Передача даних в автомобільній LIN-мережі на базі мікроконтролерів Cypress



Стаття | Article    

Download

Запропоновано модель даних та механізми їхнього оброблення для забезпечення роботи LIN-протоколу на базі мікроконтролерів Cypress.

Ключові слова: LIN, Cypress, мікроконтролер.

The Data Transfer in the Automotive LIN-Network based on Microcontrollers Cypress

The data model and mechanisms of its processing for LIN protocol based on Cypress microcontrollers has been developed.

Keywords: LIN, Cypress, microcontroller.

prof. Samotyy V.V.

$1.$ Head of Department of Automation and Information Technology,

Cracow University of Technology (Tadeusz Kościuszko)

$2.$ Head of Department of Information Security Management,

Lviv State University of Life Safety

doc. Pavelchak A.G.

Docent of The Department of Computerized Automatics Systems,

LvivPolytechnic National University

doc. Dzelendzyak U.Yu.

Docent of The Department of Computerized Automatics Systems,

Lviv Polytechnic National University

Poland, Cracow; Ukraine, Lviv.

Вступ

Частка електронних компонентів в автомобілі зростає з року в рік. Електроніка грає вирішальну роль не тільки в задоволенні побажань клієнтів, для кращої безпеки і комфорту водіння, але і для досягнення кращої економії палива та зменшення викидів вихлопних газів. Реалізація всіх цих функцій забезпечується завдяки обміну даними між електронними компонентами за допомогою систем послідовних шин автомобіля. Завдяки конкуренції забезпечується все більше функцій безпеки і зручності в автомобілі. Це гарантується не лише постійним збільшенням електронних компонентів в транспортних засобах, але також зростанням обсягу передачі даних,без яких більшість нових функцій автомобіля не може обійтися. Для підтримки зростаючої складності автомобільної електроніки, виробники створюють різні стандарти для функціональних і комунікаційних рівнів автомобільних систем.Популярними є такі непатентовані стандарти зв’язку як CAN, LIN, MOST і FlexRay, які забезпечують чітку прозорість на рівні комунікацій [1-2].

CAN (Controller Area Network) використовується в основному в трансмісії, шасі та відповідних частинах автомобіля. LIN (Local Interconnected Network) застосовується для простої і економічно ефективної передачі даних в зоні датчика/виконавчого механізму. MOST(Media Oriented System Transport) реалізується в інформаційно-розважальних системах для передачі відео і аудіо сигналів. І,нарешті, FlexRay забезпечує найбільш складний зв'язок з критичними до безпеки розподіленими програмами. CANбув розроблений на початку 1980-х років Robert Bosch GmbH, а в 1994 році він став міжнародним стандартом (ISO 11898). LIN, MOST і FlexRay вийшли від таких організацій:The LIN Consortium (www.lin-subbus.org), MOST Cooperation(www.mostcooperation.com) і FlexRay Group (www.flexray.com). Незважаючи на те,що вони не були офіційно стандартизовані, їх можна вважати де-факто стандартами.

Реалізаціясистеми передачі даних за LIN протоколом

Для дослідження можливостей щодо передачі даних за LIN-протоколом [3] була розроблена система передачі даних з використанням мікроконтролерів фірми Cypress (рис. 1).

Рис.1. Структурна схема системи передачі даних

Розроблена система передачі даних складається з трьох модулів:

– Головного mаster-пристрою, що відповідає за керування передачею даних на LIN шині. Крім того, він управляє включеннями/виключеннями ламп на підлеглих slave-пристроях.

– Двох підлеглих slave-пристроїв, що виконують прийом-передачу даних та управління виконавчими елементами, згідно повідомлень головного mаster-пристрою. Окрім цього, ці модулі можуть здійснювати управління виконавчими елементами один одного.

Головний модуль складається з ARM мікроконтролера (Cortex-M4) зі FM4 S6E2G серії [6], підлеглі модулі складаються з чіпів PSoC 4M [5], а також ці всі модулі містять драйвери LIN-лінії MCP2025 (Microchip)[4] та LCD-дисплеї на базі контролера HD44780 для виводу інформації щодо обміну даними на LIN шині.

PSoC4M реалізують LIN протокол лише для slave-вузлів. Швидке налаштування передачі даних забезпечується в IDE PSoC Creator за допомогою компоненти LIN Slave. КомпонентLIN Slave реалізує для підлеглого LIN пристрою протокол LIN 2.2 на PSoC 3, PSoC4 і PSoC 5LP кристалах. Також доступні варіанти LIN 2.0, LIN 1.3 або SAEJ2602-1. Цей компонент складається з апаратних блоків, необхідних для зв'язку на LIN шині, а також API-функцій, щоб код додатка міг легко взаємодіяти з LINшиною зв'язку. Компонент надає необхідний API, що відповідає специфікації LIN2.2. Цей компонент забезпечує хороше поєднання гнучкості і простоти використання. Наданий настроювач для компонента дозволяє легко налаштувати всі параметри LIN Slave. Для PSoC 4 пристроїв компонент LIN Slave сертифікованийC&S group GmbH на основі стандартних протоколів і випробувань на відповідність канальному рівню.

