2008/21 – 2.6.2008
Hardwarové implementace komunikačního protokolu LIN (Local Interconnect Network) osmibitovými mikroprocesory a jejich srovnání Bc. Lukáš Machálka Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektroniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací Purkyňova 118, 612 00 Brno
[email protected] Článek se zabývá popisem komunikačního protokolu LIN, který se převážně používá v automobilovém průmyslu. Jsou diskutovány hlavní hardwarové implementace, které se používají ve spojení s tímto protokolem. Jedná se o plně hardwarové řešení (SLIC), implementace s podporou hardwaru (eSCI) a plně softwarové řešení. Byla provedena měření, na základě kterých jsou odvozeny výhody a nevýhody jednotlivých implementací protokolu LIN. Pro tyto měření byla nakonfigurována síť, která obsahuje tři osmibitové mikroprocesory výše uvedených architektur.
1 Úvod Stále se zvyšující požadavky ze strany uživatelů nových automobilů, jak v oblasti bezpečnostní, tak komfortní vedou výrobce k neustálému zlepšování výrobních technologií. Automobilová elektronika patří k jedné z nejdynamičtěji se rozvíjející oblastí současné doby. O tomto trendu nejlépe vypovídá podíl automobilového průmyslu v oblasti elektroniky téměř osmi procenty. V dnešní době tvoří elektronické komponenty automobilu 20 – 35% nákladů z výrobní ceny nového vozidla [1]. Nové polovodičové technologie nahrazují původní mechanicky poháněné prvky elektronickými. Vyvstává tedy otázka integrace řídících systémů a s tím i související implementace sběrnic. Sběrnicí jsou jednotlivé části automobilu propojeny a jsou jí distribuována data do jednotlivých bloků, kde jsou následně vhodně zpracována. V moderních automobilech lze nalézt tři typy komunikačních protokolů a to FlexRay, CAN (Controller Area Network) a LIN (Local Interconnect Network). Na Obr. 1 je vyobrazena oblast použití dříve zmíněných protokolů ve sběrnicové architektuře automobilu. Sběrnice FlexRay se používá pro aplikace vyžadující nejvyšší možné zabezpečení přenášené zprávy. Používá se pro aplikace bezpečnostního charakteru. Mezi tyto aplikace lze zahrnout ovládání brzdového systému (ABS), nastavováni podvozku, řídící jednotky automobilu apod. Přenosová rychlost této sběrnice je až 20Mb/s [2]. Sběrnice CAN je také určena pro spolehlivé doručení informace, ale její propustnost není tak vysoká jako u dříve zmíněné sběrnici FlexRay. Přenosová rychlost sběrnice CAN je do 1Mbit/s [3].
21-1
2008/21 – 2.6.2008
Obr. 1: Sběrnicová architektura automobilu
2 Komunikační protokol LIN (Local Interconnect Network) Komunikační protokol LIN se ve sběrnicové architektuře automobilu používá pro nenáročné aplikace, které nevyžadují spolehlivé doručení informace. Mezi tyto aplikace lze zahrnout: elektrické stahování oken, ovládání centrálního zamykání, elektronicky nastavitelné sedadla, elektronické ovládání zpětných zrcátek, elektronické ovládání posuvu střešního okna apod. Použitím protokolu LIN se nám dostává jednoduché diagnostiky koncových zařízení automobilů a tím i snížení nákladů na případný servis, opravy apod. Jedná se o asynchronní sériovou sběrnici komunikující do vzdálenosti 40m. Topologie této sítě je single-master/multipleslave což umožňuje připojit na jednu sběrnici jediné zařízení typu Master a několik zařízení typu Slave. Maximální počet zařízení na jedné sběrnici LIN je 16. Vždy musí být přítomno jedno zařízení typu Master. Zapojení jednotlivých prvků do sběrnicové architektury LINu je uvedeno na Obr. 2. Komunikace je založena na UART/SCI sériovém přenosu a probíhá pomocí jednoho vodiče [4]. Další dva vodiče slouží pro napájení a jsou to vodiče +12V a vodič GND, který slouží pro společnou zem (tento vodič je při nasazení v automobilu zpravidla nahrazen společným 21-2
2008/21 – 2.6.2008 rozvodem země kovovou karoserií). Dalším důležitým faktorem ovlivňující masivní rozšíření této sběrnice je nízká cena polovodičových součástek potřebných pro komunikaci. Hlavní zařízení typu Master obsahuje master task a slave task. Hlavní zařízení (Master) řídí veškerou činnost na sběrnici. Jde především o definici přenosové rychlosti, detekci chyb na úrovni řízení sítě, a také uvádí podřízené jednotky do tzv. nízkopříkonového módu (sleep mode). Zařízení typu Master musí obsahovat přesný generátor hodin (zpravidla krystal), neboť je zdrojem synchronizačního signálu pro celou síť [4]. Zařízení typu Slave obsahuje pouze slave task. Toto zařízení nepotřebuje mít v sobě obsažen přesný generátor hodin, ale postačí mu obyčejný RC oscilátor, neboť v průběhu komunikace dochází k neustálé synchronizaci hodin s hodinami na zařízení typu Master.
