LIN Bus的中心议题：
* LIN Bus简介及实例
LIN Bus的解决方案：
* LIN Bus技术现况
* 运作架构
* 系统最佳化技术
* 与CAN Bus的区隔
* 门控建置开发
LIN Bus在车用总线中以低成本、省资源为其特点，妥善运用将可提高汽车附加价值。本文将介绍LIN Bus技术现况、运作架构、系统最佳化技术、与CAN Bus的区隔，并以门控建置开发实例提供进一步的说明。
今日汽车的设计在安全、舒适、便利和环保等诉求下，对电子技术的仰赖日益加深。目前在汽车架构中的车体（Car body）、传动系统（Power train）、安全系统（Safety）和车载资通娱乐系统（TelemaTIcs/Infotainment）等各个部分中，都可以看到愈来愈多的电子 控制组件（ECU），它们赋与汽车更具智能性的操控能力，例如会自动检查门窗、车灯是否关闭，在驾驶人进入车内前自动接通电源，离开时则会检查是否切断电 源等等。
目前汽车内电子组件的连结愈来愈复杂，一台车中平均存在着80个左右的电子组件或模组系统。过去采用传统的电缆方式来连结车灯、电动机、电磁阀、加热器、 空调等设备，若以此方式来连结电子组件，庞大的缆线数量将造成车体重量的沉重负担。因此，有必要导入标准化的总线技术，此举除了降低建置的困难度及配线重 量外，也能提升控制的精确性，而且比较不会有线路老化、磨损的问题。
在此趋势下，已有各种总线技术出现在车载网路（In-Vehicle Network）当中，它们各有其技术特色，适合不同的应用领域。大致上可以分为五类：第一类是传输速度最低的LIN、TTP/A，适用于车体控制；第二 类包括低速CAN、SAE J1850、VAN（Vehicle Area Network）等中速网路总线，适用于对即时性要求不高的通信应用；第三类包括高速CAN、TTP/C等，适用于高速、即时闭环控制的多路传输网；第四 类包括IDB-C、IDB-M（D2B、MOST、IDB1394）、IDB-Wireless（蓝芽）等，专门用在车载资通娱乐网路之中；第五类则包括 FlexRay和Byteflight，用在最具关键性、即时性最高的人身安全系统（请参考表一）。
本文将探讨LIN的技术规格现况及在门控系统中的建置实例。
LIN Bus技术现况
区域互连网路（Local Interconnect Network, LIN）是基于序列通信协定的车载总线的子集系统（sub-bus system）。为了支持多个智慧性节点的分布式系统设计，LIN提供标准化的API以及软件设计流程。它的传输速度虽然不高，但其低成本的特性，能为不 需要用到CAN的装置提供较为完善的网路功能，包括空调控制（Climate Control）、后照镜（Mirrors）、车门模组（Door Modules）、座椅（Seats）、智能性交换器（Smart Switches）、低成本感测器（Low-cost Sensors）等，请参考图一。
在重要规格的演进上，自1999年推出LIN 1.0版、2002年12月修订LIN 1.3版，并在2003年9月再次发布LIN 2.0版规范，持续改进了LIN总线的性能与适用性。此外，美国汽车工程师协会（SAE）下属的车辆架构任务组（Task Force）也基于LIN 2.0提出J2602规范，进一步降低了LIN 2.0中软件单元的复杂性，此举让LIN从节点所需要的软件代码长度缩短，在建置上会更有效率。此外，市场上的领导业者也会针对LIN的效能提出改善技 术，例如ST的LINSCI。一般来说，LIN的主要特色及优势包括：
- 采用一个主节点、多个从节点的概念（最多支持16个节点）；
- 由于基于普通UART/SCI接口协定，其软硬件成本极低；
- 在从节点（slave node）中不用晶体振荡器（crystal oscillator）或陶瓷谐振器（ceramic resonator）时钟，也能做到自同步性，这能进一步降低成本；
- 信号传播时间可预先计算，以满足信号传输的确定性；
- 基于应用交互作用的信号；
