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1、LIN Bus 在用匯排中以低成本、資源為其特點，妥善運用將可提高汽附加價值。本文將介紹 LIN Bus 技術現況、運作架構、系統最佳化技術、與 CAN Bus的區隔，並以門控建置開發實提供進一步的明。今日汽的設計在安全、舒適、和環保等訴求下，對電子技術的仰賴日益加深。目前在汽架構中的體（Car body）、傳動系統（Power train）、安全系統（Safety）和載資通娛系統（Telematics/Infotainment）等各個部分中，都可以看到愈愈多的電子控制元件（ECU），它們賦與汽具智慧性的操控能，如會自動檢查門窗、燈是否關閉，在駕駛人進入內前自動接通電源，開時則會檢查是否斷電源
2、等等。目前汽內電子元件的結愈愈複雜，一台中平均存在著 80 個左右的電子元件或模組系統。過去採用傳統的電纜方式結燈、電動機、電磁閥、加熱器、空調等設備，以此方式結電子元件，龐大的纜線將造成體重的重負擔。因此，有必要導入標準化的匯排技術，此舉除低建置的困難及配線重外，也能提升控制的精確性，而且比較會有線化、磨損的問題。在此趨勢下，已有各種匯排技術出現在載網（In-Vehicle Network）當中，它們各有其技術特色，適合同的應用域。大致上可以分為五：第一是傳輸速最低的 LIN、TTP/A，適用於體控制；第二包括低速 CAN、SAE J1850、VAN（Vehicle Area Network
3、）等中速網匯排，適用於對即時性要求高的通信應用；第三包括高速 CAN、TTP/C 等，適用於高速、即時閉環控制的多傳輸網；第四包括 IDB-C、IDB-M（D2B、MOST、IDB1394）、IDB-Wireless（芽）等，專門用在載資通娛網之中；第五則包括 FlexRay 和 Byteflight，用在最具關鍵性、即時性最高的人身安全系統（請考表一）。本文將探討 LIN 的技術規格現況及在門控系統中的建置實。表一 載網匯排標準 等級 標準 傳輸速（bps）應用 Class A LIN、TTP/A 20K 以下 燈、照明、電動窗、門鎖、座椅調節等等 Class B 低速 CAN、SAE J1
4、850、VAN 20K125K 輛資訊中心、故障診斷、儀錶顯示等系統 Class C 高速 CAN、TTP/C 125K1M 電子式指示器、驅動資訊、自動化溫控、偵錯診斷等態資訊應用 Class D IDB-C、IDB-M（D2B、MOST、IDB1394）、IDB-Wireless（芽）10M 以上 汽導航系統、影音系統等多媒體資通應用 Class E FlexRay、Byteflight 1M10M 引擎控制、ABS、傳輸控制、剎控制等輛安全的即時控制 LIN Bus 技術現況 區域互網（Local Interconnect Network,LIN）是基於序通訊協定的載匯排的子集系統（su
5、b-bus system）。為支援多個智慧性節點的分散式系統設計，LIN 提供標準化的 API 以及軟體設計程。它的傳輸速雖然高，但其低成本的特性，能為需要用到 CAN 的裝置提供較為完善的網功能，包括空調控制（Climate Control）、後照鏡（Mirrors）、門模組（Door Modules）、座椅（Seats）、智慧性交換器（Smart Switches）、低成本感測器（Low-cost Sensors）等，請考圖一。圖一 LIN 的應用域 在重要規格的演進上，自 1999 推出 LIN 1.0 版、2002 12 月修訂 LIN 1.3 版，並在 2003 9 月再次發佈 LI
6、N 2.0 版規範，持續改進 LIN 匯排的性能與適用性。此外，美國汽工程師協會（SAE）下屬的輛架構任務組（Task Force）也基於 LIN 2.0 提出 J2602 規範，進一步低 LIN 2.0 中軟體單元的複雜性，此舉讓 LIN 從節點所需要的軟體代碼長縮短，在建置上會有效。此外，市場上的導業者也會針對 LIN 的效能提出改善技術，如 ST 的 LINSCI。一般，LIN 的主要特色及優勢包括：-採用一個主節點、多個從節點的概（最多支援 16 個節點）；-由於基於普通 UART/SCI 介面協定，其軟硬體成本極低；-在從節點（slave node）中用晶體振盪器（crystal o
