爱特梅尔：简化线路配置 两线LIN架构加快汽车联网设计

　　现今，汽车往往包含数百个传感器，主要用于测量和报告温度与压力等参数。在大多数情况下，这些传感器位于车辆内，远离监控和处理传感器资料的主机微控制器 （Host MCU）。考量车辆的联网接线成本，这些传感器并不直接与控制器区域网路（CAN）或区域互联网路（LIN）连接。克服这种接线局限性的方法是将标准三线 LIN网路转化为两线配置，其中LIN的从端节点（Slave Node）从LIN汇流排主通讯线直接取电，从而省去每个从端节点到电池的供电线。

　　标准LIN汇流排包括一个主端节点及不超过十五个与单一网路相连的从端节点。物理LIN网路是三线配置，包括电源（车辆电池）、接地和LIN汇流排通讯线。在主LIN汇流排上通常需要一个1kΩ上拉电阻RLIN，在正常LIN汇流排运作中，此上拉电阻在LIN汇流排为LIN网路上的从端节点提供偏压，但不提供电力，从端节点的电力係来自电池输入（图1）。

　　

　　图1 标准三线LIN配置

　　设计人员可以使用简化为两线的非标准LIN网路架构，此种方法依靠连接的从端节点直接由从端LIN汇流排取得电能，进而省去从端节点到电池的独立供电线（图2）。

　　

　　图2 建议中的两线LIN配置

　　由于省去电池供电线，为从端节点供电仅需一个阻塞二极管、VDS和缓冲电容CVS_S，缓冲电容应在LIN资料包传输期间足以保持从端节点供电电压，定时推动LIN信号到接地。本文概述这种两线接线方法的实施方案，并确定完全实现两线LIN网路功能性必须考虑的固有系统折衷权衡。

　　左右从端节点性能　关键参数举足轻重

　　成功实施两线LIN网路的关键是连接从端节点的电能要求。必须给从端节点供应足够的电能，从而以最低系统工作电压维持通信：系统工作电压一般是9伏特 （V）。若无法满足这项条件，则不可能实施两线LIN解决方案。在两线实施方案中影响从端节点性能的关键参数为LIN汇流排电源、从端节点耗电量、从端节点缓冲电容及LIN汇流排资料协定。

　　影响两线LIN网路效能　汇流排电源很关键

　　LIN汇流排的性能受到主端节点向从端节点供电的限制。在这种配置中，LIN从端节点的供电将由LIN汇流排主端节点上拉电阻RLIN决定（图2）。从端节点的固定最低输入工作电压要求是5.5伏特。为满足这种最低工作电压要求，从端节点取得的负载电流必须不会使LIN主端节点上拉电阻的电压降增加，从而使提供给从端节点的输入电压下降到5.5伏特以下，这是从端节点电压调节器操作的最低操作电压临界值。图3显示在最低供电电压为5.5伏特时，采用不同的 LIN主端节点上拉电阻提供给从端节点的最大负载电流。

　　

　　图3 在供电电压为5.5V时，LIN网路主端节点上拉电阻和最大从端节点负载电流的关系。

　　在两线配置中，无法使用LIN标准规范中规定的1kΩ主端节点上拉电阻。这个电阻太大，因而无法正确地为从端节点负载供电。上拉电阻必须尽可能降到最低值，而不超过LIN驱动器的电流限制规范。在使用爱特梅尔（Atmel）典型LIN收发器ATA6624的情况下，推荐的最低上拉电阻值是220欧姆 （Ω）。当LIN汇流排电压设定较低时，电阻低于此数值可能导致过量电流经由LIN收发器。

　　牵动从端节点电流消耗　四大因素成关键

　　影响LIN从端节点整体电流消耗的因素为系统时脉频率、功率管理、睡眠模式及LIN调度。

　　首先，针对系统时脉频率，微控制器的系统时脉频率对从端节点的电流消耗的影响最明显，从端节点电流消耗与时脉频率成正比。显然，应该尝试采用最低的时脉频率，满足应用功能设计要求。

　　至于睡眠模式的电源管理方面，可经由低电流运作模式和高电流运作模式之间的工作周期，进一步降低两线LIN从端节点的整体电流消耗，如在LIN数据信框之间微控制器的省电/正常模式和LIN收发器的静音/正常模式（图4）。