- 可达 20 kbps资料传输率；
- 总线电缆的长度最多可以扩展到40公尺；
LIN Bus运作架构
LIN网路是基于「一主多从」的主从原则（master/slave principle）而形成的拓朴结构，因此需要由主节点周期性地对从节点发出询问动作。周期的设定必须根据事件侦测的即时性要求，并将从节点的侦测结果传送到到主控制器。
在LIN上传输的讯号，其讯框结构上是由一个由主任务提供的标头（header）和由从任务处理的回应部分（Response）所构成。标头包含一个13 位的同步间隔栏位（synch break field）；一个由主任务产生的同步栏位（synch field）；以及一个辨识栏位（identifier field）。其中每一个位组栏位都以串行位元组方式发送，起始位元组的第一位编码为“0”，而终止位编码为“1”。
在回应部分则包含二、四或八个位组的资料栏位（data filed），以及一个位组的验证栏位（checksum field）。由主任务执行的讯框标头会依整个LIN丛集的进度表决定每个讯框的传输时间，以确保网路不会超载，并能确保资料传输的确定性。在LIN网路 中只有主节点采用晶体振荡器来为系统提供精确的基本时钟，此时钟会嵌入上述的同步栏位中，让从任务能与主节点时序同步。请参考图二。
LINSCI最佳化LIN系统
以标准SCI所建置的LIN网路虽已具备极佳的建置优势，但让想让系统等级获得最佳化，仍存在一些限制。若想得到最佳化的LIN系统，必须考虑以下因素：
- LIN传输所需要的CPU负荷；
- 应用上所需要的时脉准确性；
- LIN传输的频宽；
- LIN界面的稳定性/有效性；
因此，为了达到最佳化的需求，有必要在硬体技术上进行强化。ST的LINSCI即是经过强化的硬体SCI埠，可透过减少CPU负载来提升系统效能；另外， 其内部的1MHz震荡器、带有运算放大器的快速10位ADC，以及低电压检测器的可修整重启电路─可透过消除对这些功能所需之外部电路的需求来简化系统设 计并降低制造成本。8Kbyte的扩充快闪记忆体能在单一供给电压下操作，以降低电路板复杂度并提供更快速的编程能力。
LINSCI可以被嵌入在一颗很小的8-bit MCU中，它的目的就是要让从设备的LIN功能能完全发挥，其功能包括标头侦测（Header Detection）、指示器（Identifier）和非相关位组过滤（Irrelevant Byte Filtering）、延伸性错误侦测（Extended Error Detection）和再同步化（Resynchronisation）等。LINSCI的讯框架构请参考图三。
进一步来看，LIN的鲍率（Baud rate）是10kbps和20kbps，这很难达成标准SCI位时间取样原则所需要的2%准确性。这是因为鲍率预定标器（prescaler）的有限分 辨率所造成的。假设CPU的频率是8MHz，LIN的鲍率是20kbps，由于LIN的时脉容忍度是15%，这造成2.33%的量化错误。在LINSCI 中则以12位unsigned定点值（即LDIV）来取代8位整数值的鲍率预定标器，能让上述的量化误差下降到0.15%。
门控系统建置案例
以下将以门控模组系统的建置，进一步说明LIN总线的应用及设计要求。在今日中阶及高阶车款中的门控系统，往往需要这些功能：
- 门锁（lock）和防盗门锁（dead lock latch）；
- 动力车窗（Power Window）升降；
- 踏脚灯（Footstep light）；
- 切换面板照明（Switch panel illumination）；
图四显示以LIN网路组成的门控系统，它的主控节点是由一个中央车体控制单元（Central Body ECU），它和车体CAN网路相连结。每个车门都由一个车门模组（DM-Driver, DM-Passenger, DM-RearRight, DM-RearLeft）所组成，能够提供动力车窗及门锁功能。此外，两个前门都有后视镜控制（MMR, MML）的从节点。在此系统中，还会有一个嵌在驾驶端的中央切换面板（Central Switch panel, SP），它是一个独立的从节点，由它来控制所有的动力车窗、手动门锁及后视镜调整等功能。
