摘" 要: LIN雖然為傳統(tǒng)總線,但仍大量應(yīng)用在汽車、智能家居和工業(yè)控制等領(lǐng)域?;诖耍O(shè)計一種高可靠LIN控制器IP。基于AMBA APB3.0標準接口的IP不僅實現(xiàn)了LIN協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)收發(fā)、網(wǎng)絡(luò)管理等功能,還增加了大量可靠性和安全性相關(guān)功能,如錯誤監(jiān)測、看門狗、環(huán)回自測試、顯性電平監(jiān)控等,通過這些可靠性措施使得IP達到ASIL?B級技術(shù)指標要求。針對IP搭建仿真驗證環(huán)境,完成了SoC級仿真和FPGA原型驗證,并基于國內(nèi)某流片廠商110 nm工藝,完成了邏輯綜合,生成了Verilog格式的網(wǎng)表文件。通過測試和邏輯綜合分析得出:所提出的控制器IP性能滿足協(xié)議和設(shè)計需求,在110 nm三溫三壓極限條件最高頻率可達625 MHz,邏輯單元約為5 950,等效邏輯門約為10 554,面積為34 676 μm2。該IP功能優(yōu)于對比文獻,可直接集成到微控制器MCU、SoC和FPGA設(shè)計中,減少設(shè)計周期和產(chǎn)品上市時間。
關(guān)鍵詞: LIN總線; 控制器IP; 高可靠性; 安全功能; 邏輯綜合; SoC仿真; FPGA原型驗證
中圖分類號: TN402?34" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼: A" " " " " " " " " " "文章編號: 1004?373X(2024)22?0030?07
Design and implementation of highly reliable LIN controller IP
Abstract: LIN (local interconnect network) is a traditional bus, but it is still widely used in automotive, smart home and industrial control fields. On this basis, a highly reliable LIN controller IP is designed. The IP based on the AMBA APB 3.0 standard interface not only implements the data transmission and network management functions specified by the LIN protocol, but also adds a large number of reliability and security related functions, such as error monitoring, watchdog, loop back self testing, explicit level monitoring, etc. The IP can meet the ASIL?B level technical specifications requirements after these reliability measures. The simulation verification environment for IP is built to complete SoC level simulation and FPGA prototype verification, and the logic synthesis is completed based on a domestic chip manufacturer's 110 nm process, and the Verilog format netlist files are generated. fter testing and comprehensive logic analysis, it is concluded that the proposed controller IP performance meets the protocol and design requirements. Under the 110 nm three temperature and three pressure limit condition, the highest frequency can reach 625 MHz, the logic unit is about 5 950, the equivalent logic gate is about 10 554, and the area is 34 676 μm2. This IP has better functionality than the comparative literature and can be directly integrated into microcontroller MCU, SoC, and FPGA designs, reducing design cycles and product launch time.
