銀燕杰，唐琳

（1.四川愛(ài)創(chuàng)科技有限公司，四川綿陽(yáng)，62100；2.吉利學(xué)院，四川成都，641400）

0 前言

新能源汽車中的電子部件越來(lái)越多，光是ECU就有上百個(gè)，這么多的電子單元都要進(jìn)行信息交互。傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信已經(jīng)不能滿足需求，因此必須采用先進(jìn)的總線技術(shù)。車用總線就是車載網(wǎng)絡(luò)中底層的車用設(shè)備或車用儀表互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)。目前，有四種主流的車用總線：CAN總線、LIN總線、F lexRay總線和Ethernet總線[1]。

其中LIN（Local Interconnect Network）是一種低成本的串行通信網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN 的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)（例如CAN總線）提供輔助功能，因此LIN總線是一種輔助的總線網(wǎng)絡(luò)。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)裝置之間的通信使用LIN 總線可大大節(jié)省成本。

LIN總線有如下特點(diǎn)：

(1)串行通信：線間干擾小，節(jié)省線束，傳輸距離長(zhǎng)；(2)單線傳輸：增強(qiáng)的ISO9141 (ISO 15765-1) , 總線電壓基于VBAT；(3)最高速率20Kbit/s：滿足車身上大部分的應(yīng)用需求，常用波特率為9600bit/s、19200bit/s；(4)單主多從結(jié)構(gòu)：無(wú)需仲裁；(5)基于通用UART/SCI的低成本接口硬件：幾乎所有MCU有具備LIN總線的硬件基礎(chǔ)；(6)從節(jié)點(diǎn)無(wú)須晶振或陶瓷振蕩器就可以實(shí)現(xiàn)同步：大幅度降低成本；(7)一條總線最多可連接16個(gè)節(jié)點(diǎn)：由總線電氣特性決定；(8)支持診斷功能：支持UDS服務(wù)。

雖然LIN有如上相關(guān)特點(diǎn)，但是采用LIN通信的相關(guān)ECU無(wú)法通過(guò)整車OBD接口進(jìn)行在線程序的刷寫(xiě)，如果出現(xiàn)ECU軟件BUG，就需要拆除ECU并通過(guò)JTAG等接口進(jìn)行軟件升級(jí)。這樣的操作不但操作繁瑣，而且一旦需要花費(fèi)大量資金用于軟件升級(jí)。本文通過(guò)設(shè)計(jì)一種基于LIN總線的在線刷寫(xiě)程序設(shè)備即可通過(guò)ECU的接插件進(jìn)行程序升級(jí)[2]。

1 整體框架設(shè)計(jì)

如圖1所示，整體電路分為3個(gè)部分：（1）LIN收發(fā)器/供電電路；（2）MCU電路；（3）數(shù)碼管電路[3]。

圖1 整體設(shè)計(jì)框圖

2 LIN收發(fā)器/供電電路設(shè)計(jì)

采 用Microchip的SBC（system basis chip）芯 片ATA663231即可實(shí)現(xiàn)LIN收發(fā)器和電源供電電路的設(shè)計(jì)。ATA663231器件系列包括兩個(gè)基本功能：一個(gè) LIN 系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片 和一個(gè)具有兼容封裝的低壓降穩(wěn)壓器。ATA663231是一款完全集成的 LIN 收發(fā)器，根據(jù)符合 LIN 規(guī)范 2.0、2.1、2.2、2.2A、ISO 17987-7 和 SAEJ2602-2，帶有低壓降穩(wěn)壓器（3.3V/5V/85 mA）。穩(wěn)壓器和總線收發(fā)器的組合使得在 LIN 總線系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單但功能強(qiáng)大的從節(jié)點(diǎn)成為可能。 ATA663231設(shè)計(jì)用于處理車輛中的低速數(shù)據(jù)通信（例如，在便利電子設(shè)備中）。改進(jìn)的 LIN 驅(qū)動(dòng)器斜率控制可確保高達(dá) 20 Kbaud 的安全數(shù)據(jù)通信?？偩€輸出設(shè)計(jì)用于承受高壓。即使在浮動(dòng)或短路 LIN 總線的情況下，睡眠模式和靜音模式也能確保將電流消耗降至最低。 ATA663231是一款完全集成的低壓降穩(wěn)壓器，具有 3.3V/5V 輸出電壓和 85 mA 電流能力。它專為汽車環(huán)境而設(shè)計(jì)。一個(gè)關(guān)鍵特性是電流消耗始終低于170μA（無(wú)負(fù)載），即使電源電壓低于穩(wěn)壓器的標(biāo)稱輸出電壓。電路圖如圖2所示。