Obr. 2: Základní koncepce sběrnice LIN
2.1 Přenos zpráv po sběrnici LIN Formát rámců přenášených na sběrnici LIN je uveden na Obr. 3. Každý rámec zprávy se skládá z hlavičky a odezvy. Hlavička zprávy a odezva zprávy jsou od sebe odděleny mezirámcovou mezerou. Jednotlivé datové bajty jsou v části odezvy odděleny mezibajtovou mezerou, tato mezera je dána koncem předešlého bajtu (jehož konec je označen tzv. stop bitem) a následujícího datového pole (jehož začátek je označen tzv. start bitem) [4]. Hlavička zprávy obsahuje tři pole a to pole mezera zprávy, synchronizační pole a pole identifikátoru, které jsou odeslány z hlavního uzlu typu Master. Odezva rámce se skládá z osmi datových polí a pole kontrolního součtu [4]. Tato pole jsou na sběrnici odeslány slave taskem. Komunikace probíhá vysláním zprávy z hlavního uzlu typu Master z master tasku do všech ostatních slave tasku. Použitím identifikátoru, který je součástí pole identifikátoru, umístěného v hlavičce zprávy, daný uzel rozpozná, zda je příjemcem zprávy. Poté pokračuje výměna konkrétních dat mezi slave tasky.
21-3
2008/21 – 2.6.2008
Obr. 3: Formát rámce protokolu LIN
2.1.1 Synchronizační pole Pomocí synchronizačního pole dochází k synchronizaci jednotlivých uzlů na hodiny vysílané uzlem typu Master. Tato funkce nám umožní správný příjem a přenos zpráv. Synchronizační pole má velikost 10 bitů. První bit (start bit) označuje začátek synchronizačního pole a je na sběrnici uveden stavem dominant. Poslední bit synchronizačního pole je tzv. stop bit, který je na sběrnici uveden stavem recessive. V rámci použití RC oscilátoru v obvodech typu Slave se předpokládá, že tolerance hodinového signálu je lepší než ±15%. Tato hodnota je dostačující k tomu, aby mezera zprávy nového rámce byla rozpoznána.
2.1.2 Pole identifikátoru Pole identifikátoru je posledním polem hlavičky zprávy. Toto pole se sestává z šesti bitů identifikátoru a dvou bitů parity (P0 a P1), které slouží k zabezpečení těchto dat. Paritní kontrolní bity P0 a P1 lze vypočítat ze vztahu [4] P0 = ID0 ⊕ ID1 ⊕ ID2 ⊕ ID4 , P1 = ID1 ⊕ ID3 ⊕ ID4 ⊕ ID5 .
