第三章 子总线系统
第一节 LIN总线系统
一、LIN总线系统的应用
如图3-1所示，LIN是英文Local Interconnect Network的缩写，被称为是CAN总线系统的子网，也叫“局域子系统”。汽车上LIN总线控制的所有系统之间的数据交换，必须通过CAN总线控制单元才能实现。LIN总线作为CAN总线的一种有益补充，可以更为经济、有效地完成车辆功能。LIN（局域网）结构比较简单，只有一根数据线，也只能用于传感器和执行器之间的简单数据传递。它与CAN总线不同，LIN总线上的控制单元是分主、从的，主控制单元与CAN总线连接，控制着LIN总线上的其他从控制单元。也就是说，只有主控制单元发送信息结束后，从控制单元才能进行数据信息的发送。LIN总线被称为数据循环总线，是指数据信息不管有没有要求或是有没有变化，总是在总线上反复重新循环发送和传递，以利于传感器和执行器在任意时刻都可以接收总线上的数据信息。
图3-1 LIN的标志
LIN总线是在CAN总线的基础上新发展的汽车车载子总线系统，是为了建立传输速率有限、结构简便且性能优良的总线系统而产生的，如图3-2所示。它只需要一条数据传输线，使用低成本组件（如用阻容组合代替石英）即可。LIN总线通过使用较简单的电子设备节省了结构空间，最大传输速率为20kbit/s。由于多家汽车制造商将标准公开化，促进了供应商之间的竞争并降低了成本，使得CAN总线不仅没有被取代，反而得到了扩展，单主/多从原理确保了安全性。
LIN总线的应用成本较低，传输速率较低，适合应用在一些对时间要求不是那么严格的场合，如舒适娱乐系统。如图3-3所示，多数车型都将LIN总线应用在自动空调系统、后视镜控制（图3-4）、电子辅助转向助力系统、车门、顶窗、刮水器和洗涤器的控制传输上。
二、LIN总线特点
LIN总线是用于汽车分布式电控系统的一种新型低成本串行通信系统，是一种基于SCI（UATR）数据格式、主从结构的单线12V的总线通信系统，主要用于智能传感器和执行器的串行通信。
LIN总线采用低成本的单线连接，传输速度最高可达20kbit/s；其媒体访问采用单主/多从的机制，不需要进行仲裁；在从节点中不需要晶体振荡器而能进行自同步；采用8位单片机，极大地减少了硬件平台的成本。其主要目的是为现有汽车网络CAN提供辅助功能，目标用于低端系统，无需CAN总线的性能、带宽以及复杂性。可以说LIN总线是一种辅助的总线网络。
图3-2 LIN总线系统原理
LIN总线系统一般由1个主控制单元和最多16个从控制单元组成。LIN总线主控制单元请求从控制单元发送数据，并发出操控指令。为了与汽车上的其他控制单元进行通信，主控制单元连接在其他总线上。LIN总线主控制单元在汽车诊断检测仪中有地址码，由其负责对所连接的从控制单元进行诊断。
LIN总线的主要特点是：
1）LIN总线系统是单线式总线，通过一根芯线传输数据，车辆搭铁也当成数据传输的接地连接。虽然不是双绞线，但可以避免电磁干扰，所以不需要屏蔽线。
2）LIN总线的线束颜色一般采用紫白色，通常底色是紫色，有标志色。
3）LIN总线的横截面积为0.35mm2。
4）LIN总线上的控制单元有主控制单元和从控制单元。主控制单元与CAN总线和LIN总线相连，从控制单元都与LIN总线相连，主控制单元控制从控制单元发送数据信息。一个主控制单元最多可以连接16个从控制单元。
5）数据传递速率为1～20kbit/s。因为传输速率低，所以一般被应用在刮水器、空调等车身电气系统等要求传输速率不高的系统中。它实用性强，传输技术容易实现，价格低廉。
图3-3 LIN总线的应用领域
图3-4 LIN总线在宝马E83（X3）高版本外后视镜控制系统中的应用