Keywords: LIN bus; controller IP; high reliability; safety function; logical synthesis; SoC simulation; FPGA prototype verification
0" 引" 言
LIN(Local Interconnect Network)作為低速串行總線,是汽車分布式控制系統(tǒng)中車載網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。傳統(tǒng)上,LIN總線作為CAN(Controller Area Network)總線網(wǎng)絡(luò)的補充,廣泛應(yīng)用于車身低速的電子控制單元(Electronic Control Unit, ECU)[1?4]。但隨著研究深入,LIN擴展到車載CO2檢測[5]、車載電子鐘控制[6]、倒車雷達系統(tǒng)[7]、發(fā)電機[8]等其他功能單元,LIN控發(fā)電機更是進入國家發(fā)展改革委公布《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2024年本)》的鼓勵類目錄[9]。同時隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展,LIN逐步拓展到智能家居[10?11]、工業(yè)控制[12?13]等領(lǐng)域。因此,對LIN總線的研究和實現(xiàn)仍具有重要意義。
由于LIN數(shù)據(jù)格式和UART類似,有UART優(yōu)化當(dāng)成LIN使用的實例[14],但該方式對使用有諸多限制,不是完全意義的LIN控制器。
本文根據(jù)LIN2.2A協(xié)議[15]和應(yīng)用需求,設(shè)計了一款功能完整、高可靠性LIN控制器IP。對比文獻[16],本文IP有如下特點:
1) 具有AMBA總線APB3.0標準接口,便于IP復(fù)用和SoC系統(tǒng)集成;
2) 除實現(xiàn)LIN2.2A協(xié)議規(guī)定功能,還增加了大量可靠性和安全相關(guān)功能,達到ASIL?B級技術(shù)指標要求;
3) 完成邏輯綜合,生成了網(wǎng)表文件,可提供軟核、固核兩種IP形式。
1" IP技術(shù)特征
本文IP基于APB3.0接口,兼容LIN2.2A協(xié)議功能,設(shè)計了可靠性和安全性相關(guān)功能。具體性能指標如下:
1) 兼容LIN2.2A和LIN1.3協(xié)議;
2) 傳輸速率為1~20 Kb/s;
3) 支持主從節(jié)點任務(wù)功能;
4) 從節(jié)點支持自動精度同步和位速率檢測;
5) 支持休眠和喚醒檢測功能;
6) 支持超時檢測功能;
7) 主節(jié)點支持頭部發(fā)送延遲功能;
8) 支持操作中止功能;
9) 支持多種錯誤監(jiān)控功能;
10) 支持中斷控制和中斷自測試功能;
11) 支持安全看門狗功能;
12) 支持環(huán)回自測試功能;
13) 支持發(fā)送顯性電平監(jiān)控功能;
14) 接收輸入數(shù)據(jù)濾波脈沖寬度可配置;
15) 達到ASIL?B級技術(shù)指標要求;
16) 提供軟核和固核兩種IP形式。
該LIN控制器IP功能完備且經(jīng)過SoC仿真和FPGA原型驗證,功能正確,可靠性高,可直接集成到汽車電子、智能家居和工業(yè)控制用微控制器MCU、SoC和FPGA中。
2" IP架構(gòu)功能設(shè)計
LIN協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)幀格式見圖1,包括幀頭和幀響應(yīng)。其中:幀頭由同步間隔域、同步域和保護ID域組成;幀響應(yīng)由0~8 B數(shù)據(jù)域、校驗和域組成。同步間隔域為至少13個顯性電平,同步域固定為0x55。幀頭由主節(jié)點的主機任務(wù)發(fā)出,幀響應(yīng)由主節(jié)點或從節(jié)點的從機任務(wù)發(fā)出。
2.1" IP架構(gòu)設(shè)計
