LIN協(xié)議在車(chē)身控制器中的設計實(shí)現

引言：

隨著(zhù)汽車(chē)智能化程度的提高和升級換代的需要，汽車(chē)電子系統正由集中式控制向基于總線(xiàn)的分布式控制發(fā)展，在車(chē)身控制領(lǐng)域，做為控制局域網(wǎng)（CAN，control area network）總線(xiàn)的有效補充，本地互聯(lián)網(wǎng)（LIN，local interconnect network）總線(xiàn)以其成本低廉有效解決了分布式控制帶來(lái)的成本增加問(wèn)題，在通訊速率要求不高、成本要求更高的國產(chǎn)車(chē)車(chē)身電子系統上得到了大規模應用。筆者為某國產(chǎn)車(chē)基于LIN總線(xiàn)的車(chē)身控制系統設計了一款車(chē)身控制器（BCM，Body control module），做為LIN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的主節點(diǎn)，BCM在實(shí)現對多路開(kāi)關(guān)量、脈沖量檢測以及負載控制等功能的同時(shí)，調度管理整個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò )的通信，實(shí)現與LIN從節點(diǎn)的命令和狀態(tài)的交互，并實(shí)現網(wǎng)絡(luò )管理功能。該LIN網(wǎng)絡(luò )架構如圖1所示：

圖1 車(chē)身LIN網(wǎng)絡(luò )架構

筆者結合BCM設計經(jīng)驗，首先分析下LIN協(xié)議的架構和通信機制，然后從數據鏈路層、應用層和網(wǎng)絡(luò )管理的實(shí)現上詳細介紹下主節點(diǎn)設計技術(shù)。

1 協(xié)議分析：

LIN總線(xiàn)采用一主多從的網(wǎng)絡(luò )架構[1]，主節點(diǎn)以時(shí)間片輪轉的方式控制網(wǎng)絡(luò )信號流，確定發(fā)送哪個(gè)幀并在幀之間保持正確的定時(shí)，從節點(diǎn)接收幀頭并根據其標識符（ID，Identifier）決定如何響應。LIN通信基于主任務(wù)和從任務(wù)的行為模型，如圖2所示，主任務(wù)負責產(chǎn)生并發(fā)送正確的報文頭，從任務(wù)負責對報文頭做出響應。這種方式無(wú)需總線(xiàn)仲裁且能保證最差狀態(tài)下的信號傳輸延遲時(shí)間，網(wǎng)絡(luò )負載可控并可以避免總線(xiàn)沖突。

圖2 LIN通信行為模型

在LIN總線(xiàn)系統中，主節點(diǎn)的實(shí)現是最復雜的，下面從數據鏈路層、應用層、網(wǎng)絡(luò )管理三個(gè)方面介紹下主節點(diǎn)LIN協(xié)議的設計實(shí)現。

2 LIN協(xié)議設計

2.1 數據鏈路層：

LIN總線(xiàn)基于異步串行通信接口，在底層傳輸上采用8N1格式的SCI串行數據鏈路格式[2]：8個(gè)數據位+1個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗，且由于LIN總線(xiàn)在物理層上是單根線(xiàn)，在發(fā)送時(shí)也會(huì )觸發(fā)接收中斷，這樣LIN的數據鏈路層便可以統一在串行通信接口（SCI，serial comuunication interface）接收中斷處理函數中實(shí)現。

圖2給出了LIN報文格式：LIN報文由幀頭和響應兩個(gè)部分組成[3]，幀頭包括間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)和ID，響應包括數據場(chǎng)和校驗和。根據LIN報文格式設計狀態(tài)機，以報文的各個(gè)組成部分定義狀態(tài)，隨著(zhù)LIN報文的發(fā)送和接收過(guò)程進(jìn)行狀態(tài)跳轉，便可以以狀態(tài)機的形式實(shí)現LIN數據鏈路層，具體設計在此不再詳述，可以參考筆者的《有限狀態(tài)機在LIN總線(xiàn)開(kāi)發(fā)中的應用》一文[4]。

2.2 應用層：

應用層協(xié)議主要定義了報文調度表和報文信號矩陣，主節點(diǎn)要實(shí)現的便是依據調度表進(jìn)行LIN報文的傳輸調度和LIN信號的提取和填充。

調度表是一個(gè)環(huán)形的報文序列，其每個(gè)條目包含一個(gè)報文及其所占據的時(shí)間片長(cháng)度。主節點(diǎn)依據調度表實(shí)現對時(shí)間片的計時(shí)和輪轉，當某報文時(shí)間片到達時(shí)，BCM發(fā)送包括間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)和保護標識符（PID，protected indentifier）在內的幀頭[5]，然后由各個(gè)節點(diǎn)根據該PID決定響應方式（發(fā)送或接收數據場(chǎng)和校驗和）。當該時(shí)間片計時(shí)滿(mǎn)，切換調度表條目，進(jìn)行下一個(gè)報文的傳輸，這樣便實(shí)現了LIN報文的傳輸調度。調度表條目結構體設計如下：

typedef struct

{

uchar handle;/*the schedule table index*/

uchar pid;

l_Resp_mode mode;/*means BCM receive the datafield or send the datafiled */

uchar datalen;

uchar *data;

uchar ticks;/*the time slot length*/

}l_sch_table_item;