圖2 ATA6623C內(nèi)部框圖

ATA663231具備兩個(gè)功能：

LIN數(shù)據(jù)收發(fā)：PIN6（LIN）收到整車LIN控制器的指令，內(nèi)部轉(zhuǎn)換后通過(guò)PIN1（RXD）發(fā)輸給MCU。另一方面MCU也會(huì)將一些反饋數(shù)據(jù)，比如故障信息，通過(guò)PIN4（TXD）發(fā)送給ATA663221，再通過(guò)PIN6（LIN）傳輸給整車的LIN 控制器。ZD1為T(mén)VS，能有效抑制浪涌電壓；L1和C8組成LC電路來(lái)提升設(shè)備的EMC性能。C8的容值不能選擇過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致LIN輸入信號(hào)的上升沿和下降沿過(guò)緩，最嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟幀的情況發(fā)生。建議選擇C8為100pF/50V的陶瓷貼片電容。L1可以選擇EPCOS 的B82432-C。L1和C8還需要根據(jù)EMC測(cè)試來(lái)調(diào)整電容值和電感值。

LDO：整車蓄電池（9～16VDC）的電壓通過(guò)PIN7（VS）輸入到ATA663221，內(nèi)部轉(zhuǎn)換后輸出PIN8（3.3V）給MCU供電。電源轉(zhuǎn)換電路的輸入和輸入分別需要一個(gè)電解電容用來(lái)儲(chǔ)能，一個(gè)陶瓷電容用來(lái)濾波，這樣的設(shè)計(jì)可以抑制電源紋波。還需要注意的是，需要在電源輸入端接防反接二極管ZD2用作保護(hù)。ZD2的選擇除了考慮耐壓，還需要選擇壓降小的肖特基二極管或者快恢復(fù)二極管。SW1是一個(gè)開(kāi)關(guān)，在需要進(jìn)行供電的時(shí)候閉合開(kāi)關(guān)。

圖3 防反接保護(hù)電路

3 MCU電路設(shè)計(jì)

MCU采 用Microchip的dsP IC33CK128MP 505，該MCU具備LIN控制器模塊，它和ATA 663231的LIN收發(fā)器功能共同實(shí)現(xiàn)了LIN總線的硬件收發(fā)功能。由于需要通過(guò)Bootloader刷寫(xiě)ECU的程序，F(xiàn)lash需要選擇256KB。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 MCU電路

MCU電路具體如下功能：

（1）晶振電路：晶振可為MCU提供基本的時(shí)鐘信號(hào)，通常晶振應(yīng)用在MCU系統(tǒng)中，有利于各部分保持同步。C11和C13為兩個(gè)起振電容。只有在外部所接電容為匹配電容的情況下，振蕩頻率才能保證在標(biāo)稱頻率附件的誤差范圍內(nèi)。從原理上講，直接將晶振接到單片機(jī)上，單片機(jī)也可以正常工作。但是，這樣構(gòu)成的振蕩電路會(huì)產(chǎn)生諧波。雖然這些諧波對(duì)電路的影響不大，但會(huì)導(dǎo)致電路時(shí)鐘振蕩器的穩(wěn)定性降低。所以，為了振蕩電路的穩(wěn)定性，建議在晶振的兩個(gè)PIN接入兩個(gè)陶瓷電容來(lái)削減對(duì)振蕩電路穩(wěn)定性的影響。但是這兩個(gè)電容具體的大小沒(méi)有什么普遍意義上的計(jì)算公式，不同MCU的要求也是不一樣的。最終選擇兩個(gè)起振電容的容值后，需要進(jìn)行測(cè)試來(lái)確保振蕩電路的穩(wěn)定性。