結(jié)合LIN2.2A協(xié)議規(guī)定,LIN控制器IP采用自頂向下的設(shè)計方法,功能上劃分為寄存器讀寫控制單元、數(shù)據(jù)幀收發(fā)控制單元、波特率和位速率管理單元、錯誤和中斷管理單元、網(wǎng)絡(luò)管理單元、安全管理單元等。IP接口關(guān)鍵信號有:接收數(shù)據(jù)(RXD)、發(fā)送數(shù)據(jù)(TXD);系統(tǒng)時鐘(sys_clk)、安全功能工作時鐘(safety_clk)、低功耗時鐘(lp_clk);喚醒指示信號(lin_wakeup)、IP使能信號(ip_enable)、中斷請求信號(lin_irq)、APB接口信號等。LIN控制器IP功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
寄存器讀寫控制單元根據(jù)APB3.0接口命令完成功能寄存器讀和寫操作,控制器IP定義了28個功能寄存器,包括波特率配置寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、命令寄存器(包括操作類型、字節(jié)長度、操作起始等)、PID寄存器、操作狀態(tài)寄存器、錯誤狀態(tài)寄存器、總線狀態(tài)寄存器、中斷使能寄存器等。數(shù)據(jù)幀收發(fā)控制單元包括核心狀態(tài)機、收發(fā)狀態(tài)機、控制邏輯等,實現(xiàn)了串并移位轉(zhuǎn)換、幀接收和發(fā)送、保護ID域奇偶校驗生成及驗證、校驗和域生成及驗證、接收數(shù)據(jù)同步和濾波、錯誤監(jiān)控、頭部延遲等功能,是IP核心單元。波特率和位速率管理單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)脈沖信號產(chǎn)生、從節(jié)點自動精度同步和位速率檢測功能。安全管理單元實現(xiàn)了看門狗、顯性電平發(fā)送監(jiān)控、環(huán)回自測試等功能。超時檢測單元實現(xiàn)了主從節(jié)點檢測頭部或全幀是否超時。網(wǎng)絡(luò)管理單元實現(xiàn)休眠和喚醒檢測功能。錯誤和中斷控制單元是根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)產(chǎn)生中斷請求信號(lin_irq)和中斷自測試功能。
2.2" 幀收發(fā)控制功能設(shè)計
主從節(jié)點的幀收發(fā)控制功能通過核心狀態(tài)機和收發(fā)狀態(tài)機完成。核心狀態(tài)機(main_state)有:idle(0)、send_break(1)、send_sync(2)、head_delay(3)、send_pid(4)、send_data(5)、rece_data(6)、error(7)、sync_det(8)、pid_det(9)、send_wakeup(10)共11種工作狀態(tài)。
IP復(fù)位為idle狀態(tài)。主節(jié)點發(fā)送頭部流程如下:
idle?gt;send_break?gt;send_sync?gt;send_pid?gt;idle,如果頭部發(fā)送有延遲,則在send_break前增加head_delay狀態(tài);主節(jié)點發(fā)送喚醒幀流程為idle?gt;send_wakeup?gt;idle;主從節(jié)點發(fā)送響應(yīng)流程為idle?gt;send_data?gt;idle;主從節(jié)點接收響應(yīng)流程為idle?gt;rece_data?gt;idle;從節(jié)點接收頭部流程為idle?gt;sync_det?gt;pid_det?gt;idle。核心狀態(tài)機頭部和響應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。頭部延遲時間是由系統(tǒng)時鐘(sys_clk)驅(qū)動的24位遞減計數(shù)器實現(xiàn),遞減初始值寄存器可配置。寫命令寄存器后開始計時,計數(shù)下溢執(zhí)行send_break操作。
LIN協(xié)議規(guī)定除同步間隔域外其他域數(shù)據(jù)格式為開始位、數(shù)據(jù)位和停止位。本文設(shè)計發(fā)送狀態(tài)機(txstate)和接收狀態(tài)機(rxstate)。其中:txstate有idle(0)、start(1)、data_tx(2)、stop(3)狀態(tài);rxstate有idle(0)、start(1)、data_rx(2)、stop(3)狀態(tài)。txstate狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖見圖4,接收機類似。