(1.1) (1.2)
Obr. 4: Pole identifikátoru
21-4
2008/21 – 2.6.2008
2.1.3 Pole dat Datové pole se nachází v odezvě rámce. Maximální počet datových polí v jednom rámci je osm. Každé datové pole se skládá celkem z deseti bitů. Osm bitů slouží pro samotná data určená k přenosu na sběrnici. Začátek posloupnosti osmi datových bitů tvoří jeden start bit a je na sběrnici uveden stavem dominant. Po osmi datových bitech následuje stop bit, který je na sběrnici uveden stavem recessive a ohraničuje konec datového pole. Na Obr. 5 je uvedeno datové pole [4].
Obr. 5: Datové pole
2.1.4 Pole kontrolního součtu Pole kontrolního součtu (Obr. 6) se nachází v odezvě rámce. Toto pole slouží k zabezpečení přenášených dat. Do verze protokolu 1.3 včetně jsou metodou kontrolního součtu zabezpečována pouze datové pole [9]. Verze protokolu LIN 2.0 zavádí tzv. rozšířený kontrolního součet. Tento rozšířený kontrolní součet v sobě obsahuje zabezpečení všech datových polí, které se nacházejí v části odezvy rámce a nově je součásti i pole identifikátorů [4]. Mechanizmus zabezpečení dat pomocí kontrolního součtu je uveden příkladem v Tab. 1, kde kontrolním součtem jsou zabezpečeny čtyři datová pole (0x48 hex, 0x5E hex, 0x93 hex, 0xE5 hex). Po provedení kontrolního součtu se na straně přijímače provede kontrolní součet a negace kontrolního součtu, pomocí tohoto získáme kontrolní pole. Pokud sečteme kontrolní pole a pole kontrolního součtu, které bylo přeneseno v odezvě rámce a vyjde nám 0xFF, tak přenos dat byl bezchybný, v opačném případě došlo při přenosu k chybě.
Obr. 6: Pole kontrolního součtu
21-5
2008/21 – 2.6.2008
Tab. 1: Zabezpečení dat pomocí kontrolního součtu
Carry bit D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1. datové pole 2. datové pole 3. datové pole 4. datové pole 0x48+0x5E (Add Carry)
0x48 hex 0x5E hex 0x93 hex 0xE5 hex 0xA6 0xA6
0 0 1 1 1 1
1 1 0 1 0 0
0 0 0 1 1 1
0 1 1 0 0 0
1 1 0 0 0 0
0 1 0 1 1 1
0 1 1 0 1 1
0 0 1 1 0 0
0xA6+0x93 Add Carry
0x139 0x40
1
0 0
0 1
1 0
1 0
1 0
0 0
0 0
1 0
0x40+0xE5 Add Carry Pole kontrolního součtu Negace kontrolního součtu Pak platí 0x26+0xD9
0x125 0x26 0x26
1
0 0 0
0 0 0
1 1 1
0 0 0
0 0 0
1 1 1
0 1 1
1 0 0
0xD9
1
1
0
1
1
0
0
1
0xFF
1
1
1
1
1
1
1
1
2.2 Fyzická vrstva Pro přenos informace na sběrnici LIN se používá jeden datový vodič, který slouží k obousměrnému přenosu informace. Maximální počet zařízení na LIN sběrnici je 16. Fyzická vrstva je reprezentována dvěma stavy na sběrnici a to stavem dominant a recessive. Hodnoty těchto dvou stavů jsou vztaženy k vnitřnímu napájecímu napětí VSUP. Napěťové úrovně jsou vyobrazeny na Obr. 7.