　　

　　图4 典型电流对比系统时脉频率（注：2MHz系统时脉、8位元回应、空载、省电/静音模式测量1秒LIN调度表周期）

　　在两线LIN应用中，省电模式与LIN收发器的静音模式共用，可节省最多的电流。在这种模式中，所有产生时脉均被关闭，仅容许非同步模组运作（外部中断、USI和看门狗）。为从省电模式唤醒微控制器，LIN主机首先须产生一个LIN唤醒请求，接着是LIN信框标头。

　　在每个新接收的LIN唤醒/信框包的开始，经由唤醒，MCU进入正常模式，并将EN接脚（启动LIN收发器）切换到HIGH。在LIN数据信框期间，从端节点MCU保持在正常模式，并能在收到同步中断和资讯识别（ID）时提供即时数据回应。在LIN数据信框结束时，从端节点返回到省电模式。以这种方式操作设备，将明显降低从端节点的平均电流消耗。

　　此外，在LIN调度的电源管理方面，LIN信框之间的时间，亦称为调度表周期。LIN信框持续时间规定从端节点的供电工作周期，此工作周期影响两线LIN 从端节点的平均电流消耗。在典型的19.2kbaud运作LIN网路中，每个单信框8位元数据信框回应的平均信框长度是2.95毫秒（ms）。图5显示在这些条件下，变化的调度表周期对处于省电/静音和正常模式之间的从端节点供电工作周期之影响。

　　

　　图5 LIN调度周期影响对比电流消耗（2MHz系统时脉）

　　由此可见，延长调度表周期可降低从端节点的平均电流消耗。然而，这种益处受到省电/静音模式电流的约束，调度週期大于1秒的益处最小。

　　发挥从端节点缓冲电容功能　适量电荷储存至关重要

　　虽然从端节点缓冲电容CVS_S是两线LIN平衡的重要部分，但它的大小并非主因。为在LIN信框数据包期间（LIN信号定期设为低）给从端节点供电，并在LIN信框数据传输之间接收全部电荷（LIN信号上拉到系统供应电压），这种电容必须提供足够的电荷储备。

　　实际上，小型试验显示，对于资料率为19.2kbaud、1LIN资料讯框之间延迟为100毫秒（或更大），以及最低工作电池电压为9伏特的网路而言，为维持从端节点的电能，缓冲电容为47-100μF已经足够。

　　牵动缓冲电容的充/放电率　三大LIN汇流排资料协定担重任

　　LIN汇流排资料协定的格式将影响从端节点供电线缓冲电容的充电/放电率，三种影响资料格式因素为资料传输率、传输资料量及LIN资料调度表周期。

　　为使资料传输速率最大，LIN汇流排资料率应保持较高，即最高串列传输速率为19.2kHz或更高。资料量（位元数）应尽可能保持较低，以期最大限度缩短 LIN汇流排上主导状态（逻辑水准低）的持续时间。最后，LIN调度表周期持续时间应当足够长，使得LIN汇流排为从端节点供电的时间可在LIN数据信框之间，给缓冲电容CVS_S重新充分充电。

　　多从端节点网路采标准LIN协定

　　用于测试和特性描述的多从端节点两线LIN网路如图6所示，两线LIN网路的总节点数受到LIN主端节点上拉电阻取得所需电流提供给连接的从端节点，以保持正常操作能力的限制（从端节点VS大于5.5伏特）。

　　

　　图6 两线LIN多从端节点网路

　　这种网路利用标准LIN协定，与LIN2.x标准不存在任何方式的差异，调度表专为适用于两线LIN应用而进行最佳化，其中LIN唤醒信框之后是单一从端节点信框。

　　标准LIN协定要求每个节点必须处理汇流排上每个输入信框ID，此迫使每个从端节点在每个输入资讯时唤醒，与所有权无关。先发送唤醒信框，然后是单一从端节点信框，尽量缩短每个从端节点供电“开启”的时间。这种发送唤醒信框，再发送所有从信框的连续突发的交替方法，将导致从端节点保持唤醒的时间比所需要长，结果是整体系统负载电流增加，而此为应该避免的状况。