Периферія Multi-Functional Serial interface модуля мікроконтролера серії FM4 дозволяє реалізувати кілька комунікаційних послідовних протоколів: UART, CSIO (підтримуєSPI та I2S), I2C, LIN. Режим інтерфейсу Local Interconnect Network (LIN) забезпечує обмін даними по протоколу LIN. Режим LIN в мікроконтролері FM4 має такі особливості: підтримка протоколу LIN версії 2.1; повнодуплексний подвійний буфер; буфер передачі / при­йо­му FIFO (до 128 байт кожен); підтримка master/slave режимів; функція генерації поля LIN break (довжина варіюється між 13 і 16 бітів); функції виявлення різних помилок (помилки парності, кадрування і помилки переповнення буфера).

MCP2025 надає фізичний інтерфейс для напівдуплексного зв’язку між мікроконтролером таLIN шиною. Він призначений для передачі даних зі швидкістю до 20 кбод на послідовній шині. Ця мікросхема виконує перетворення CMOS/TTL логічних рівнів до LIN логічних рівнів, а також у зворотному порядку. Має два режими пониженого енергоспоживання. На рис. 2 зображено принципову схему системи передачі даних,зібрану на основі КІТів фірми Cypress.

Рис.2. Принципова схема системи передачі даних

Особливість використання LIN протоколу для передачі даних в автомобільних шинах полягає в його простоті і дешевизні. Це забезпечується тим, що якщо простіші засоби для передачі даних і реалізовані апаратно, то увесь основний функціонал має бути виконаний програмно. Тому нами була розроблена детальна модель для передачі даних за допомогою LIN інтерфейсу.

Рис.3. LIN модель master-вузла для передачі даних

Така LIN модель для передачі даних має забезпечувати: обмін даними на LIN шині; початкову ініціалізацію slave-вузлів;діагностику та тестування вузлів. На рис. 3 зображено структуру даних master-вузла для цієї LIN моделі. Основна робота по організації передачі даних покладається на Master-вузол. Він виконує ініціалізацію усіх вузлів, присутніх на LIN шині, тобто здійснює діагностику наявних Slave-вузлів. Далі він забезпечує диспетчеризацію робочих повідомлень як між ним і робочими вузлами, так і обмін даними між самими вузлами.

Рис. 4. Структура даних робочого модуля LIN-моделі

Нарис. 4 зображено структуру даних для робочого модуля, що забезпечує передачу даних згідно диспетчера завдань (LIN-розкладу). Структура даних Frame відображає окремо взятий кадр. Масив таких елементів дає можливість створити перелік необхідних кадрів. Для спорадичних кадрів значення ідентифікатора має бути рівним 0xFF.

Для розробленої нами системи передачі даних був складений LIN розклад. Він передбачає різні варіанти передачі даних.

Рис. 5. LIN-диспетчеризація

Для апробації розробленої системи передачі даних був складений макет на основі готових КІТів фірми Cypress. Для спрощення візуалізації ми вибрали завищений часовий інтервал міні-слоту в 1 секунду. Складений LIN розклад був відпрацьований на макеті коректно та в повному обсязі.

Перелік посилань

$1.$ Eugen Mayer. Status quo and future of ECU communication in automobiles. – AUTOMOTIVE, Vector Informatik. – October 2006. – pp. 21-23.

$2.$ Technical Papers on Embedded Network Solutions. 5th Edition. – Vector Informatik GmbH, Stuttgart. – February 2014. – 419 pages.

$3.$ LIN Specification Package. Revision 2.2A. – LIN Consortium. – 2010. – 194 pages.

$4.$ MCP2025. LIN Transceiver with Voltage Regulator. Datasheets – MicrochipTechnology Inc. – 2012. – 36 pages.

$5.$ 10. PSoC 4100M/4200M Family. PSoC® 4 Architecture Technical Reference Manual. Аpplication note. – Cypress Semiconductor Corporation. – 2015. – 334 pages.

$6.$ S6E2G Series 32-bit ARM® Cortex®-M4F, FM4 Microcontroller. Datasheet– CypressSemiconductor Corporation. – 2016. – 190pages.

$7.$ Павельчак А. Г., Яцук Ю. В. Програмна модель даних для забезпечення роботи автомобільного LIN-протоколу // Автоматика, вимірювання та керування:Вісник НУ "Львівська політехніка". – 2014. – №802. – С. 71-81.

Jun 13, 2017