Obr. 7: Napěťové úrovně vysílací a přijímací strany [9]
3 Koncept sítě V této části článku budou popsány výsledky měření pro které byly použity osmibitové mikroprocesory firmy Freescale. Při návrhu sítě je důležité zvolit vhodné mikroprocesory, kde je kladen důraz jak na hardwarové vlastnosti MCU tak na finanční stránku. Pro stanovení výsledků měření byla navrhnuta síť, která obsahovala tři uzly (jeden uzel typu Master a dva uzly typu Slave) viz Obr. 8. Pro realizaci jednotlivých uzlů byly použity rozdílné mikroprocesory a to z důvodu ověření různých hardwarových implementací ve spojení s protokolem LIN. K mikroprocesoru MC68HC908QL4 (plně hardwarové řešení pomocí SLIC modulu) je připojen krokový motorek, který je řízen pomocí integrovaného obvodu typu L293D (H-můstek) od firmy Texas Instruments. K mikroprocesoru MC68HC908QY4 (plně softwarová implementace) je připojen potenciometr pomocí kterého se vzdáleně řídí směr a rychlost otáčení krokového motorku. Jednotlivá zařízení jsou propojena komunikačním protokolem LIN 2.0. 21-6
2008/21 – 2.6.2008 Veškerou činnost na sběrnici řídí zařízení typu Master mikroprocesor MC68HC908GZ60 (implementace s podporou hardware - eSCI modul).
Obr. 8: Blokové schéma navržené sítě
Pro srovnání jednotlivých hardwarových implementací byl vybrán datový rámec, který byl v LIN Description File (konfigurační jazyk pro popis kompletní sítě protokolu LIN) pojmenován jako master_frame. Tento rámec přenáší dva datové bajty v odezvě zprávy. První datový bajt je použit pro přenos informace o rychlosti (signál speed) a druhý datový bajt je použit pro přenos informace o směru otáčení krokového motorku (signál direction). Vývojový diagram je uveden na Obr. 9.
21-7
2008/21 – 2.6.2008
Obr. 9: Vývojový diagram pro vzdálené řízení krokového motorku
21-8
2008/21 – 2.6.2008
Použité mikroprocesory: • Freescale MC68HC908GZ60 – implementace s podporou hardware (eSCI) [7]: osmibitový mikroprocesor v pouzdře QFP 64, použitá architektura je typu von Neumann, SPI modul (Serial peripheral interface), ESCI modul (Enhanced Serial Communications Interface), 53 vstupně/výstupních vývodů, 60KB FLASH, 2040B paměť RAM.
•
Freescale MC68HC908QL4 – plně hardwarové řešení (SLIC) [6]: osmibitový mikroprocesor v pouzdře SOIC 16, použitá architektura je typu von Neumann, SLIC modul (Slave LIN Interface Controller), 13 vstupně/výstupních vývodů, 4096B FLASH, 128B paměť RAM.
•
Freescale MC68HC908QY4 – plně softwarová implementace, bez UART/SCI [4]: mikroprocesor v pouzdře PDIP/SOIC 16, použitá architektura je typu von Neumann, 13 vstupně/výstupních vývodů, 4096B FLASH, 128B paměť RAM.
3.1 Mikroprocesor MC68HC908GZ60 Na Obr. 10 je uvedeno měření zátěže mikroprocesoru na jednu LIN zprávu. Na kanále jedna je zobrazena LIN zpráva a na kanále dva jsou uvedena jednotlivá přerušení mikroprocesoru na jednu LIN zprávu, která přenáší dva datové bajty v odezvě zprávy. Jak je patrné z Obr. 10, tak přerušení vykonává mikroprocesor po každém přeneseném bajtu. Tedy v hlavičce zprávy se jedná celkem o tři přerušení a to mezera zprávy, synchronizační pole a pole identifikátorů. V odezvě zprávy se přerušení vykonává po každém přeneseném datovém poli a také po poli kontrolního součtu. Tedy na jednu LIN zprávu, která má v odezvě zprávy dvě datová pole při použití mikroprocesoru MC68HC908GZ60, který obsahuje UART/SCI modul přizpůsobený LINu se provádí šest přerušení. Délka času stráveného v přerušení u hlavičky zprávy (jedná se celkem o tři přerušení) činí 280 µs, 250 µs, 330 µs a doba strávená v přerušení v odezvě zprávy činí 300 µs, 290 µs, 180 µs (celková doba všech přerušní 1,63 ms). U tohoto mikroprocesoru, který využívá UART/SCI modul činí přerušení vzhledem k času přenosu LIN zprávy 19,2 % celkové doby rámce. Po tuto dobu 1,63 ms (19,2%) se nemohou vykonávat žádné další početní operace mimo vlastní přerušení viz Obr. 10.