① —基本控制模块5 Redesign ②—右侧外后视镜电子装置 ③—右侧外后视镜加热装置 ④—右侧外后视镜垂直调整电动机 ⑤—右侧外后视镜水平调整电动机 ⑥—右侧外后视镜折起电动机 ⑦—右侧后视镜调节角度传感器
⑧—左侧后视镜调节角度传感器 ⑨—左侧外后视镜折起电动机 ⑩—左侧外后视镜水平调整电动机
⑪—外后视镜垂直调整电动机 ⑫—左侧外后视镜加热装置 ⑬—左侧外后视镜电子装置 ⑭—驾驶人侧开关组
K-BUS—车身总线 LIN-BUS—局域互联网 K1.30—接线端子30 K1.58g—接线端子58g
三、LIN总线系统结构
1．LIN的特点
LIN总线系统的突出特点是：LIN总线是单线式总线，仅靠一根导线传输数据。Audi车系LIN导线的底色是紫色，有标志色。LIN导线的横截面面积为0.35mm2，无需屏蔽。如图3-5所示，LIN总线系统的构成有三个部分：LIN上级控制单元，亦即LIN主控制单元；LIN从属控制单元，亦即LIN从控制单元；单根导线。
图3-5 LIN总线系统的构成
2．LIN主控制单元
（1）LIN主控制单元的功能LIN主控制单元连接在CAN数据总线上，执行以下功能：
1）监控数据传输过程和数据传输速率，发送信息标题。
2）LIN主控制单元的软件内已经设定了一个周期，该周期用于决定何时将哪些信息发送到LIN数据总线上多少次。
3）LIN主控制单元在LIN数据总线系统的LIN控制单元与CAN总线之间起“翻译”作用，它是LIN总线系统中唯一与CAN数据总线相连的控制单元（图3-6）。
图3-6 LIN主控制单元实现LIN总线与CAN总线之间的连接
4）通过LIN主控制单元进行与之相连的LIN从控制单元的自诊断。
（2）LIN总线的信息结构LIN主控制单元控制总线导线上的信息传输情况。LIN总线的信息结构如图3-7所示。
每条信息的开始处都通过LIN总线主控制单元发送一个信息标题。该信息标题由一个同步相位（同步间隔和同步字节）构成，后面是标识符字节，可传输2、4或8字节的数据。标识符字节包括LIN从控制单元地址、信息长度和用于信息安全的两个位等信息。标识符用于确定主控制单元是否将数据传输给从控制单元，或主控制单元是否在等待从控制单元的回应（答复）。信息段包含发送给从控制单元的信息。校验区可为数据传输提供更高的安全性。校验区由主控制单元通过数据字节构成，位于信息结束处。LIN总线主控制单元以循环形式传输当前信息。
图3-7 LIN总线的信息结构
① —同步间隔 ②—同步区域 ③—标识符 ④—起始
⑤—停止 ⑥—数据区域 ⑦—校验区 ⑧—信息标题 ⑨—信息段
3．LIN从控制单元
在LIN数据总线系统内，单个的控制单元（如新鲜空气鼓风机）或传感器及执行元件（如水平传感器及防盗警报蜂鸣器）都可看为LIN从控制单元。传感器内集成有一个电子装置，该装置对测量值进行分析，其数值是作为数字信号通过LIN总线传输的。有些传感器和执行元件只使用LIN主控制单元插口上的一个针脚（PIN脚），即可以实现信息传输（即单线传输，见图3-8）。
图3-8 LIN总线信息的单线传输
LIN执行元件都是智能型的电子或机电部件，这些部件通过LIN主控制单元的LIN数字信号接收任务。LIN主控制单元通过集成的传感器来获知执行元件的实际状态，然后就可以进行规定状态和实际状态的对比，并发出相应的控制指令。只有当LIN主控制单元发送出控制指令后，传感器和执行元件才会做出反应（执行主控制单元的控制指令）。
电动遮阳卷帘和空调出风口风门伺服电动机的控制（见图3-9和图3-10）都是按照这个控制原理工作的。