IP實現(xiàn)時所有數(shù)據(jù)域收發(fā)均按圖4工作。本文IP同步間隔域為1個開始位和13個數(shù)據(jù)位共14個顯性電平,滿足≥13個顯性電平的協(xié)議規(guī)定。任何狀態(tài)檢測到錯誤或異常時,設(shè)置錯誤狀態(tài)寄存器和設(shè)置lin_irq,然后核心狀態(tài)機從當(dāng)前狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到error狀態(tài),待SoC系統(tǒng)或用戶讀取錯誤狀態(tài)寄存器獲取錯誤信息后自動跳轉(zhuǎn)到idle狀態(tài)。
核心狀態(tài)機錯誤狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。
IP設(shè)計了由系統(tǒng)時鐘(sys_clk)驅(qū)動的15位遞減計數(shù)器來產(chǎn)生期望波特率,計數(shù)下溢時產(chǎn)生時標脈沖,重載分頻值計數(shù),連續(xù)產(chǎn)生16個時標脈沖后產(chǎn)生1個數(shù)據(jù)脈沖,在數(shù)據(jù)脈沖有效時發(fā)送或采樣數(shù)據(jù)。緩存FIFO用于臨時存儲接收或發(fā)送響應(yīng),可存儲校驗和域,深度為9個,寬度為1 B。實現(xiàn)IP操作流程如下。
1) 完成IP使能開啟時鐘、寫波特率配置寄存器、中斷使能寄存器、配置進入主或從任務(wù)模式等初始化操作。
2) 寫PID寄存器準備保護ID域(主節(jié)點發(fā)送頭部)或?qū)憯?shù)據(jù)寄存器準備響應(yīng)數(shù)據(jù)(主從節(jié)點發(fā)送響應(yīng))后,寫命令寄存器開啟發(fā)送操作,或直接寫命令寄存器開啟接收操作(主節(jié)點接收響應(yīng)、從節(jié)點接收頭部和響應(yīng))。
3) 等待中斷觸發(fā),觸發(fā)后讀錯誤狀態(tài)寄存器和操作狀態(tài)寄存器。
4) 判定如果是錯誤觸發(fā)中斷,完成錯誤處理后返回初始狀態(tài);如果是操作完成,對于接收操作,讀數(shù)據(jù)寄存器獲取響應(yīng)數(shù)據(jù)或讀PID寄存器獲取保護ID域后返回初始狀態(tài),對于發(fā)送操作則直接返回初始狀態(tài)。
5) 當(dāng)前操作完成可以開啟新的操作。從節(jié)點完成頭部接收后需用戶根據(jù)PID域值判斷是啟動發(fā)送/接收響應(yīng)或空操作。主節(jié)點發(fā)送M(1≤M≤8)響應(yīng)流程如圖6所示,從節(jié)點接收N(1≤N≤8)響應(yīng)流程如圖7所示,其他操作流程類似,M、N單位為B。
2.3" 協(xié)議相關(guān)功能設(shè)計
協(xié)議規(guī)定從節(jié)點接收同步間隔域和同步域精度小于14%,其他精度小于1.5%。為保證從節(jié)點與主節(jié)點波特率同步,IP從節(jié)點支持自動精度同步和位速率檢測。寫寄存器使能自動精度同步后,從節(jié)點根據(jù)接收的同步域?qū)崟r計算主節(jié)點波特率,在小于14%或小于1.5%范圍,IP自動寫波特率配置寄存器,超出范圍設(shè)置錯誤狀態(tài)寄存器的同步錯誤位和設(shè)置lin_irq。位速率檢測是寫命令寄存器后,利用同步域計算波特率后IP自動寫波特率配置寄存器。計算原理為:選擇同步域第1~5個下降沿時間段,以時標脈沖為統(tǒng)計單位,共8個數(shù)據(jù)位、128個時標脈沖,小于1.5%計數(shù)值范圍為[126,129],小于14%范圍為[110,145]。
LIN協(xié)議規(guī)定全幀傳輸時間不能超過有效數(shù)據(jù)時間的1.4倍。本文IP支持3種超時檢測:
1) 主節(jié)點接收響應(yīng)檢測全幀是否超時;
2) 從節(jié)點接收頭部檢測是否超時;