7、scillator）或陶瓷諧振器（ceramic resonator）時鐘，也能做到自同步性，這能進一步低成本；-訊號傳播時間可預先計算，以滿足訊號傳輸的確定性；-基於應用交互作用的信號；-可達 20 kbps 資傳輸；-匯排電纜的長最多可以擴展到 40 公尺；LIN Bus 運作架構 LIN 網是基於一主多從的主從原則（master/slave principle）而形成的樸結構，因此需要由主節點週期性地對從節點發出詢問動作。週期的設定必須根據事件偵測的即時性要求，並將從節點的偵測結果傳送到到主控制器。在 LIN 上傳輸的訊號，其訊框結構上是由一個由主任務提供的標頭（header）和由從任務
8、處的回應部分（Response）所構成。標頭包含一個 13 位元的同步間隔位（synch break field）；一個由主任務產生的同步位（synch field）；以及一個辨位（identifier field）。其中每一個位元組位都以位元元組方式發送，起始位元元組的第一位編碼為“0，而終止位元編碼為“1。在回應部分則包含二、四或八個位元組的資位（data filed），以及一個位元組的驗證位（checksum field）。由主任務執的訊框標頭會依整個 LIN 叢集的進表決定每個訊框的傳輸時間，以確保網會超載，並能確保資傳輸的確定性。在 LIN 網中只有主節點採用晶體振盪器為系統提供精確
9、的基本時鐘，此時鐘會嵌入上述的同步位中，讓從任務能與主節點時序同步。請考圖二。圖二 LIN 訊框結構示意圖 LINSCI 最佳化 LIN 系統 以標準 SCI 所建置的 LIN 網雖已具備極佳的建置優勢，但讓想讓系統等級獲得最佳化，仍存在一些限制。想得到最佳化的 LIN 系統，必須考慮以下因素：-LIN 傳輸所需要的 CPU 負荷；-應用上所需要的時脈準確性；-LIN 傳輸的頻寬；-LIN 介面的穩定性/有效性；因此，為達到最佳化的需求，有必要在硬體技術上進強化。ST 的 LINSCI 即是經過強化的硬體 SCI 埠，可透過減少 CPU 負載提升系統效能；另外，其內部的 1MHz 震盪器、帶有
10、運算放大器的快速 10 位元 ADC，以及低電壓檢測器的可修整重啟電可透過消除對這些功能所需之外部電的需求簡化系統設計並低製造成本。8Kbyte 的擴充快閃記憶體能在單一供給電壓下操作，以低電板複雜並提供快速的編程能。LINSCI 可以被嵌入在一顆很小的 8-bit MCU 中，它的目的就是要讓從設備的 LIN功能能完全發揮，其功能包括標頭偵測（Header Detection）、指示器（Identifier）和非相關位元組過（Irrelevant Byte Filtering）、延伸性錯誤偵測（Extended Error Detection）和再同步化（Resynchronisation）
11、等。LINSCI 的訊框架構請考圖三。圖三 LINSCI 的訊框架構 進一步看，LIN 的鮑（Baud rate）是 10kbps 和 20kbps，這很難達成標準 SCI位元時間取樣原則所需要的 2%準確性。這是因為鮑預定標器（prescaler）的有限解析所造成的。假設 CPU 的頻是 8MHz，LIN 的鮑是 20kbps，由於 LIN的時脈容忍是15%，這造成2.33%的化錯誤。在LINSCI中則以12位元unsigned定點值（即 LDIV）取代 8 位元整值的鮑預定標器，能讓上述的化誤差下到 0.15%。門控系統建置案 以下將以門控模組系統的建置，進一步明 LIN 匯排的應用及設計
12、要求。在今日中階及高階款中的門控系統，往往需要這些功能：-門鎖（lock）和防盜門鎖（dead lock latch）；-動窗（Power Window）升；-踏腳燈（Footstep light）；-換面板照明（Switch panel illumination）；圖四顯示以 LIN 網組成的門控系統，它的主控節點是由一個中央體控制單元（Central Body ECU），它和體 CAN 網相結。每個門都由一個門模組（DM-Driver,DM-Passenger,DM-RearRight,DM-RearLeft）所組成，能夠提供動窗及門鎖功能。此外，個前門都有後視鏡控制（MMR,MML）的從