LIN从控制单元等待LIN主控制单元的指令，仅根据需要与主控制单元进行通信。为结束休眠模式，LIN从控制单元可自行发送唤醒信号。LIN从控制单元安装在LIN总线系统设备上（如空调出风口风门伺服电动机等）。
图3-9 BMW E60电动遮阳帘的控制
1—驾驶人侧开关组 2—驾驶人侧车门模块TMFA 3—安全和网关模块
4—便捷进入及起动系统CAS 5—中柱开关控制中心SZM 6—遮阳卷帘
图3-10 空调出风口风门伺服电动机的控制
LIN从控制单元的特点如下：
1）接收、传递或忽略与从主系统接收到的信息标题相关的数据。
2）可以通过一个“叫醒”信号叫醒主系统。
3）检查对所接收数据的检查总量。
4）对所发送数据的检查总量进行计算。
5）同主系统的同步字节保持一致。
6）只能按照主系统的要求同其他子系统进行数据交换。
四、LIN总线的数据传输
1．传输原理
LIN总线传输数据线是单线，数据线最长可达40m。在主节点内配置1kΩ电阻端接12V供电，在从节点内配置30kΩ电阻端接12V供电。各节点通过电池正极端接电阻向总线供电，每个节点都可以通过内部发送器拉低总线电压。LIN总线驱动器的物理结构如图3-11所示。
图3-11 LIN总线驱动器的物理结构
（1）LIN总线信号LIN总线信号波形如图3-12所示。
隐性电平：如果所有节点都没有驱动收发器晶体管导通，此时在LIN数据总线上的电压就是蓄电池电压，为隐性电平，表示逻辑“1”。
显性电平：当有节点需要向外发送信息时，发送控制单元内的收发器驱动晶体管导通，将LIN数据总线导线接地，此时在LIN总线上的电压为0V，为显性电平表示逻辑“0”。
（2）总线电平抗干扰设置 在收发隐性电平和显性电平时，通过预先设定公差值来保证数据传输的稳定性，如图3-13所示。为了在有干扰辐射的情况下仍能收到有效的信号，接收信号的允许电压值要稍高一些，如图3-14所示。
2．LIN总线的数据格式
LIN总线的数据格式如图3-15所示。在LIN总线的信息中包含两个部分：一部分是由LIN主控制器发送的信息标题，另一部分是由LIN主控制器或LIN从控制器发送的信息内容。发送的信息，所有连接在LIN总线上的节点都可以收到。
（1）信息标题 信息标题由LIN主控制单元按周期发送。信息标题分为同步暂停区、同步分界区、同步区和识别区四部分，见图3-16。
图3-12 LIN总线信号波形
图3-13 发送信号的电压范围
图3-14 接收信号允许的电压范围
图3-15 LIN总线的数据格式
图3-16 信息标题的格式
1）同步暂停区。同步暂停区（Synch Pause）的长度至少为13位（二进制的），它以显性电平发送。这13位的长度是必需的，只有这样才能准确地通知所有的LIN从控制单元有关信息的起始点的情况。其他的信息是以最长为9位的（二进制的）显性电平来一个接一个地传输的。
2）同步分界区。同步分界区（Synch Delimiter）至少为一位（二进制的）长，且为隐性电平。
3）同步区。同步区（Synch Field）由0101010101这个二进制位序构成，所有的LIN从控制单元通过这个二进制位序来与LIN主控制单元进行匹配（同步）。所有控制单元同步对于保证正确的数据交换是非常必要的。如果失去了同步性，那么接收到的信息中的某一数位值就会发生错误，该错误会导致数据传输错误。
4）识别区。识别区（Identify Field）的长度为8位（二进制的），头6位是回应信息识别码和数据区的个数，回应数据区的个数在0～8之间；后两位是校验位，用于检查数据传输是否有错误。当出现识别码传输错误时，校验位可防止与错误的信息适配。