3) 從節(jié)點接收響應(yīng)檢測全幀是否超時。
超時發(fā)生將設(shè)置錯誤狀態(tài)寄存器的超時錯誤位和設(shè)置lin_irq。本文實現(xiàn)原理與文獻[16]類似。
LIN協(xié)議規(guī)定支持休眠和喚醒功能。本文IP主從節(jié)點支持的休眠功能如表1所示。
檢測到休眠有效設(shè)置總線狀態(tài)寄存器的休眠檢測位和設(shè)置lin_irq,通過中斷告知檢測到休眠,IP和SoC系統(tǒng)是否進入休眠狀態(tài)由SoC或用戶確定。
IP主從節(jié)點支持的喚醒功能如表2所示。
檢測到喚醒有效,將設(shè)置總線狀態(tài)寄存器的喚醒檢測位,設(shè)置lin_wakeup和lin_irq。lin_wakeup用于啟動SoC系統(tǒng)喚醒。根據(jù)LIN協(xié)議要求,從節(jié)點發(fā)送喚醒信號后立即啟動喚醒應(yīng)答計時器,如果規(guī)定時間未收到主節(jié)點的反饋幀,設(shè)置錯誤狀態(tài)寄存器的喚醒錯誤和設(shè)置lin_irq。協(xié)議規(guī)定反饋等待時間范圍為150~250 ms,可寄存器配置??刂破鱅P實現(xiàn)了系統(tǒng)時鐘(sys_clk)和低功耗時鐘(lp_clk)(默認不關(guān)閉)兩種時鐘的喚醒檢測,可通過寄存器配置選擇。lp_clk頻率為1 kHz或更小,用于休眠狀態(tài)下sys_clk關(guān)閉應(yīng)用場景。
2.4" 可靠性和安全功能設(shè)計
為確保IP能適應(yīng)各種復(fù)雜嚴苛的應(yīng)用環(huán)境,本文實現(xiàn)了大量可靠性和安全管理相關(guān)功能。這些功能提供了3種可靠性機制。
1) 增加冗余容錯保護機制,提前阻止錯誤發(fā)生。
2) 出現(xiàn)錯誤時由錯誤或總線狀態(tài)寄存器記錄狀態(tài),設(shè)置lin_irq告知SoC,由SoC系統(tǒng)或用戶對錯誤進行處理。
3) 發(fā)生嚴重錯誤時,除了記錄錯誤觸發(fā)中斷外,還在IP內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)位信號自動對IP進行復(fù)位(自動復(fù)位功能可配置是否使能),使IP及時恢復(fù)到安全狀態(tài),阻止異常狀態(tài)持續(xù)。具體可靠性和安全管理功能見表3。
數(shù)據(jù)發(fā)送監(jiān)控效果圖如圖8所示。環(huán)回自測試功能效果圖如圖9所示。
綜上,本文實現(xiàn)5種容錯機制、11種錯誤檢測監(jiān)控功能,支持2種時鐘喚醒、自動復(fù)位、監(jiān)控SoC系統(tǒng)等功能。根據(jù)ISO 26262?5:2018及相關(guān)章節(jié)要求,計算得出IP單點故障指標(SPFM)≥90%,潛在故障指標(LFM)≥60%,硬件隨機故障概率指標(PMHF)lt;100 FIT,達到ASIL B級技術(shù)指標要求。
3" 測試和邏輯綜合
3.1" SoC仿真和FPGA原型驗證
IP采用Verilog語言完成RTL編碼后,搭建了基于ARM Cortex?M0處理器核的SoC功能仿真系統(tǒng)和FPGA原型驗證環(huán)境。SoC功能驗證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖10所示,包括處理器核、eFLASH存儲和控制、SRAM存儲和控制、總線、時鐘復(fù)位單元、待測IP、LIN收發(fā)器模型、激勵產(chǎn)生模塊等?;贑adence的NC?SIM平臺完成編譯和仿真,所有仿真命令集成到Makefile腳本文件中。
LIN作為通信總線,構(gòu)建了2套FPGA驗證環(huán)境:一是IP與標準件通信測試;二是2個LIN IP搭建的主從節(jié)點通信測試。FPGA板級測試平臺示意圖如圖11所示,包括硬件和軟件兩部分,硬件主要有圖莫斯UTA0503型USB轉(zhuǎn)LIN適配器、配備XILINX XC7A200T?2FBG484I型FPGA芯片的核心開發(fā)板、配備Philips TJA1020型LIN收發(fā)器電路的驗證板、Keil下載器、JTAG下載器、綜合和調(diào)試用PC機等;軟件包括XILINX 2017.4版Vivado綜合工具、v5.38版Keil μVision5集成開發(fā)環(huán)境、v2.3版TCANLINPro激勵平臺和驅(qū)動軟件等。環(huán)境二是在圖11基礎(chǔ)上將UTA0503適配器替換為核心開發(fā)板和驗證板,即2套FPGA驗證板同時燒寫程序,一主一從進行數(shù)據(jù)傳輸驗證。