（2）按鍵及LED電路：通過(guò)KEY1和KEY2兩個(gè)按鍵設(shè)置輸入信息；3個(gè)LED等D1、D2、D3反饋相關(guān)信息。KEY1到MCU有0和1兩種輸入模式，同樣KEY2也有；因此，總共可以設(shè)置4種輸入模式。沒(méi)一個(gè)LED也有亮和滅兩種情況；因此，3個(gè)LED可以反饋8種模式。

（3）濾波去耦電路：需要在MCU的每對(duì)電源引腳（例如，VDD/VSS 和 AVDD/AVSS）上使用去耦電容。電路中的C9、C10、C12、C14為去耦電容。建議使用參數(shù)為 0.1μF（100 nF）、10-20V的電容。該電容應(yīng)具有低ESR，諧振頻率為20MHz 或更高。建議使用陶瓷電容。去耦電容應(yīng)盡可能靠近引腳。建議將電容與器件放置在電路板的同一層。如果空間受限，可以使用過(guò)孔將電容放置在 PCB 的另一層，但請(qǐng)確保從引腳到電容的走線長(zhǎng)度小于0.25英寸（6mm）。

由于電路只使用了MCU的少數(shù)PIN，為了防止外部干擾導(dǎo)致MCU工作異常，要么將沒(méi)有使用的PIN通過(guò)電阻下拉到GND，要么通過(guò)軟件設(shè)置為MCU內(nèi)部下拉到GND。由于采用軟件下拉到GND可以節(jié)約器件和利于PCB的Layout，最終采用此方案。

4 數(shù)碼管電路

由于3個(gè)LED只能顯示有效的信息，比如刷寫(xiě)程序的進(jìn)度條等信息無(wú)法通過(guò)LED實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示，那么設(shè)計(jì)必要的顯示電路就顯得尤為重要。數(shù)碼管顯示相對(duì)于LCD等液晶屏的顯示，不但成本低，而且軟件易編寫(xiě)。具體電路如圖5所示。

圖5 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片選用CH452，它內(nèi)置時(shí)鐘振蕩電路，可以動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng) 8 位數(shù)碼管或者 64 位 LED，具有 BCD 譯碼、閃爍、移位、段位尋址、光柱譯碼等功能；同時(shí)還可以進(jìn)行 64鍵的鍵盤(pán)掃描；CH452 通過(guò)可以級(jí)聯(lián)的 4 線串行接口或者 2 線串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù)；并且可以對(duì)單片機(jī)提供上電復(fù)位信號(hào)。

CH452 對(duì)數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)，順序?yàn)?DIG0 至 DIG7，當(dāng)其中一個(gè)引腳吸入電流時(shí)，其他引腳則不吸入電流。CH452 內(nèi)部具有電流驅(qū)動(dòng)級(jí)，可以直接驅(qū)動(dòng) 0.5 英寸至 1 英寸的共陰數(shù)碼管，段驅(qū)動(dòng)引腳 SEG6～SEG0 分別對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的段 G～段 A，段驅(qū)動(dòng)引腳 SEG7 對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)，字驅(qū) 動(dòng)引腳 DIG7～DIG0 分別連接 8 個(gè)數(shù)碼管的陰極；CH452 也可以連接 8×8 矩陣的發(fā)光二極管 LED 陣列；CH452 可以改變字驅(qū)動(dòng)輸出極性以便直接驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)數(shù)碼管（不譯碼方式），或者通過(guò)外接反相驅(qū)動(dòng)器支持共陽(yáng)數(shù)碼管，或者外接大功率管支持大尺寸的數(shù)碼管。

