摘要:隨著汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展,LIN（Local InterconnectNetwork）總線技術(shù)更多地運(yùn)用到汽車(chē)的分布式電子控制系統(tǒng)中。在LIN協(xié)議的各種實(shí)現(xiàn)方法和分析工具中,比較各種方法和工具的性能,優(yōu)缺點(diǎn),采用PsoC和WirelessUSB技術(shù)實(shí)現(xiàn)LIN總線分析儀。因?yàn)镻soC具有硬件模塊可重配置功能以及芯片在不同的時(shí)鐘周期中實(shí)現(xiàn)不同的功能,能有效地節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間,降低了系統(tǒng)功耗和開(kāi)發(fā)成本。
　
　　引言

　　LIN是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò),用于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)（例如CAN總線）提供輔助功能。在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場(chǎng)合,比如智能傳感器和制動(dòng)裝置之間的通訊,使用LIN總線可大大節(jié)省成本。

　　目前,低成本的局部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)LIN在汽車(chē)電子和工業(yè)控制中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,而基于LIN總線的協(xié)議分析和調(diào)試測(cè)試工具少且昂貴。大部分LIN總線開(kāi)發(fā)工具存在一些問(wèn)題:（1）調(diào)試LIN總線通常做法是通過(guò)網(wǎng)關(guān)將LIN幀轉(zhuǎn)換成CAN幀,再用基于CAN的測(cè)試工具間接調(diào)試LIN,當(dāng)網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)這種方式就行不通;（2）和PC連接時(shí)采用串口或USB接口等有線的連接方式,在特定環(huán)境無(wú)法引線的情況下無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)發(fā)調(diào)試。

　　SoC（System on a Chip片上系統(tǒng)）技術(shù)是將微控制器或DSP核、存儲(chǔ)器、邏輯電路、I/O接口及其他功能模塊綜合在一顆芯片上的系統(tǒng)解決方案。由于處理器和存儲(chǔ)器的可編程能力,使得這種以CPU為核心的解決方案具有很強(qiáng)的靈活性和可修改能力。賽普拉斯（cy—press）公司開(kāi)發(fā)的PSoC是目前靈活性的基于微控制器的片上系統(tǒng)解決方案,它模塊化的片內(nèi)數(shù)字和模擬電路不僅具有很高的可編程性,而且還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重新配置,即在運(yùn)行時(shí)根據(jù)系統(tǒng)不同時(shí)刻的需求,通過(guò)編程動(dòng)態(tài)地改變存儲(chǔ)在片內(nèi)閃速存儲(chǔ)器中設(shè)定的參數(shù).重新定義系統(tǒng)所需要功能模塊的種類(lèi)和數(shù)量,動(dòng)態(tài)地完成芯片資源的重新分配,實(shí)現(xiàn)新的外圍元器件的功能。采用PSoC可以迅速縮短設(shè)計(jì)周期,降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),保證系統(tǒng)資源的zui大化、zui合理化和化應(yīng)用,在無(wú)線、手持式設(shè)備、數(shù)據(jù)通信和工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域PSoC都有著廣泛的應(yīng)用。

　　WirelessUSB是Cypress公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)短距離點(diǎn)到點(diǎn)或多點(diǎn)到點(diǎn)的無(wú)線連接而設(shè)計(jì)的一種低延遲、干擾免疫、低成本和低功耗的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò),適合無(wú)線電腦外設(shè)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。WirelessUSB的協(xié)議是輕量級(jí)的,可以在只帶256字節(jié)RAM和8K字節(jié)ROM的8位微控制器中實(shí)現(xiàn)。WirelessUSB使用頻分多址（FDMA）和碼分多址（CDMA）,可有效避開(kāi)其它無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的干擾,能夠與藍(lán)牙、Wi-Fi等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)共存,在面向2.4GHz無(wú)線系統(tǒng)的同類(lèi)產(chǎn)品中提供*的抗干擾性能。傳輸距離從10米（zui高1Mbps）到50米（zui高62.5Kbps）,使用既有的USB架構(gòu),因此無(wú)須特別的驅(qū)動(dòng)軟件。

　　為彌補(bǔ)LIN網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)工具的不足,本文提出的方案一基于PSOC的無(wú)線LIN總線分析儀,通過(guò)無(wú)線連接能并行調(diào)試多個(gè)LIN總線,在有效降低開(kāi)發(fā)成本和提高開(kāi)發(fā)效率的同時(shí)提供更好的擴(kuò)展性和靈活性。
　
　　LIN總線分析儀硬件介紹
　　
　　LIN總線數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)由主機(jī)橋接器（1個(gè)）和總線監(jiān)控終端（多個(gè)）兩部分組成?？偩€監(jiān)控終端采集LIN總線上的數(shù)據(jù),通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給主機(jī)橋接器;主機(jī)橋接器從無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上接收LIN總線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),通過(guò)USB接口發(fā)送到PC,由PC監(jiān)控軟件對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)、錯(cuò)誤檢測(cè)、主機(jī)仿真、從機(jī)仿真等功能。