（2）信息内容 信息内容有两种类型：一种是从控制单元收到主控制单元发来的信息标题中带有要求从控制单元回应的信息后，LIN从控制单元根据识别码给这个回应提供的回应信息；另一种是由主控制单元发出的命令信号，相应的LIN从控制单元会使用这些数据去执行各种功能。
1）从控制单元回应信息：图3-17所示是奥迪A6空调系统LIN总线的从控制单元回应信息传递流程图，空调控制电脑（也是LIN总线主控制单元）在LIN总线上发送信息标题——查询鼓风机的转速，鼓风机读取标题后将当前的鼓风机转速信息发送到LIN总线上，空调控制电脑得以读取此信息。
图3-17 从控制单元回应信息传递流程图
2）主控制单元命令信息：图3-18所示是奥迪A6空调系统LIN总线的主控制单元命令信息传递流程图，空调控制电脑（也是LIN总线主控制单元）在LIN总线上发送信息标题——调整鼓风机的转速到200r/min，鼓风机从LIN总线上读取标题后将当前的鼓风机转速，相应地从150r/min调整到目标转速200r/min。
图3-18 主控制单元命令信息传递流程图
信息内容由1～8个数据区构成，每个数据区是10个二进制位，其中一位是显性起始位，一个是包含信息的字节和一个隐性停止位。起始位和停止位是用于再同步从而避免传递错误的。
3．LIN总线信息的顺序
LIN主控制单元的软件内已经设定了一个顺序，LIN主控制单元就按这个顺序将信息标题发送至LIN总线上（若是主信息，则发送的是回应）。常用的信息会多次传递。LIN主控制单元的环境条件可能会改变信息的顺序。环境条件举例如下：
1）点火开关接通/关闭。
2）自诊断已激活/未激活。
3）停车灯接通/关闭。
为了减少LIN主控制单元部件的种类，主控制单元将全部装备控制单元的信息标题发送到LIN总线上，如果没有安装相应设备控制单元，那么在示波器屏幕上会出现没有回应的信息标题，但这并不影响系统的功能，如图3-19所示。
图3-19 没有回应的信息标题
4．LIN总线防盗功能
只有当LIN主控制单元发送出带有相应识别码的信息标题后，数据才会传至LIN总线。由于LIN主控制单元对所有信息进行全面监控，因此无法从车外对LIN导线进行控制。系统要求LIN从控制单元只能回应，这样就不会发生通过LIN总线打开车门的现象了。这种设置就使得在车外安装LIN从控制单元（如在前保险杠内的车库门开启控制单元）成为可能。LIN总线防盗功能示意如图3-20所示。
图3-20 LIN总线防盗功能示意
五、LIN总线的自诊断
1．利用故障检测仪VAS5051进行故障诊断
当LIN总线系统出现故障时，可利用故障检测仪VAS5051对LIN总线系统进行故障诊断和检测，如图3-21所示。对LIN总线系统进行自诊断时，需使用LIN主控制单元的地址码。自诊断数据经LIN总线由LIN从控制单元传至LIN主控制单元。在LIN从控制单元上可以完成所有的自诊断功能（表3-1）。
图3-21 使用故障检测仪诊断LIN总线系统故障
表3-1 LIN从控制单元上可以完成所有的自诊断功能
2．故障分析
（1）LIN总线短路 无论是LIN总线对电源正极短路还是对电源负极短路，LIN总线都会关闭，无法正常工作。
（2）LIN总线断路LIN总线发生断路故障时，其功能丧失情况视发生断路故障的具体位置而定。如图3-22所示，当LIN总线在位置A处断路时，其下游的所有从控制单元（图中为从控制单元1和从控制单元2）均不能正常工作；当LIN总线在位置B处断路时，从控制单元1将不能正常工作；当LIN总线在位置C处断路时，从控制单元2将不能正常工作。根据LIN总线发生故障时其功能的丧失情况，结合LIN总线控制关系并参阅电路图，就可以判断出发生断路故障的大致位置。
图3-22 LIN总线发生断路故障