現今，汽車往往包含數百個傳感器，主要用于測量和報告溫度與壓力等參數。在大多數情況下，這些傳感器位于車輛內，遠離監控和處理傳感器資料的主機微控制器 （Host MCU）。考量車輛的聯網接線成本，這些傳感器并不直接與控制器區域網路（CAN）或區域互聯網路（LIN）連接。克服這種接線局限性的方法是將標準三線 LIN網路轉化為兩線配置，其中LIN的從端節點（Slave Node）從LIN匯流排主通訊線直接取電，從而省去每個從端節點到電池的供電線。

　　標準LIN匯流排包括一個主端節點及不超過十五個與單一網路相連的從端節點。物理LIN網路是三線配置，包括電源（車輛電池）、接地和LIN匯流排通訊線。在主LIN匯流排上通常需要一個1kΩ上拉電阻RLIN，在正常LIN匯流排運作中，此上拉電阻在LIN匯流排為LIN網路上的從端節點提供偏壓，但不提供電力，從端節點的電力係來自電池輸入（圖1）。

　　圖1 標準三線LIN配置

　　設計人員可以使用簡化為兩線的非標準LIN網路架構，此種方法依靠連接的從端節點直接由從端LIN匯流排取得電能，進而省去從端節點到電池的獨立供電線（圖2）。

　　圖2 建議中的兩線LIN配置

　　由于省去電池供電線，為從端節點供電僅需一個阻塞二極管、VDS和緩沖電容CVS_S，緩沖電容應在LIN資料包傳輸期間足以保持從端節點供電電壓，定時推動LIN信號到接地。本文概述這種兩線接線方法的實施方案，并確定完全實現兩線LIN網路功能性必須考慮的固有系統折衷權衡。

　　左右從端節點性能　關鍵參數舉足輕重

　　成功實施兩線LIN網路的關鍵是連接從端節點的電能要求。必須給從端節點供應足夠的電能，從而以最低系統工作電壓維持通信：系統工作電壓一般是9伏特 （V）。若無法滿足這項條件，則不可能實施兩線LIN解決方案。在兩線實施方案中影響從端節點性能的關鍵參數為LIN匯流排電源、從端節點耗電量、從端節點緩沖電容及LIN匯流排資料協定。

　　影響兩線LIN網路效能　匯流排電源很關鍵

　　LIN匯流排的性能受到主端節點向從端節點供電的限制。在這種配置中，LIN從端節點的供電將由LIN匯流排主端節點上拉電阻RLIN決定（圖2）。從端節點的固定最低輸入工作電壓要求是5.5伏特。為滿足這種最低工作電壓要求，從端節點取得的負載電流必須不會使LIN主端節點上拉電阻的電壓降增加，從而使提供給從端節點的輸入電壓下降到5.5伏特以下，這是從端節點電壓調節器操作的最低操作電壓臨界值。圖3顯示在最低供電電壓為5.5伏特時，采用不同的 LIN主端節點上拉電阻提供給從端節點的最大負載電流。

　　圖3 在供電電壓為5.5V時，LIN網路主端節點上拉電阻和最大從端節點負載電流的關系。

　　在兩線配置中，無法使用LIN標準規范中規定的1kΩ主端節點上拉電阻。這個電阻太大，因而無法正確地為從端節點負載供電。上拉電阻必須盡可能降到最低值，而不超過LIN驅動器的電流限制規范。在使用愛特梅爾（Atmel）典型LIN收發器ATA6624的情況下，推薦的最低上拉電阻值是220歐姆 （Ω）。當LIN匯流排電壓設定較低時，電阻低于此數值可能導致過量電流經由LIN收發器。

　　牽動從端節點電流消耗　四大因素成關鍵

　　影響LIN從端節點整體電流消耗的因素為系統時脈頻率、功率管理、睡眠模式及LIN調度。

　　首先，針對系統時脈頻率，微控制器的系統時脈頻率對從端節點的電流消耗的影響最明顯，從端節點電流消耗與時脈頻率成正比。顯然，應該嘗試采用最低的時脈頻率，滿足應用功能設計要求。

　　至于睡眠模式的電源管理方面，可經由低電流運作模式和高電流運作模式之間的工作周期，進一步降低兩線LIN從端節點的整體電流消耗，如在LIN數據信框之間微控制器的省電/正常模式和LIN收發器的靜音/正常模式（圖4）。