21-9
2008/21 – 2.6.2008
Obr. 10: Měření zátěže mikroprocesoru na jednu LIN zprávu (2 datové bajty v odezvě) pro MC68HC908GZ60
3.2 Mikroprocesor MC68HC908QL4 Na Obr. 11 je uvedeno měření zátěže mikroprocesoru na jednu LIN zprávu. Na kanále jedna je zobrazena LIN zpráva a na kanále dva jsou uvedena jednotlivá přerušení mikroprocesoru na jednu LIN zprávu, která přenáší dva datové bajty v odezvě zprávy. Jak je patrné z Obr. 11, tak první přerušení mikroprocesor vykonává po přenesení kompletní hlavičky zprávy. Druhé přerušení se vykoná po odeslané odezvě zprávy na sběrnici. Tedy na jednu LIN zprávu při použití mikroprocesoru MC68HC908QL4, který obsahuje SLIC modul se provádí dvě přerušení. Délka prvního přerušení po vyslání hlavičky zprávy činí 100 µs a druhé přerušení činilo po změření 108 µs. Zde je nutno podotknout, že počet přerušení se nemění v závislosti na počtu přenášených datových bajtů. U tohoto mikroprocesoru, který obsahuje SLIC modul činí přerušení vzhledem k času přenosu LIN zprávy 2,4% celkové doby rámce. Po tuto dobu 208 µs (2,4%) se nemohla vykonávat žádná další početní operace mimo vlastní přerušení viz Obr. 11.
21-10
2008/21 – 2.6.2008
Obr. 11: Měření zátěže mikroprocesoru na jednu LIN zprávu (2 datové bajty v odezvě) pro MC68HC908QL4
3.3 Mikroprocesor MC68HC908QY4 Na Obr. 12 je uvedeno měření zátěže mikroprocesoru na jednu LIN zprávu. Na kanále jedna je zobrazena LIN zpráva a na kanále dva jsou uvedena jednotlivá přerušení mikroprocesoru na jednu LIN zprávu, která přenáší dva datové bajty v odezvě zprávy. Jak je patrné z obrázku, tak přerušení vykonává mikroprocesor po každém přeneseném bitu. Tedy v hlavičce zprávy se jedná celkem o třicet přerušení a v odezvě zprávy se vykonává třicet přerušení. Z tohoto vyplývá, že na jednu LIN zprávu, která obsahuje v odezvě zprávy dvě datová pole při použití mikroprocesoru MC68HC908QY4, který neobsahuje UART/SCI modul (musí se řešit plně softwarovou cestou) se provádí celkem 60 přerušení. Délka času stráveného v přerušení v hlavičce zprávy činí 1,028 ms a doba strávená v přerušení v odezvě zprávy činí 944 µs. U tohoto mikroprocesoru, který nemá UART/SCI modul a řeší se plně softwarovou cestou činí přerušení vzhledem k času přenosu LIN zprávy 23,2 % celkové doby rámce. Po tuto dobu 1,972 ms (23,2%) se nemohou vykonávat žádné další početní operace mimo vlastní přerušení viz Obr. 12. Všechny průběhy a výsledky, které jsou v tomto článku uvedeny, byly naměřeny na osciloskopu Agilent 54621A.