　　系統(tǒng)的硬件由主機(jī)橋接器（通過(guò)USB接口連接PC）和LIN總線監(jiān)控終端（連接LIN總線）組成,LIN總線監(jiān)控終端選用MCU+RF的構(gòu)架,包括PSoC控制器、射頻收發(fā)器、LIN收發(fā)器和電源管理等。

　　主機(jī)橋接器采用PRoC架構(gòu),在單芯片內(nèi)集成了線性穩(wěn)壓器、enCoRe-U微控制器、USB設(shè)備和射頻收發(fā)器,僅需極少的外部元件。

　　系統(tǒng)在選擇控制器時(shí)考慮到功能的擴(kuò)展,選用了功能強(qiáng)大的CY8C29466,它集成了性能為4M1PS的8位M8C處理器、32K的Flash、2K的SRAM,還集成了24/48MHz晶振、32KHz晶振,以及16個(gè)可編程的功能強(qiáng)大的數(shù)字用戶模塊、12個(gè)模擬用戶模塊和可編程的內(nèi)部互聯(lián),可非常方便地選用多達(dá)100種的外設(shè)和設(shè)置連接方式,將PCB上大部分的元件和走線移到芯片內(nèi)部,而且可動(dòng)態(tài)重配置,開(kāi)發(fā)非常靈活。

　　系統(tǒng)中的射頻芯片選擇CYRF6936,它屬于WirelessUSB LP系列,是Cypress的第二代射頻片上系統(tǒng)（Soc）,兼容*代的CYWUSB69XX器件。CYRF6936增加了一系列增強(qiáng)的特性,包括更廣的操作電壓范圍（1.8~3.6V）、更小的工作電流、更高的數(shù)據(jù)率（zui大速率為1Mbps）、更短的晶振起振時(shí)間、同步穩(wěn)定時(shí)間和鏈路切換時(shí)間。CYRF6936可用于無(wú)線鼠標(biāo)鍵盤(pán)、無(wú)線操縱桿、遠(yuǎn)程無(wú)線傳感和控制、無(wú)線耳機(jī)、家庭自動(dòng)化和自動(dòng)化儀表等。

　　主機(jī)橋接器（Bridge）選用Cypress的PRoC（Programmable Radio On Chip）LP（Low Power）芯片CYRF69213。PRoC LP器件在一個(gè)芯片里集成了微控制器和射頻收發(fā)器,是同樣封裝提供雙重功能的單芯片解決方案,它主要集成了性能為4MIPS的8位M8C處理器、USB2.0低速接口、2.4GHz射頻收發(fā)器,內(nèi)部還集成了3.3V電壓調(diào)節(jié)器和USB上拉電阻等,大大減少外部元件,縮小電路板面積,有效降低成本。CYRF69.213的主要用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的橋接器,將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口發(fā)往PC機(jī),同時(shí)將PC機(jī)的控制命令發(fā)給無(wú)線設(shè)備。

　　局部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）是車(chē)身網(wǎng)絡(luò)的zui低層級(jí)的網(wǎng)絡(luò),它提供了傳感器和執(zhí)行器之間的低成本通信。本論文采用LIN總線驅(qū)動(dòng)器MC33661符合LIN 2.0規(guī)范,很好地解決了以前的驅(qū)動(dòng)器MC33399模式過(guò)于單一、無(wú)法調(diào)節(jié)翻轉(zhuǎn)頻率導(dǎo)致器件功耗較大、驅(qū)動(dòng)功率不夠等問(wèn)題。

