飞思卡尔的车内CAN/LIN网络解决方案

CAN能够为汽车电子设备提供稳定、可靠的低成本网络连接。迄今为止，全球的CAN节点已达1.5亿个，本地互连网络(LIN)能够为电机、开关、传感器和车灯提供一种低成本的网络连接方式，本文介绍飞思卡尔(Freescale)的车内CAN/LIN网络解决方案。

　　控制器区域网络(CAN)是一种异步的多主(multi-master)串行通信协议，可用来连接汽车和工业应用中的各种电子控制模块。最初，CAN 是为需要高级数据集成能力、以及要求数据速率达1Mbps以上的汽车应用而设计的。未来，CAN的应用范围还会继续增加，以至于任何一个需要稳定、可靠的低成本网络的系统或设备，都有可能成为CAN节点。

　　CAN应用的挑战

　　汽车应用中的CAN网络可根据流量性质的不同，分为两种截然不同的类型。第一种是车身控制网络，它的功能是控制乘客的舒适系统，因此该网络主要处理多种无序或以非规律频率出现的消息标示符(message identifier)。另一种是汽车动力总成网络(Powertrain network)，它的功能是传输与引擎和传动控制有关的消息，这些待处理信息的类型相对单一，但出现的频率却非常快，也非常有规律。但由于需要处理的信息类型的不同，导致两种网络在硬件和软件系统设计上也大向径庭。

　　与其它重要的网络协议一样， CAN需要一个物理层器件来执行通信功能。其物理层规范源自ISO/OSI规定的7层模型，负责对总线进行电流和电压控制。 物理层器件还需要处理瞬态电压，以及信令链路上的错误，并尽可能地纠错。

　　在过去10年里，有2个主要的物理层设计走上前台，并成为绝大多数CAN应用的物理层设计的基础。它们通常被称为高速和低速的物理层，并且都以电压差的方式在一对差分信号线上执行通信功能。当差分信号线中的某一条线出现短路或开路故障时，低速物理层架构就可变成一种单线架构(参考地电平)。由于要执行这项功能，低速架构对于总线速度高于125kpbs的操作来说，成本过于昂贵。这也正是125kpbs成为划分低速CAN和高速CAN的根本原因。尽管两种架构都是在一对线上使用一个电压参考，但每一种架构的终止方法(termination method)并不一样，产品系统也不兼容。

　　另外，通用汽车在不久前开发了一种新的CAN物理层。这种物理层只采用一根线，并将速度性能限制在33.33 kbps。这种单线的CAN物理层与上面两种类型有着显著的不同，也没有得到广泛接受。

　　其实，CAN标准规范中没有任何对物理层的要求，其它的标准组织也开发出了各种标准来帮助设计工程师开发各种能相互兼容的CAN设备。国际标准组织 (ISO)和汽车工程师协会(SAE)分别为欧洲和美国市场制定了各种标准，以确保各种物理层器件与推荐的设计规程之间有互用性。请访问www.iso.org，了解ISO11519-2(低速容错CAN)和ISO 11898(高速CAN)；或访问www.sae.org，了解SAE J2411(单线CAN)和SAE J2284-125/250/500(高速CAN)的标准规范。

　　针对CAN应用的解决方案

　　飞思卡尔的32位MCU采用了TouCAN或FlexCAN硬件模块，来与CAN总线进行通信。这些模块都是基于传统的"邮箱"或"完全 CAN(full-CAN)"硬件架构，具有16个消息缓冲器。当接收到消息后，相应的硬件过滤器会把消息装入到这16个"邮箱"中的一个(接收缓冲器)。这种方法非常适合于动力总成系统，因为该系统中的消息都非常有规律、可以预测，应用开发商可通过软件以足够快的速度清?quot;邮箱"，以便新的消息不会覆盖掉未处理的旧消息。但如果多条消息进入的速度实在太快、来不及处理和清空时，数据就会丢失。这就是为什么邮箱式架构并不一定适合于不可预测的、事件驱动型的数据网络的原因。