數(shù)碼管選擇SMA420564共陰極數(shù)碼管。MCU通過(guò) 相 關(guān) 指 令 控 制CH452的PIN4(ADDR)、PIN5(SDA)、PIN6(SCL)，然 后CH452的PIN11(DIG3)、PIN12(DIG2)、PIN13(DIG1)、PIN14(DIG0)來(lái)控制SMA420564的4位數(shù)碼管的哪一位，而PIN18～PIN24來(lái)控制7段中哪一段進(jìn)行點(diǎn)亮。

5 PCB排版

原理圖的繪制后，需要通過(guò)專用軟件進(jìn)行PCB的排版。排版的基本原則為分模塊布局，并且美觀。由于本設(shè)計(jì)器件較少，但是由于對(duì)尺寸空間要求盡量小型化，最終采用雙面板進(jìn)行PCB的排版。

6 軟件設(shè)計(jì)

升級(jí)邏輯除了能完成更新程序的基本功能外還應(yīng)當(dāng)考慮其通用性和對(duì)原控制程序的影響。LIN通訊在實(shí)際應(yīng)用，各整車廠具體的協(xié)議互不相同，并沒(méi)有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。且各廠也未就升級(jí)在協(xié)議中做相關(guān)定義，因此，如果對(duì)車廠LIN協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展把升級(jí)功能加于其中，勢(shì)必會(huì)破壞原協(xié)議。當(dāng)整車廠進(jìn)行協(xié)議調(diào)整或未給出LIN通訊網(wǎng)完整協(xié)議時(shí)對(duì)車廠協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，存在引發(fā)協(xié)議沖突的風(fēng)險(xiǎn)?；谝陨弦蛩氐目紤]，對(duì)原APP程序增加一引導(dǎo)程序BOOTLOADER，采用BOOTLOADER+APP這樣的結(jié)構(gòu)形式，把升級(jí)功能放入到BOOTLAODER中，由BOOTLOADER再去加載APP應(yīng)用程序。這樣做即不會(huì)破壞原APP程序，同時(shí)雙具有通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)上電后BOOTLOADER有100ms的時(shí)間用于等待升級(jí)握手?jǐn)?shù)據(jù)幀，如此時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的有效握手?jǐn)?shù)據(jù)幀，進(jìn)入APP引導(dǎo)邏輯；否則進(jìn)入到APP升級(jí)邏輯。

APP升級(jí)邏輯：首先對(duì)FLASH中的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，如其中數(shù)據(jù)能通過(guò)校驗(yàn)，則進(jìn)行APP引導(dǎo)，否則回到升級(jí)邏輯。

APP升級(jí)邏輯：當(dāng)收到有效升級(jí)握手?jǐn)?shù)據(jù)幀后進(jìn)行升級(jí)準(zhǔn)備，此時(shí)擦除FLASH中的數(shù)據(jù)，并在應(yīng)答數(shù)據(jù)中通知上位機(jī)擦除動(dòng)作是否成功。如成功擦除FLASH中的數(shù)據(jù)，此時(shí)上位機(jī)會(huì)把整個(gè)APP分解為多個(gè)數(shù)據(jù)幀依次發(fā)送過(guò)來(lái)，此時(shí)升級(jí)邏輯完成對(duì)接收到的數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和寫(xiě)入數(shù)據(jù)，并在應(yīng)答數(shù)據(jù)幀中通知上位其操作的結(jié)果。當(dāng)APP升級(jí)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，升級(jí)邏輯完成對(duì)FLASH中數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，并在應(yīng)答數(shù)據(jù)幀中通知上位機(jī)校驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)升啟。

具體軟件框圖如圖6所示。

圖6

7 結(jié)論

由于整車OBD接口不能通過(guò)LIN總線來(lái)對(duì)ECU進(jìn)行軟件升級(jí)。通過(guò)基于LIN總線在線更新程序設(shè)備可以避免新能源汽車相關(guān)ECU出現(xiàn)軟件BUG需要拆卸ECU的操作，有效地實(shí)現(xiàn)軟件的更新。

本文以Microchip的dsPIC33CK128MP505為系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)ATA663231實(shí)現(xiàn)和整車的LIN總線通信。并通過(guò)BOOTLOADER+APP的形式實(shí)現(xiàn)軟件的在線更新。