依據(jù)SoC仿真平臺和FPGA驗證環(huán)境,按照設(shè)計流程對數(shù)據(jù)收發(fā)進行了測試且功能正確。以主節(jié)點SoC仿真帶延遲的發(fā)送頭部為例進行描述,SoC仿真頭部發(fā)送延遲圖如圖12所示。
TimeA時刻(command_wr信號有效)表示寫發(fā)送頭部命令,TimeA→TimeB為延遲時間,TimeB→TimeC為發(fā)送同步間隔域,TimeC→TimeD為發(fā)送同步域,TimeD→TimeE為發(fā)送PID域。FPGA驗證以主節(jié)點發(fā)送休眠幀為例進行描述,波形如圖13所示。休眠幀格式PID為0x3C,1個0x00和7個0xFF,校驗和域為0x00,從波形得出發(fā)送與預(yù)期一致。
完成收發(fā)功能后,對可靠性和安全管理功能進行了仿真驗證。由于TCANLINPro軟件平臺具有無錯誤注入功能,對PID域奇偶校驗、校驗和域校驗、停止位判斷、發(fā)送顯性電平監(jiān)控采用了IP自帶的錯誤注入方式完成測試。將錯誤注入的PID域、校驗和域?qū)懭隖IFO進行發(fā)送,接收端將收到錯誤幀。連續(xù)發(fā)送2 B 0x0,發(fā)送端可監(jiān)控到大于14或9的顯性電平,接收端停止位不是隱形電平。以SoC仿真從節(jié)點接收頭部,然后發(fā)送超過9個顯性電平的錯誤響應(yīng),自動對IP復(fù)位為例進行仿真描述,波形如圖14、圖15所示。
圖14中:TimeA→TimeB為從節(jié)點接收同步域;TimeB→TimeC為接收PID;TimeC→TimeD為根據(jù)PID判斷為發(fā)送響應(yīng)將響應(yīng)寫入FIFO;TimeE→TimeF為發(fā)送響應(yīng),仿真設(shè)定發(fā)送2 B 0x0,故該階段出現(xiàn)發(fā)送顯性電平超過規(guī)定值錯誤。圖15中:在TimeA時刻txstate為stop,txdo不是1而變成0,發(fā)送顯性電平數(shù)大于9;TimeB時刻復(fù)位信號(sm_rst_s)有效,中斷請求信號(lin_irq)有效,下個時鐘沿主狀態(tài)機(main_state)跳轉(zhuǎn)到idle狀態(tài)值為0。
本文IP與文獻[16]IP在實現(xiàn)功能和FPGA綜合資源占用比較如表4所示。比較得出:在邏輯單元占用不多的情況下,本文IP實現(xiàn)了更多功能,如休眠、喚醒、可靠性和安全等。
3.2" 邏輯綜合實現(xiàn)
完成測試后,選擇國內(nèi)某流片廠商110 nm eFLASH、核電壓1.5 V低功耗工藝平臺完成了IP邏輯綜合實現(xiàn)。結(jié)合PVT極限條件,選擇(FAST、-40 ℃、1.65 V)為Best Case,(SLOW、125 ℃、1.35 V)為Worst Case,綜合后生成了Verilog格式網(wǎng)表文件。IP主要參數(shù)如表5所示。
4" 結(jié)" 論
本文結(jié)合市場需求設(shè)計了一款LIN總線控制器IP。該IP除實現(xiàn)LIN2.2A協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)收發(fā)和網(wǎng)絡(luò)管理功能外,還增加了可靠性和安全管理相關(guān)功能,達到ASIL B級技術(shù)指標要求。針對IP搭建仿真驗證環(huán)境,完成了SoC級仿真和FPGA原型驗證,測試表明功能正確。選取國內(nèi)110 nm工藝完成了邏輯綜合,生成了Verilog格式網(wǎng)表文件,可交付軟核和固核兩種IP形式。相比其他LIN控制器IP,所設(shè)計IP具備標準總線接口,功能完備且可靠性更高,交付方式靈活,工程適用性更強,可直接集成到SoC或FPGA設(shè)計中。
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