. Диодът D2 и резисторът 1 kW се поставят само когато схемата трябва да работи като управляващ възел, като осигуряват лог.1 на линията при липса на предаване.

Схемата на фиг. 5 може да се използва и като управляван възел, но тогава изход INH е свободен или може да се използва за включване и изключване на REG.
Основните параметри на приемопредаватели от разгледания вид са дадени в табл.1, като ISr и ISd са консумираният ток в нормален режим съответно при лог.1 и лог.0 на извод LIN. С RINH е отбелязано съпротивлението на ключа SI на фиг. 4, а IINH е максималният ток през него. Напрежението URXDL е максималната стойност на лог.0 на изход RXD, а напреженията UTXDL и UTXDH на вход TXD са съответно максималното на лог.0 и минималното на лог.1. Величината ILIMm е максималният ток на извод LIN при работа на ИС като предавател, а ESD е максимално допустимото напрежение на извод LIN, породено от електростатични заряди. Полезно е да се има предвид, че обикновено ИС издържат отскоци на VS няколко пъти по-големи от максималната му постоянна стойност и че работят в широк температурен обхват (обикновено от -40 до +125°С). Особеност на ИС в ред 3 е необходимостта от допълнително захранващо напрежение 5V±10%  за работа на приемника, от което се консумира типично 0,4 mA. Това е и един от малкото двойни приемопредаватели (два еднакви в един корпус).

LIN приемопредаватели с вграден стабилизатор
В тях е вграден блокът REG от фиг. 5, което е съществено при нужда от минимизиране на заеманата площ от схемата. Той осигурява напрежение VREG,  обикновено със стойност 3,3 или 5 V. Допълнително предимство на повечето ИС е, че имат допълнителен извод с напрежението VREG за захранване на външни сензори или други схеми с ток до IREGm. Характерни примери за ИС на такива приемопредаватели са дадени в табл. 2, като липсата на данни в колоните RINH и WUT на някои от тях означава, че те не притежават съответно ключа SI на фиг. 4 и таймер за преминаване в режим "очакване" от режим "изключена". В ИС на ред 2 е предвидено чрез външен резистор  да се програмира закъснение от няколко десетки ms  между създаване на условия за започване на работа и самото започване, с което се повишава сигурността на обмен на данните (няма опасност някои да бъдат изпуснати). Особеност на приемопредавателя от ред 3 е наличието на два ключа SI. Характерно за ИС в ред 5 е, че представлява четворен приемопредавател с общ блок REG, от който няма извод защото е предназначен само за захранване на самата ИС.

Микроконтролери за LIN
Обединяването на приемопредавател за LIN с микроконтролер в една ИС намалява още повече заеманата площ от един възел и неговата цена, особено когато в ИС е и постояннотоковият стабилизатор. За практическата реализация на това има два подхода. Първият е изцяло програмен и при него в съществуващи микроконтролери се прибавя програмен продукт с общо наименование LIN driver. Един от примерите e LIN 2.0 Compliant Driver на Microchip с разновидности за фамилиите микроконтролери PIC16F и PIC18. И двете позволяват реализацията на управляващи и управлявани възли за работа със стандартите 1.2, 1.3 и 2.0, като първият се нуждае от 1636 думи в програмната памет на микроконтролера и 89В в паметта му за данни, а вторият – съответно 1КВ и 42В. Друг пример са драйверите на NEC Electronics, като тези за фамилията 8-разредни микроконтролери 78k0 са два вида – LIN-Master за осигуряване на работа като управляващ възел и LIN-Slave за работа като управляван възел. Фамилията 32-разредни микроконтролери V85x на същата фирма може да се използва като управляващ възел чрез създадения за нея друг LIN-Master, както и чрез новия интерфейс LINUART. Всички драйвери се предлагат безплатно от производителите на микроконтролери.
Вторият подход е създаването на специализирани микроконтролери за използване в автомобили, които могат да работят и като възли от мрежа LIN. Обикновено това се постига чрез прибавяне на блок с входни и изходни сигнали в съответствие с един или повече от стандартите LIN, чието наименование е в зависимост от това кой от класическите интерфейси е видоизменен за работа с LIN (освен споменатия LINUART съществуват LINSCI и LINFlex). И при двата подхода се използва входно-изходната шина с общо предназначение GPIO на микроконтролера, т.е. един от изводите й представлвява LIN в схемата на фиг. 4 и съответно логическите нива на LIN са тези на GPIO. В табл. 3 са дадени основните параметри на микроконтролери от този вид. Характерно за този в ред 1 е използването на един от изводите на GPIO като вход LIN, а друг – като изход LIN. Освен това могат да се програмират 215 стойности на скоростта на обмен на данни. Предимство на микроконтролера от ред 2 е, че се захранва непосредствено от автомобилен акумулатор, докато този от ред 3 работи в управлявани възли само с вградения си RC генератор и изводите му са както на микроконтролера от ред 1. Даденият в последния ред има 3-канален интерфейс LINFlex и за работата на LIN е предвиден специален контролер, за да не се отнема ресурс от централното ядро.
Със специфична структура е ИС АТА6612 на Atmel, в чийто корпус са поставени приемопредавателят АТА6624 с основни параметри в ред 2 на табл. 2 и 8-разредният микроконтролер Atmega88 с RISC архитектура. Възможна е работа на ИС като управляващ и управляван възел с малък брой външни елементи. Пример за схемата на управляван възел е даден на фиг. 6, като захранването е непосредствено от акумулатор VBAT и се подава на извод 27. Напрежението от вградения стабилизатор е на извод 26 и се подава на изводи 2, 36 и 38 за захранване на микроконтролера. Разрешението за работа се получава от микроконтролера на извод 34 и е подадено на вход EN (извод 28) на приемопредавателя. Данните на входа на приемника (извод 17) постъпват от извод 14, а данните от изхода на предавателя (извод 19) – в извод 15. Чрез резистора 10 kW се задава споменатото при АТА6624 закъснение за гарантиране на сигурността на обмен на данни.