LIN報文調度表為l_sch_table_item結構體數組，handle索引具體的調度表條目，隨時(shí)間片的切換而累加，累加到調度表表尾后再次切換時(shí)將handle置為調度表表頭索引，再次依次輪轉；pid為L(cháng)IN報文的Protected ID，表示該時(shí)間槽內傳輸哪一條報文；mode表示該報文的響應是BCM發(fā)送還是其它節點(diǎn)發(fā)送；data為數據場(chǎng)地址，指向本條目所對應報文的數據場(chǎng)，datalen為數據場(chǎng)長(cháng)度；ticks定義時(shí)間槽長(cháng)度，決定時(shí)間片計時(shí)時(shí)間，計時(shí)滿(mǎn)則切換到下一個(gè)時(shí)間槽進(jìn)行下一條報文的傳輸。

LIN信號矩陣定義了每個(gè)報文的數據場(chǎng)中所包含信號的含義、長(cháng)度及其在數據場(chǎng)中的位置，筆者通過(guò)一種巧妙的方式實(shí)現了LIN信號的填充和提取。

首先依據信號矩陣定義，為每個(gè)報文數據場(chǎng)單獨設計一個(gè)結構體，結構體成員變量分別對應該報文中的信號，然后在對調度表進(jìn)行初始化時(shí)，將每個(gè)報文結構體變量的地址賦給調度表條目中的*data（見(jiàn)上述l_sch_table_item結構體定義），這樣對于由BCM發(fā)送數據場(chǎng)的報文來(lái)說(shuō)，直接對該報文結構體變量中的成員變量賦值就實(shí)現了LIN信號的填充，在調度到該報文的傳輸時(shí)，所發(fā)送的數據場(chǎng)的數據便是已經(jīng)得到填充更新的值。對于由BCM接收數據場(chǎng)的報文來(lái)說(shuō)，當輪轉完該時(shí)間槽后，該調度表條目中的*data已經(jīng)包含了該報文的數據場(chǎng)，直接提取使用即可[6]。

2.3 網(wǎng)絡(luò )管理

LIN協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò )管理功能，實(shí)現LIN網(wǎng)絡(luò )的休眠和喚醒，BCM做為車(chē)身LIN網(wǎng)絡(luò )的主節點(diǎn)，控制所有LIN節點(diǎn)的休眠。進(jìn)入休眠有兩種方式：

一、BCM暫停主調度表的輪轉，保持總線(xiàn)上無(wú)數據，持續4S后，從節點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)入休眠；

二、BCM在總線(xiàn)上廣播發(fā)送數據場(chǎng)首字節為0的診斷請求幀即睡眠幀，從節點(diǎn)收到該幀后進(jìn)入休眠。

喚醒則是通過(guò)在總線(xiàn)上發(fā)送喚醒信號實(shí)現的，喚醒信號為持續時(shí)間超過(guò)150us的顯性位，LIN網(wǎng)絡(luò )每個(gè)節點(diǎn)都有喚醒功能。當BCM喚醒其它節點(diǎn)時(shí)，發(fā)送數據0即可，因為L(cháng)IN總線(xiàn)最大速率為20K，數據0會(huì )把LIN總線(xiàn)拉低為顯性位至少450us。當BCM被其它節點(diǎn)喚醒時(shí)，需要在進(jìn)入休眠時(shí)禁能SCI模塊的SCI功能，使能其IO功能并使能中斷喚醒，這樣當總線(xiàn)上出現顯性位時(shí)，便可以被喚醒，檢測IO腳低電平持續時(shí)間，判斷是否為有效的喚醒信號，如果是，則將調度表切換為主調度表，開(kāi)始正常通信，如果為無(wú)效的喚醒信號，則認為是毛刺，再次立即進(jìn)入休眠。

結語(yǔ)

筆者結合設計某基于LIN總線(xiàn)的車(chē)身控制器的經(jīng)驗,深入分析了LIN協(xié)議規范及其通信原理，詳細介紹了數據鏈路層協(xié)議規范及其實(shí)現技術(shù)，定義了應用層的主要任務(wù)并給出設計方法，分析了LIN網(wǎng)絡(luò )管理的機制并給出了具體實(shí)現，對從事LIN開(kāi)發(fā)的工程師有很好的借鑒意義。