　　圖4 典型電流對比系統時脈頻率（注：2MHz系統時脈、8位元回應、空載、省電/靜音模式測量1秒LIN調度表周期）

　　在兩線LIN應用中，省電模式與LIN收發器的靜音模式共用，可節省最多的電流。在這種模式中，所有產生時脈均被關閉，僅容許非同步模組運作（外部中斷、USI和看門狗）。為從省電模式喚醒微控制器，LIN主機首先須產生一個LIN喚醒請求，接著是LIN信框標頭。

　　在每個新接收的LIN喚醒/信框包的開始，經由喚醒，MCU進入正常模式，并將EN接腳（啟動LIN收發器）切換到HIGH。在LIN數據信框期間，從端節點MCU保持在正常模式，并能在收到同步中斷和資訊識別（ID）時提供即時數據回應。在LIN數據信框結束時，從端節點返回到省電模式。以這種方式操作設備，將明顯降低從端節點的平均電流消耗。

　　此外，在LIN調度的電源管理方面，LIN信框之間的時間，亦稱為調度表周期。LIN信框持續時間規定從端節點的供電工作周期，此工作周期影響兩線LIN 從端節點的平均電流消耗。在典型的19.2kbaud運作LIN網路中，每個單信框8位元數據信框回應的平均信框長度是2.95毫秒（ms）。圖5顯示在這些條件下，變化的調度表周期對處于省電/靜音和正常模式之間的從端節點供電工作周期之影響。

　　圖5 LIN調度周期影響對比電流消耗（2MHz系統時脈）

　　由此可見，延長調度表周期可降低從端節點的平均電流消耗。然而，這種益處受到省電/靜音模式電流的約束，調度週期大于1秒的益處最小。

　　發揮從端節點緩沖電容功能　適量電荷儲存至關重要

　　雖然從端節點緩沖電容CVS_S是兩線LIN平衡的重要部分，但它的大小并非主因。為在LIN信框數據包期間（LIN信號定期設為低）給從端節點供電，并在LIN信框數據傳輸之間接收全部電荷（LIN信號上拉到系統供應電壓），這種電容必須提供足夠的電荷儲備。

　　實際上，小型試驗顯示，對于資料率為19.2kbaud、1LIN資料訊框之間延遲為100毫秒（或更大），以及最低工作電池電壓為9伏特的網路而言，為維持從端節點的電能，緩沖電容為47-100μF已經足夠。

　　牽動緩沖電容的充/放電率　三大LIN匯流排資料協定擔重任

　　LIN匯流排資料協定的格式將影響從端節點供電線緩沖電容的充電/放電率，三種影響資料格式因素為資料傳輸率、傳輸資料量及LIN資料調度表周期。

　　為使資料傳輸速率最大，LIN匯流排資料率應保持較高，即最高串列傳輸速率為19.2kHz或更高。資料量（位元數）應盡可能保持較低，以期最大限度縮短 LIN匯流排上主導狀態（邏輯水準低）的持續時間。最后，LIN調度表周期持續時間應當足夠長，使得LIN匯流排為從端節點供電的時間可在LIN數據信框之間，給緩沖電容CVS_S重新充分充電。

　　多從端節點網路采標準LIN協定

　　用于測試和特性描述的多從端節點兩線LIN網路如圖6所示，兩線LIN網路的總節點數受到LIN主端節點上拉電阻取得所需電流提供給連接的從端節點，以保持正常操作能力的限制（從端節點VS大于5.5伏特）。

　　圖6 兩線LIN多從端節點網路

　　這種網路利用標準LIN協定，與LIN2.x標準不存在任何方式的差異，調度表專為適用于兩線LIN應用而進行最佳化，其中LIN喚醒信框之后是單一從端節點信框。

　　標準LIN協定要求每個節點必須處理匯流排上每個輸入信框ID，此迫使每個從端節點在每個輸入資訊時喚醒，與所有權無關。先發送喚醒信框，然后是單一從端節點信框，盡量縮短每個從端節點供電“開啟”的時間。這種發送喚醒信框，再發送所有從信框的連續突發的交替方法，將導致從端節點保持喚醒的時間比所需要長，結果是整體系統負載電流增加，而此為應該避免的狀況。