13、節點。在此系統中，還會有一個嵌在駕駛端的中央換面板（Central Switch panel,SP），它是一個獨的從節點，由它控制所有的動窗、手動門鎖及後視鏡調整等功能。圖四 LIN 網門控系統示意圖 此系統會對 LIN 網形成下述要求：-當主控器收到從遙控鑰匙發出的有效訊號時，必須要啟動門控系統，從節點通常是通過 CAN 匯排接收；-當正確的鑰匙打開前門時，也同時啟動門控系統；從節點會直接反應而需經由與主控器的通訊；-對換面板的詢問動作（Polling），以確保回應對各個驅動裝置控制（動窗、後視鏡調整、門鎖）的主動式換；-對所有從節點的詢問動作，以得到窗升的位置態，以及門的開關情況；-對所有
14、從節點的睡眠模式控制（即電池供應操作模式）；在清楚 LIN 網的要求後，我們必須選擇功能相符的微控制器（MCU）達成。這些 MCU 必須針對窗的升提供防夾（Anti pinch）、馬達的 PWM 控制及窗位置的監控功能；能以 SPI 介面控制門鎖馬達；對於鑰匙的拔出及開門的動作，能夠提供電源供應模式的接觸式監控，以及對後視鏡及換面板的操控功能。（圖五）是門控模組的功能方塊圖架構。在系統的規劃上，要一些注意的要，這包括時序的準確性，也就是為正確的運作，門模組需要一個容忍小於 3%的時間考，窗防夾（anti-pinch）功能的複雜演算法就需要這種準確性。此外，針對安全性（如防夾）和性（如門鎖偵測）
15、等功能，都會有實時性的要求。以手動打開汽門鎖的動作為，從鑰匙插入門鎖到打開，可接受的延遲時間必須小於 200ms，這表示反應時間很短。傳動馬達需要約 100ms 去打開門鎖，這只 100ms 給 MCU 完成從低功模式啟動、偵測到鑰匙，並觸發傳動裝置等動作。因此這個網必須採用 LIN 最快的傳輸速，也就是 20kbps。而在 20kbps的傳輸下，CPU 的反應時間必須要小於 1ms，否則資會失，LIN 的傳輸會失敗。另一個設計議題則是功耗，這對於多的 ECU 都是很關鍵的。以門控系統，即使子熄火，系統仍需進間隔性的監控詢問動作，這就會造成子電的持續消耗。監控的延遲間隔設定是蠻矛盾的事，因時間
16、間隔太長，則會造成反應動作上的遲鈍現象，但太短，又會增加系統的功耗。故障安全設計 相較於體 CAN 匯排系統，LIN 匯排並具有錯誤容忍性（fault tolerant），因此必須考慮短時匯排線的故障安全（fail-safe）機制，也就是每個節點必須有能分辨出短的匯排線。反應動作必須遵循特定的程式（如讓門鎖維持在打開的態，而每個節點的功耗應盡可能低）。以 ST 的 L9638 LIN 收發器為，它能提供額外的故障安全裝置（fail-safe）功能，如對短態的處。當 MCU 辨出短的 LIN 匯排線，電子控制器（ECU）可以把自己關掉，當收發器在消除短況後還能夠重新啟動。圖五 門控模組功能方塊圖
17、架構 LIN Bus 與 CAN Bus 有所區隔 目前電子控制元件已散佈整台子，它們讓傳動及感測功能變得有智慧性。在本文介紹的 LIN 網是屬於低傳輸速的匯排規格，但它的低成本及傳輸的正確性，仍然相當受到廠的歡迎。據估計在歐洲新出廠的子中，LIN 的應用佔相當大的比。當然，LIN 會有和 CAN 匯排控制網相同的效能，因此，在某一特定的載系統中，LIN 匯排是否能提供滿意的效能，就得看應用本身的需求而定。此外，透過專屬的設計，能夠讓 LIN 的功能得到全面性的發揮，如將 LIN 協定以硬體方式建置（如 LINSCI），可以讓 LIN 的驅動程式碼為簡化，也能增加系統的可靠性。MCU 的設計也是一大關鍵，以 ST72F361 為，它在標準 MCU上提供先進的 SCI 介面，並支援 LIN 功能，除能低 CPU 的負荷外，也能卻較高成本的精準時序資源。LIN 匯排本就是為與 CAN 形成區隔而設計的，以門控系統，它能大大低從主控器結到每個門的線，而成本也會比採用 CAN 匯排控制的解決方案得低。過，如果是關鍵性的應用，就得考成本高的CAN，以線匯排提供容錯能及高的效能。（本文作者為意法半導體STMicroelectronics 大中華區事業部經）