　　启动两线LIN网路　电压调节器挑大樑

　　只要供给从端节点的供应电压无降至ATA6617电压调节器的最低输入电压5.5伏特之下，即可实施多从端节点两线LIN网路。在这方面，广泛的试验显示，目前配置的网路一次无法支援超过三个从端节点。施加在LIN上拉电阻上的有效负载无法取得足够的电流，以满足所有运作条件下的最低输入电压要求。

　　最后，网路受到LIN主端节点上拉电阻的电压降和多个从端节点诱导的累积负载限制。在网路上增加从端节点，将会增加施加在LIN主端节点上拉电阻上的有效负载。施加的负载Vbatt导致主端节点上拉电阻RLIN的电压降增加，从而降低提供给从端节点的输入供应电压。若输入电压下降到电压调节器运作所需的最低输入电压5.5伏特以下，输出将成为未调节，从端节点将不可运作。在这种运作模式中，电压调节器经由作用类似开关的电晶体，输入电压直接流到调节器输出。此区域的电压调节器电流不稳定，可能超过3毫安培（mA），超过正常调节电流。在这种不稳定区域运作，将导致LIN主端节点上拉电阻RLIN的电压降呈非线性增加。

　　在网路上增加从端节点，大幅提高出现“未调节”电压调节器状况的风险。此由于启动时，电源开始给网路供电之际，每个从端节点的负载电流出现暂态峰值所致。要启动每个从端节点的电压调节器，需要更多的电流，即使多从端节点网路的平均电流消耗是每个从端节点约0.8毫安培；但在启动时，每个节点的整体电流消耗必须额外增加2-3毫安培。

　　三个从端节点连接到网路时，从端节点启动暂时在网路施加的单一额外负载，此负载在正常运作期间并未出现。在启动时，LIN匯流排供应电压约5.5伏特。最后，从端节点电压调节器稳定下来，供应电压稳定在8.2伏特，这时开始网路通讯。

　　强化节点电流处理效能　五节点网路执行多从端节点

　　网路中增加第四个从端节点时，LIN匯流排供应电压永远不会从启动负载条件下恢復，并在5伏特（比电压调节器的最低运作电压低0.5伏特）徘徊。在此种情况下，所测量的LIN主端节点上拉电阻的电压降是3.3伏特。

　　在这些条件下，採用下述公式计算经由220欧姆LIN主端节点上拉电阻的负载电流：

　　．IRLIN=VRLIN/RLIN=3.3/220=15mA

　　由图3可知，在5.5伏特时，220欧姆LIN主端节点上拉电阻支援的最高负载电流约13毫安培。由于增加第四个从端节点而导致的15毫安培负载电流比两线LIN网路所能处理的高2毫安培。因此，从端节点无法对主讯框请求做出回应。

　　为减缓这种影响，考虑从端节点是顺序启动的状况（节点接连启动，而不是一次全部启动）。令人吃惊的是，各个从端节点的启动极大地降低重定时网路上的电流负载，实际上增大两线网路的节点电流处理能力。

　　采用这种实施方法的网路可在相同的网路条件下，运行多达十二个从端节点，每个从端节点的电流是0.8毫安培，以及3毫安培电压调节器启动瞬态一次限于一个从端节点。则

　　．ISlave_total=number of slaves×ISlave= 12 ×0.8=9.6mA

　　．ISlave_total=从端节点数量ISlave=12× 0.8=9.6mA 及

　　．INetwork=ISlave_total+IVreg_start= 9.6+3=12.6mA

　　计算得出电流为12.6毫安培，稍低于LIN主端节点经由220欧上拉电阻能够支持的13毫安培最高供应电流。从理论上而言，这种网路应该是可行的。

　　实现两线LIN联网　从端节点电能为成败点

　　由上述的分析和测量结果显示，仅须稍做努力，很容易将现有LIN联网拓扑（三线，电池、接地和LIN）转换为两线实施方案（LIN和接地）。只须充分理解系统供应/负载要求及进行几处硬体改动，使从端节点在LIN数据信传输之间从主LIN汇流排上取得电能。这种两线LIN网路非常适合系统限制为一主端节点和不超过三从端节点，且所有节点均同时供电的低节点数目网路。若系统设计人员能够实施从端节点顺序启动，以限制网路启动时的浪涌电流的上电方案，则有潜力增加从端节点的数目。
作者：爱特梅尔公司 Darius Rydahl

本文转摘自电子发烧友网《汽车电子特刊》5月刊