　　考慮到系統(tǒng)的外部電源、MCU和無(wú)線射頻模塊的工作電源、MCU的工作電流,電源模塊選用帶關(guān)斷功能的低壓差線性穩(wěn)壓器LT1121-5（5V穩(wěn)壓）和率的線性電壓調(diào)節(jié)器AMS1117~3.3（3.3V穩(wěn)壓）。
　　
　　LIN總線分析儀軟件介紹
　　
　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案圍繞著數(shù)據(jù)的提取、傳輸和處理。從數(shù)據(jù)流向上看,數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)四個(gè)階段的處理,分剮是LIN總線協(xié)議處理（ 從總線上提取數(shù)據(jù)幀）、WirelessUSB協(xié)議處理、USB協(xié)議處理和PC監(jiān)控軟件的處理（顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和總線信息）。本系統(tǒng)軟件可分成三大部分:總線監(jiān)控終端、主機(jī)橋接器和PC,其中總線監(jiān)控終端包括LIN協(xié)議處理和WirelessUSB協(xié)議處理,主機(jī)橋接器包括WirelessUSB協(xié)議處理和USB協(xié)議處理,PC包括USB協(xié)議處理和監(jiān)控軟件處理。
　　
　　軟件需要處理的任務(wù)

　　總線監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

　　LIN總線監(jiān)控任務(wù):該任務(wù)時(shí)刻監(jiān)控LIN總線的活動(dòng),當(dāng)有數(shù)據(jù)幀到達(dá)時(shí),將接收到的數(shù)據(jù)幀放入無(wú)線發(fā)送緩沖區(qū),同時(shí)還需處理沖突和數(shù)據(jù)出錯(cuò)。

　　WirelessUSB從機(jī)傳輸任務(wù):該任務(wù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)幀傳送到主機(jī)橋接器,同時(shí)接收主機(jī)的配置信息,傳遞給LIN監(jiān)控任務(wù)。

　　主機(jī)橋接器軟件設(shè)計(jì)

　　主機(jī)USB設(shè)備監(jiān)聽(tīng)任務(wù):主要處理和USB主機(jī)的交互,時(shí)刻監(jiān)聽(tīng)USB主機(jī)的請(qǐng)求事務(wù)。

　　WirelessUSB主機(jī)傳輸任務(wù):主要功能是接收監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)幀,傳送給USB監(jiān)聽(tīng)任務(wù),同時(shí)將主機(jī)的配置信息傳送給總線監(jiān)控終端。

　　PC機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì):

　　主機(jī)USB傳輸任務(wù):該任務(wù)主要處理主機(jī)與USB設(shè)備的交換,定時(shí)發(fā)送事務(wù)輪詢USB設(shè)備。

　　主機(jī)輸入輸出處理任務(wù):該任務(wù)主要處理USB數(shù)據(jù)與用戶的交互。
　　
　　LIN2.1協(xié)議各層的實(shí)現(xiàn)任務(wù)

　　LIN總線具有規(guī)范的分層結(jié)構(gòu),它定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層的協(xié)議規(guī)范。物理層定義了LIN總線傳輸媒介的物理特性、總線驅(qū)動(dòng)和接收特性、位速率誤差和位定時(shí)和同步等。數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀接收和錯(cuò)誤檢測(cè)、波特率計(jì)算以及數(shù)據(jù)的包裝,解包,負(fù)責(zé)報(bào)文過(guò)濾和恢復(fù)管理等功能。傳輸層實(shí)現(xiàn)了單幀或多幀數(shù)據(jù)傳輸,在應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層之間翻譯數(shù)據(jù)幀,傳輸診斷請(qǐng)求和響應(yīng),提供外部總線的診斷接口,實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)配置、識(shí)別和診斷。

　　數(shù)據(jù)鏈路層是LIN2.1協(xié)議的核心,負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀,處理信號(hào)的組幀和解幀。
　　
　　LIN協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層的PSoC實(shí)現(xiàn)

　　由于LIN總線分析儀既可以監(jiān)聽(tīng)總線活動(dòng),也可以仿真主機(jī)或從機(jī)節(jié)點(diǎn)。重點(diǎn)介紹總線分析儀數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)現(xiàn)?？偩€分析儀的數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)現(xiàn)包括調(diào)度表定時(shí)、間隔場(chǎng)的產(chǎn)生、間隔場(chǎng)和同步場(chǎng)的接收以及數(shù)據(jù)的傳輸。

　　調(diào)度表定時(shí)是通過(guò)一個(gè)8位計(jì)數(shù)器（schedule Timer）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。間隔場(chǎng)采用三個(gè)8位計(jì)數(shù)器產(chǎn)生,一個(gè)8位計(jì)數(shù)器（SB_Baud_Rate_Counter）用來(lái)產(chǎn)生波特率時(shí)鐘,為后兩個(gè)計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘;一個(gè)8位計(jì)數(shù)器（sB_Bit_Time_Counter）用來(lái)在每個(gè)數(shù)據(jù)位的中間產(chǎn)生位時(shí)中斷;一個(gè)8位計(jì)數(shù)器（Synchro_Break_Counter）用來(lái)產(chǎn)生實(shí)際的間隔場(chǎng)。