此系统会对LIN网路形成下述要求：
- 当主控器收到从遥控钥匙发出的有效讯号时，必须要启动门控系统，从节点通常是通过CAN总线来接收；
- 当正确的钥匙打开前门时，也同时启动门控系统；从节点会直接反应而不需经由与主控器的通讯；
- 对切换面板的询问动作（Polling），以确保回应对各个驱动装置控制（动力车窗、后视镜调整、门锁）的主动式切换；
- 对所有从节点的询问动作，以得到车窗升降的位置状态，以及车门的开关情况；
- 对所有从节点的睡眠模式控制（即电池供应操作模式）；
在清楚了LIN网路的要求后，我们必须选择功能相符的微控制器（MCU）来达成。这些MCU必须针对车窗的升降提供防夹（AnTI pinch）、马达的PWM控制及车窗位置的监控功能；能以SPI接口来控制门锁马达；对于车钥匙的拔出及开门的动作，能够提供电源供应模式的接触式监 控，以及对后视镜及切换面板的操控功能。（图五）是门控模组的功能方块图架构。
在系统的规划上，要一些注意的要领，这包括时序的准确性，也就是为了正确的运作，车门模组需要一个容忍度小于3%的时间参考，车窗防夹（anti- pinch）功能的复杂算法就需要这种准确性。此外，针对安全性（如防夹）和便利性（如门锁侦测）等功能，都会有实时性的要求。
以手动打开汽车门锁的动作为例，从钥匙插入门锁到打开，可接受的延迟时间必须小于200ms，这表示反应时间很短。传动马达需要约100ms去打开门锁， 这只留100ms给MCU来完成从低功率模式启动、侦测到钥匙，并触发传动装置等动作。因此这个网路必须采用LIN最快的传输速率，也就是 20kbps。而在20kbps的传输率下，CPU的反应时间必须要小于1ms，否则资料会漏失，LIN的传输会失败。
另一个设计议题则是功耗，这对于多数的ECU来说都是很关键的。以门控系统来说，即使车子熄火了，系统仍需进行间隔性的监控询问动作，这就会造成车子电力 的持续消耗。监控的延迟间隔设定是蛮矛盾的事，因时间间隔太长，则会造成反应动作上的迟钝现象，但太短，又会增加系统的功耗。
故障安全设计
相较于车体CAN总线系统，LIN总线并不具有错误容忍性（fault tolerant），因此必须考虑短路时总线线路的故障安全（fail-safe）机制，也就是每个节点必须有能力分辨出短路的总线线路。反应动作必须遵 循特定的程序（例如让门锁维持在打开的状态，而每个节点的功耗应尽可能降低）。
以ST的L9638 LIN收发器为例，它能提供额外的故障安全装置（fail-safe）功能，例如对短路状态的处理。当MCU辨识出短路的LIN总线线路，电子控制器（ECU）可以把自己关掉，当收发器在消除短路状况后还能够重新启动。
LIN Bus与CAN Bus有所区隔
目前电子控制组件已散布整台车子，它们让传动及感测功能变得更有智能性。在本文介绍的LIN网路是属于低传输速率的总线规格，但它的低成本及传输的正确性，仍然相当受到车厂的欢迎。据估计在欧洲新出厂的车子中，LIN的应用占了相当大的比例。
当然，LIN不会有和CAN总线控制网路相同的效能，因此，在某一特定的车载系统中，LIN总线是否能提供满意的效能，就得看应用本身的需求而定。此外， 透过专属的设计，能够让LIN的功能得到全面性的发挥，例如将LIN协定以硬体方式建置（如LINSCI），可以让LIN的驱动程序码更为简化，也能增加 系统的可靠性。MCU的设计也是一大关键，以ST72F361为例，它在标准MCU上提供先进的SCI接口，并支持LIN功能，除了能降低 CPU的负荷外，也能省却较高成本的精准时序资源。
LIN总线本来就是为了与CAN形成区隔而设计的，以门控系统来说，它能大大降低从主控器连结到每个车门的线路数量，而成本也会比采用CAN总线控制的解决方案来得低。不过，如果是更关键性的应用，就得考虑成本更高的CAN，以两线总线来提供容错能力及更高的效能。