21-11
2008/21 – 2.6.2008
Obr. 12: Měření zátěže mikroprocesoru na jednu LIN zprávu (2 datové bajty v odezvě) pro MC68HC908QY4
Tab. 2: Tabulka srovnání jednotlivých hardwarových implementací
Mikroprocesor přenosová rychlost CPU[MHz] počet přerušení čas v přerušení MC68HC908QL4 9,6 kbps 3,2 2 208 µs 2,4% MC68HC908QY4 9,6 kbps 3,2 60 1,972 ms 23,2% MC68HC908GZ60 9,6 kbps 2 6 1,630 ms 19,2%
21-12
2008/21 – 2.6.2008
4 Závěr Použitím modulu SLIC u mikroprocesoru MC68HC908QL4 se snižuje čas strávený v přerušení. Kontrolní součet je generován automaticky a tak se šetří značná část instrukcí, které jsou potřeba u klasického UART rozhraní. Použitím tohoto modulu se nám snižuje i čas strávený uvnitř přerušovacích programů. Dalším měřeným mikroprocesorem byl MC68HC908QY4, který neobsahuje UART rozhraní a proto musí být nahrazeno plně softwarovou cestou, což klade vysoké nároky na přerušení a dobu strávenou v jednotlivých programech, které nahrazují toto softwarové rozhraní. Počet přerušení na jednu LIN zprávu u které probíhalo měření bylo 60. Doba strávená mikroprocesorem v přerušení je vzhledem k době přenosu LIN zprávy 23%. Po tuto dobu mikroprocesor není schopen vykonávat žádnou další operaci. Z měření vyplývá, že každý z těchto dvou mikroprocesorů je vhodný použít pro jiné aplikace, které jsou závislé na různých požadavcích kladených na výpočetní výkon samotného MCU. Jako Slave zařízení bych doporučil použít mikroprocesor MC68HC908QL4. Tento mikroprocesor vykonává pouze dvě přerušení na jednu LIN zprávu. Doba strávená mikroprocesorem v přerušení je vzhledem k době přenosu LIN zprávy 2,4%. Z měření u mikroprocesoru MC68HC908GZ60 vyplynulo, že počet přerušení na LIN zprávu je 6 (zpráva, která obsahuje dva bajty v odezvě zprávy). Doba strávená mikroprocesorem v přerušení je vzhledem k době přenosu LIN zprávy 19,2%. Nutno si však uvědomit, že tyto údaje nelze přímo srovnávat s údaji uvedenými u předchozích dvou mikroprocesorů, neboť vzhledem k funkcionalitě mikroprocesoru GZ60 jako master node, je vytížení procesoru neporovnatelné s mikroprocesory ve funkci slave node. Tento mikroprocesor se používá jako hlavní zařízení typu Master. Tímto článkem jsem chtěl přiblížit oblast automobilových sběrnic s důrazem na protokol LIN a také možnosti použití různých hardwarových implementací ve spojení s tímto protokolem. Každý z těchto mikroprocesorů je vhodný pro jiné oblasti využití. Velké rozdíly nastávají i v jejich pořizovací ceně (MC68HC908QL4 – 2,4$, MC68HC908QY4 – 1$, MC68HC908GZ60 – 5,5$) [5], [6], [7]. Z uvedeného vyplývá, že je důležité při koncepci sítě si předem dobře promyslet, který mikroprocesor z velkého množství nabízených použijeme.
21-13
2008/21 – 2.6.2008
5 Seznam Literatury: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]
Sdělovací technika. Perspektivy automobilové techniky. Dostupné z WWW: http://www.stech.cz/articles_print.asp?idk=97&ida=237 FlexRay Consortium. FlexRay Basic. Dostupné z WWW: http://www.flexray.com/ Robert Bosch GmbH. CAN Specification Version 2.0. Dostupné z WWW: http://www.semiconductors.bosch.de/pdf/can2spec.pdf LIN Consortium. LIN Specifikation Package Revision 2.0. Dostupné z WWW: http://www.lin-subbus.org/ MC68HC908QY4. Dostupné z WWW: DATA SHEET. http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC68HC908QY4A.pdf DATA SHEET. MC68HC908QL4. Dostupné z WWW: http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC68HC908QL4.pdf DATA SHEET. MC68HC908GZ60. Dostupné z WWW: http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC68HC908GZ60.pdf MANN, B.: C pro mikrokontroléry, 1. vyd. Praha: BEN 2003, ISBN 80-7300-077-6. LIN Consortium. LIN Specifikation Package Revision 1.3. Dostupné z WWW: http://www.lin-subbus.org/
21-14
