帧收发的硬件实现
目录
帧收发的硬件实现
一、组成
二、协议控制器
1、协议控制器介绍
2、实现方法
三、总线收发器
1、实现方案
2、采用IC厂家的集成方案
四、LIN 总线
五、时钟源
六、EMI 及其控制
本章着重介绍与 LIN 帧收发相关的硬件的组成、特点以及应用设计时的注意事项。本章内容对应着 LIN 规范的以下部分：
● LIN Protocol Specification(部分内容)
● LIN Physical Layer Specification
一、组成
收发 LIN 帧需要的硬件包括 协议控制器(Protocol Controller) 、 总线收发器(Bus Transceiver)和 LIN 总线三部分 ，如下图 所示。
LIN 规范并未限定传输介质的类型和连接器的规格。目前 LIN 网络主要使用铜线作为传输介质，针对铜线的总线收发器也是市场主流。 鉴于这种情况，下文如无特别说明，均是针对铜线介质展开。
二、协议控制器
1、协议控制器介绍
协议控制器的主体是一个基于 UART/SCI 的通信控制器， 工作方式是半双工 。协议控制器既可以使用专用模块实现，也可以用“UART/SCI+ 定时器 ” 实现。发送时，协议控制器把二进制并行数据转变成高 - 低电平信号，并按照 规定的串行格式(8 数据位，1 停止位，无校验位) 送往总线收发器；接收时，协议控制器把来自总线收发器的高- 低电平信号按照同样的串行格式储存下来，然后再将储存结果转换成二进制并行数据。
协议控制器要能产生和识别帧的同步间隔段。同步间隔段包含一个低电平脉冲，长度至少为13 位。发出和识别同步间隔段虽然增加了硬件设计的复杂度，但是从接收方的角度看，这样做能把同步间隔段与普通的数据字节区别开，确保了同步信息的特殊性。
协议控制器要能执行本地唤醒(Local Wakeup) 。需要唤醒总线时，协议控制器通过总线收发器向 LIN 总线送出唤醒信号 。
协议控制器要能识别总线唤醒(Bus Wakeup) 。当收到来自 LIN 总线的唤醒信号时，协议控制器能够正确动作，进入规定的通信状态( 注 1) 。
注： 1. 例如，主机节点延迟 100ms ，然后查询唤醒来源。
2、实现方法
依据硬件资源不同可以分为 3 类： UART/SCI+ 定时器+ 外部中断、硬件 LIN(Hardware LIN)和 LIN 模块 (LIN Module)，分别面向对成本和性能有不同侧重的应用。
三、总线收发器
总线收发器的主体 是一个双向工作的电平转换器 ， 完成协议控制器的高-低电平与 LIN 总线的隐性-显性电平(注 1)之间的转换。 显性 - 隐性电平的定义如下表 所示。
LIN 规范规定： LIN 总线的电平参考点是总线收发器的电源参考点。 为了克服电源波动和参考点漂移的影响， LIN 规范要求总线收发器要能承受±11.5%的电源波动和参考点电平波动，并且能承受电源和参考点之间 8%的电位差波动。 收发双方的电平鉴别门限也设置了较大的冗余度。 总线收发器还包括一些附加的功能，例如总线阻抗匹配、压摆率(Slew-rate) 控制等。此外，LIN 规范要求总线收发器具备这样一种特性： 本地节点掉电或工作异常时，不能影响总线上其他节点工作。
1、实现方案
在一些要求不高的场合，可以采用简单的收发器电路，如下图 所示。
2、采用IC厂家的集成方案
不少半导体厂商提供集成化的总线收发器，这些产品功能完善，环境适应能力强，设计产品时建议优先考虑。
四、LIN 总线
LIN 总线是衔接所有 LIN 节点的通信介质。
LIN 总线的特征阻抗 —— 尤其是容抗 —— 会影响信号的波形，在设计产品时应予以重视 。
为汽车电子产品增加 LIN 功能所花费的成本与获得的灵活性相比，往往后者更为显著。汽车上大多数传感器、执行器除至少要接 1 根电源线和 1 根地线外，此外还有一些模拟 / 数字信号线，这些接口往往存在兼容性的问题。如果采用 LIN 规范，仅用 3 根线 ( 电源、地和 LIN) 就可以实现标准化的数字接口。传感器、执行器通过总线连接，汽车结构设计可以更加灵活，线束的数量( 重量 ) 不但不会增加，还可能减少。
五、时钟源
LIN 网络的主机节点必须设置较高精度的时钟，而从机节点则不必。 换句话说，主机节点是 LIN 网络的时间基准，这保证了位速率的准确性。LIN 规范规定一个 LIN 网络里只有一个主机节点，这保证了位速率的唯一性。LIN 规范规定所有通信都由主机节点发起，并在帧头中加入同步段，这就给从机节点提供了主机节点位速率的信息。只要所有从机节点都能在 LIN 通信时与主机节点采用同样的位速率， LIN 网络就能正常工作。这种做法虽然降低了传输效率，但是一方面减少了高精度时钟数量，降低了成本；另一方面不需要仲裁，降低了软硬件设计复杂度。
主机节点、从机节点位速率要满足下表 的要求。
● 主机节点、从机节点的位速率必须在使用环境要求的温度范围和电压范围内，优于规定的精度 ( 主机节点是±0.5% ，从机节点是 ±14%) 。
● 同步之前，主机和从机节点的位速率与额定位速率的误差应符合 Ftol_res_master 和 Ftol_res_slave/Ftol_unsync 的要求。主机节点按主机位速率发出同步间隔段，从机节点应可按从机位速率将其解释为长度大于 9 ～ 11 位的显性电平 ( 这个宽度必须是帧的其他部分不可能出现的 ) 。这里除了要考虑从机节点对时间的测量误差( 取决于时钟精度 ) ，还要考虑从机节点可用位速率与额定位速率的误差，以及 LIN 总线电抗特性造成的传输延迟 ( 固有误差，取决于硬件设计 ) 。
● 同步之后，从 PID 段到校验和段，通信双方的位速率相对误差不大于 ±2%( 即 Ftol_sync 和 Ftol_sl_to_sl) 。如果是主机节点与从机节点通信，设 Ftol_res_master 为 ±0.5% ，那么不论从机节点是否利用同步段修正位速率，其位速率相对于额定位速率的误差不能大于 Ftol_sync - Ftol_res_master ，即 ±1.5% 。如果是从机节点之间通信，对从机节点各自的位速率误差的要求将高于±1.5% 。
六、EMI 及其控制
EMI 这里指电磁干扰。对于 LIN 而言， EMI 主要由位速率和压摆率共同决定。位速率决定单位时间内电平变化次数，压摆率决定电平跳变的快慢。单位时间内跳变次数越多，每次跳变持续时间越短，跳变过程包含的谐波成分就越丰富，EMI 也越大；相反，跳变持续时间越长，单位时间跳变次数越少，其谐波成分越少， EMI也较低。
LIN 可以控制 EMI。这是因为协议控制器可以控制 LIN 总线位速率，总线收发器可以控制压摆率。 另外，LIN 协会把 LIN 的最高位速率限制在 20kbps 。值得一提的是，这个速度远非 LIN 物理层的极限，而是在数据速率与 EMI 之间权衡的结果。