　　前面曾提到，车身电子网络的消息是零星产生的，具有不可预测的性质，这使飞思卡尔的Scalable CAN (msCAN) 架构非常适合这些应用。因为HC08、HC12和HCS12等MCU系列都是8位和16位的控制器，它们都是车身电子系统与器件的核心，因此msCAN模块适合用这些MCU系列来开发。由msCAN模块接收的CAN消息被放到一个先进先出(FIFO)的存储结构中，这种结构保持了所接收的消息的顺序，因此许多具有同一标示符的消息能够有序地快速接收，不必担心单一接收缓冲器会出现溢出问题。

　　为满足多种类型的CAN物理层的需求，飞思卡尔提供了一系列CAN物理层器件，来满足或超越ISO或SAE制订的性能标准。

但仅有一个简单的物理层器件是不够的。例如，所有的汽车模块都需要由经过调整的电源供电。有时，一个本地开关或传感器需要将该模块从睡眠状态下迅速激活为运行 状态，而开关或传感器的电压为汽车蓄电池的电压。这就是飞思卡尔的系统基础芯片(SBC)为汽车设计表(design table)带来的帮助和价值。SBC结合了CAN物理层所需要的电压调整、独立的看门狗定时器、本地激活电路，以便能用更少的元器件获得更大的灵活性。当这些电路能够采用同一半导体工艺制造时，就有必要将这些功能集成到单一封装内，减少设计最后阶段所需要的元器件数量。这将减少开发成本、提高可靠性、增加设计灵活性。

　　LIN应用的设计挑战

　　本地互连网络 (LIN) 是一种基于 UART 的单主 (节点) 多从 (节点) 网络架构，最早是为汽车传感器和制动器(actuator)的联网应用而开发的。它为电机、开关、传感器和车灯提供了一种低成本的网络连接方式。LIN不仅仅可以连接独立的传感器和制动器，其主节点还可以在LIN网络与CAN等更高级网络之间进行连接。

　　然而想把LIN网络集成到汽车环境中去并非轻而易举。目前绝大多数适合LIN的应用，都采用了分立的、点对点的线束系统，而没有考虑到负载端的芯片、电路和元件。因此，不论负载是灯或电机，还是传感器，通常都通过简单的连接器连接到杂乱的线束。结果，剩下的板上空间就十分有限，很难再集成LIN所需要的元件。例如在电动后视镜中，供应商可能会放置多达3个电机、发热元件、电镀铬玻璃和多个车灯，于是就没有留下足够的空间来满足其它潜在性要求。

　　对汽车电子制造商来说， 制造控制模块的能力是另一个重大挑战。 它不仅仅是LIN开发商会碰到的问题，也是电机、传感器和制动器制造商经常面对的问题。

　　最后，智能化的LIN网络系统为开发商提供了新的选择。现在，系统前端可以完成对电机、车灯和螺线管等负载的控制。由于可提供前所未有的控制和系统级信息，LIN网络可轻易否决诊断数据。然而问题是，为了控制和诊断这些负载，该如何设计一个小体积的半导体芯片，以适合于非常狭小的应用空间。

　　降低LIN网络的能量辐射也同样重要，因为长距离的线缆总线在传输信息时，会像天线一样对周围的其它器件辐射能量。作为单线总线，LIN可以在地电平与电池电压之间进行切换。这种大幅度的电压切换也会造成大量的电磁辐射，因此在进行物理层器件设计时需要更加仔细。

　　针对LIN应用的解决方案

　　作为一种开放式标准的UART协议，LIN使飞思卡尔能够开发出一条完整的、高度集成的机电元件产品线。这些元器件在一个非常紧凑的封装内，为特定的从设备应用(slave application)集成了所有需要的半导体器件与连接器，给LIN的从节点(slave node)开发商提供了巨大的好处。

　　高集成度解决了许多客户的设计挑战。其中一种机电器件的制造方法，是将MCU、物理层和负载处理(load hand-ling)的半导体器件放置在一个绝缘金属衬底 (IMS)上(该衬底可当作一个小的PCB)，这种方法可获得极佳的热性能。该IMS为负载处理、通信与逻辑半导体提供了无以伦比的散热性能。