Сензори с LIN
Логичното съчетаване на сензор с приемопредавател за LIN, с всички естествени предимства от това, прави първите си крачки. Един пример е ИС MLX80103 на Melexis с вграден стабилизатор, предназначен да следи състоянието на механични ключове (до 30) и да предава данни за това в съответствие със стандарта LIN 2.0. Същевременно има 3 изхода за задействане на светодиоди за индикация. Характерни приложения са за следене на ключовете на волана, седалките, прозорците и тези на контролното табло.
Безколекторните постояннотокови електродвигатели имат многобройни приложения в автомобилите, между които е достатъчно да се споменат спирачната система, помпите за гориво, масло и вода, вентилаторът за охлаждане на мотора и този в климатика на купето и регулирането на положението на седалките. При всички тях е важно във всеки момент да се знае положението на ротора на електродвигателя, което се постига чрез ИС MLX81200, предназначена за трифазни двигатели. Тя се захранва с напрежение 6-18 V и освен положението на ротора следи и тока на двигателя.
За контрол на напрежението на акумулатора е предвидена ИС AduC7034 на Analog Devices, която представлява съчетание на аналогова част с микроконтролер. Чрез вграден делител се получава част от напрежението, която се подава на аналоговоцифров преобразувател чрез програмируем усилвател. Промяната на неговия коефициент на усилване се извършва чрез LIN с цел задаване на желан обхват и точност на измерването. Съответстващото на напрежението число се подава на блока LIN в ИС и от един от изводите GPIO постъпва в мрежата в съответствие със стандартите LIN 1.3 и LIN 2.0. Измерва се и токът на акумулатора в границите от 1 до 1500 А чрез създаваното от него напрежение върху резистор 0,1 mW. Температурата на акумулатора също се измерва чрез външен сензор, свързан към вход на ИС или чрез вградения в нея сензор.
Чрез ИС ZMD31030 на компанията ZMD също може да се измерва околната и вътрешната й температура, но нейното основно предназначение е измерване на произволна неелектрическа величина, сензорът за която е част от резистивен мост. Предимство е възможността за проверка на действието на приемопредавателя за LIN и калибриране на сензора чрез сигнали по мрежата LIN. Опростената схема на свързване е дадена на фиг. 7, като напрежението на моста, пропорционално на измерваната величина, се подава между изводи VBP и VBN, а захранването се осигурява от вградения стабилизатор (изводи VDDA и VSSB). Правят се измервания през 8 ms, като прицизността им се осигурява чрез записване във вградената EEPROM на коригиращи коефициенти, подавани по мрежата LIN.
Последният пример е ИС HAL2810 на Micronas, която чрез стандарта LIN 2.0 предава данните от вградения си сензор на Хол. Последният измерва магнитното поле, пропорционално на механични величини, обикновено линейно и ъглово преместване - например пропорционално на нивото на бензина в резервоара.

LIN възли в съвременен автомобил
ВОЛАН:  круиз контрол, чистачки, мигачи, управление на радиото, и др.
КЛИМАТИК:  управление на серводвигатели, контролен панел
ДВИГАТЕЛ:  сензори и серводвигатели
ПОКРИВ:  сензори за дъжд и светлина, подвижен люк.
СЕДАЛКИ:  електродвигатели за настройка на положението, сензор за седнал
водач, панел за управление
ВРАТИ:  огледала, ел. стъкла, централно заключване




Top