　　啟動兩線LIN網路　電壓調節器挑大樑

　　只要供給從端節點的供應電壓無降至ATA6617電壓調節器的最低輸入電壓5.5伏特之下，即可實施多從端節點兩線LIN網路。在這方面，廣泛的試驗顯示，目前配置的網路一次無法支援超過三個從端節點。施加在LIN上拉電阻上的有效負載無法取得足夠的電流，以滿足所有運作條件下的最低輸入電壓要求。

　　最后，網路受到LIN主端節點上拉電阻的電壓降和多個從端節點誘導的累積負載限制。在網路上增加從端節點，將會增加施加在LIN主端節點上拉電阻上的有效負載。施加的負載Vbatt導致主端節點上拉電阻RLIN的電壓降增加，從而降低提供給從端節點的輸入供應電壓。若輸入電壓下降到電壓調節器運作所需的最低輸入電壓5.5伏特以下，輸出將成為未調節，從端節點將不可運作。在這種運作模式中，電壓調節器經由作用類似開關的電晶體，輸入電壓直接流到調節器輸出。此區域的電壓調節器電流不穩定，可能超過3毫安培（mA），超過正常調節電流。在這種不穩定區域運作，將導致LIN主端節點上拉電阻RLIN的電壓降呈非線性增加。

　　在網路上增加從端節點，大幅提高出現“未調節”電壓調節器狀況的風險。此由于啟動時，電源開始給網路供電之際，每個從端節點的負載電流出現暫態峰值所致。要啟動每個從端節點的電壓調節器，需要更多的電流，即使多從端節點網路的平均電流消耗是每個從端節點約0.8毫安培；但在啟動時，每個節點的整體電流消耗必須額外增加2-3毫安培。

　　三個從端節點連接到網路時，從端節點啟動暫時在網路施加的單一額外負載，此負載在正常運作期間并未出現。在啟動時，LIN匯流排供應電壓約5.5伏特。最后，從端節點電壓調節器穩定下來，供應電壓穩定在8.2伏特，這時開始網路通訊。

　　強化節點電流處理效能　五節點網路執行多從端節點

　　網路中增加第四個從端節點時，LIN匯流排供應電壓永遠不會從啟動負載條件下恢復，并在5伏特（比電壓調節器的最低運作電壓低0.5伏特）徘徊。在此種情況下，所測量的LIN主端節點上拉電阻的電壓降是3.3伏特。

　　在這些條件下，採用下述公式計算經由220歐姆LIN主端節點上拉電阻的負載電流：

　　．IRLIN=VRLIN/RLIN=3.3/220=15mA

　　由圖3可知，在5.5伏特時，220歐姆LIN主端節點上拉電阻支援的最高負載電流約13毫安培。由于增加第四個從端節點而導致的15毫安培負載電流比兩線LIN網路所能處理的高2毫安培。因此，從端節點無法對主訊框請求做出回應。

　　為減緩這種影響，考慮從端節點是順序啟動的狀況（節點接連啟動，而不是一次全部啟動）。令人吃驚的是，各個從端節點的啟動極大地降低重定時網路上的電流負載，實際上增大兩線網路的節點電流處理能力。

　　采用這種實施方法的網路可在相同的網路條件下，運行多達十二個從端節點，每個從端節點的電流是0.8毫安培，以及3毫安培電壓調節器啟動瞬態一次限于一個從端節點。則

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

　　．ISlave_total=從端節點數量ISlave=12× 0.8=9.6mA 及

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

　　計算得出電流為12.6毫安培，稍低于LIN主端節點經由220歐上拉電阻能夠支持的13毫安培最高供應電流。從理論上而言，這種網路應該是可行的。

　　實現兩線LIN聯網　從端節點電能為成敗點

　　由上述的分析和測量結果顯示，僅須稍做努力，很容易將現有LIN聯網拓撲（三線，電池、接地和LIN）轉換為兩線實施方案（LIN和接地）。只須充分理解系統供應/負載要求及進行幾處硬體改動，使從端節點在LIN數據信傳輸之間從主LIN匯流排上取得電能。這種兩線LIN網路非常適合系統限制為一主端節點和不超過三從端節點，且所有節點均同時供電的低節點數目網路。若系統設計人員能夠實施從端節點順序啟動，以限制網路啟動時的浪涌電流的上電方案，則有潛力增加從端節點的數目。
作者：愛特梅爾公司 Darius Rydahl

本文轉摘自電子發燒友網《汽車電子特刊》5月刊

?