LIN協(xié)議在車身控制器中的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

引言：

隨著汽車智能化程度的提高和升級(jí)換代的需要，汽車電子系統(tǒng)正由集中式控制向基于總線的分布式控制發(fā)展，在車身控制領(lǐng)域，做為控制局域網(wǎng)（CAN，control area network）總線的有效補(bǔ)充，本地互聯(lián)網(wǎng)（LIN，local interconnect network）總線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(guó)產(chǎn)車車身電子系統(tǒng)上得到了大規(guī)模應(yīng)用。筆者為某國(guó)產(chǎn)車基于LIN總線的車身控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款車身控制器（BCM，Body control module），做為L(zhǎng)IN總線網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)，BCM在實(shí)現(xiàn)對(duì)多路開關(guān)量、脈沖量檢測(cè)以及負(fù)載控制等功能的同時(shí)，調(diào)度管理整個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)的通信，實(shí)現(xiàn)與LIN從節(jié)點(diǎn)的命令和狀態(tài)的交互，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理功能。該LIN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示：

圖1 車身LIN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

筆者結(jié)合BCM設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，首先分析下LIN協(xié)議的架構(gòu)和通信機(jī)制，然后從數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)管理的實(shí)現(xiàn)上詳細(xì)介紹下主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)。

1 協(xié)議分析：

LIN總線采用一主多從的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[1]，主節(jié)點(diǎn)以時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式控制網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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(jié)點(diǎn)接收幀頭并根據(jù)其標(biāo)識(shí)符（ID，Identifier）決定如何響應(yīng)。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(fù)責(zé)產(chǎn)生并發(fā)送正確的報(bào)文頭，從任務(wù)負(fù)責(zé)對(duì)報(bào)文頭做出響應(yīng)。這種方式無(wú)需總線仲裁且能保證最差狀態(tài)下的信號(hào)傳輸延遲時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載可控并可以避免總線沖突。

圖2 LIN通信行為模型

在LIN總線系統(tǒng)中，主節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)是最復(fù)雜的，下面從數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)管理三個(gè)方面介紹下主節(jié)點(diǎn)LIN協(xié)議的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

2 LIN協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)鏈路層：

LIN總線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(shù)據(jù)鏈路格式[2]：8個(gè)數(shù)據(jù)位+1個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)，且由于LIN總線在物理層上是單根線，在發(fā)送時(shí)也會(huì)觸發(fā)接收中斷，這樣LIN的數(shù)據(jù)鏈路層便可以統(tǒng)一在串行通信接口（SCI，serial comuunication interface）接收中斷處理函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。

圖2給出了LIN報(bào)文格式：LIN報(bào)文由幀頭和響應(yīng)兩個(gè)部分組成[3]，幀頭包括間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)和ID，響應(yīng)包括數(shù)據(jù)場(chǎng)和校驗(yàn)和。根據(jù)LIN報(bào)文格式設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)，以報(bào)文的各個(gè)組成部分定義狀態(tài)，隨著LIN報(bào)文的發(fā)送和接收過(guò)程進(jìn)行狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，便可以以狀態(tài)機(jī)的形式實(shí)現(xiàn)LIN數(shù)據(jù)鏈路層，具體設(shè)計(jì)在此不再詳述，可以參考筆者的《有限狀態(tài)機(jī)在LIN總線開發(fā)中的應(yīng)用》一文[4]。

2.2 應(yīng)用層：

應(yīng)用層協(xié)議主要定義了報(bào)文調(diào)度表和報(bào)文信號(hào)矩陣，主節(jié)點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)的便是依據(jù)調(diào)度表進(jìn)行LIN報(bào)文的傳輸調(diào)度和LIN信號(hào)的提取和填充。

調(diào)度表是一個(gè)環(huán)形的報(bào)文序列，其每個(gè)條目包含一個(gè)報(bào)文及其所占據(jù)的時(shí)間片長(zhǎng)度。主節(jié)點(diǎn)依據(jù)調(diào)度表實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間片的計(jì)時(shí)和輪轉(zhuǎn)，當(dāng)某報(bào)文時(shí)間片到達(dá)時(shí)，BCM發(fā)送包括間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)和保護(hù)標(biāo)識(shí)符（PID，protected indentifier）在內(nèi)的幀頭[5]，然后由各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)該P(yáng)ID決定響應(yīng)方式（發(fā)送或接收數(shù)據(jù)場(chǎng)和校驗(yàn)和）。當(dāng)該時(shí)間片計(jì)時(shí)滿，切換調(diào)度表?xiàng)l目，進(jìn)行下一個(gè)報(bào)文的傳輸，這樣便實(shí)現(xiàn)了LIN報(bào)文的傳輸調(diào)度。調(diào)度表?xiàng)l目結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)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(bào)文調(diào)度表為l_sch_table_item結(jié)構(gòu)體數(shù)組，handle索引具體的調(diào)度表?xiàng)l目，隨時(shí)間片的切換而累加，累加到調(diào)度表表尾后再次切換時(shí)將handle置為調(diào)度表表頭索引，再次依次輪轉(zhuǎn)；pid為L(zhǎng)IN報(bào)文的Protected ID，表示該時(shí)間槽內(nèi)傳輸哪一條報(bào)文；mode表示該報(bào)文的響應(yīng)是BCM發(fā)送還是其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送；data為數(shù)據(jù)場(chǎng)地址，指向本條目所對(duì)應(yīng)報(bào)文的數(shù)據(jù)場(chǎng)，datalen為數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度；ticks定義時(shí)間槽長(zhǎng)度，決定時(shí)間片計(jì)時(shí)時(shí)間，計(jì)時(shí)滿則切換到下一個(gè)時(shí)間槽進(jìn)行下一條報(bào)文的傳輸。

LIN信號(hào)矩陣定義了每個(gè)報(bào)文的數(shù)據(jù)場(chǎng)中所包含信號(hào)的含義、長(zhǎng)度及其在數(shù)據(jù)場(chǎng)中的位置，筆者通過(guò)一種巧妙的方式實(shí)現(xiàn)了LIN信號(hào)的填充和提取。

首先依據(jù)信號(hào)矩陣定義，為每個(gè)報(bào)文數(shù)據(jù)場(chǎng)單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體成員變量分別對(duì)應(yīng)該報(bào)文中的信號(hào)，然后在對(duì)調(diào)度表進(jìn)行初始化時(shí)，將每個(gè)報(bào)文結(jié)構(gòu)體變量的地址賦給調(diào)度表?xiàng)l目中的*data（見(jiàn)上述l_sch_table_item結(jié)構(gòu)體定義），這樣對(duì)于由BCM發(fā)送數(shù)據(jù)場(chǎng)的報(bào)文來(lái)說(shuō)，直接對(duì)該報(bào)文結(jié)構(gòu)體變量中的成員變量賦值就實(shí)現(xiàn)了LIN信號(hào)的填充，在調(diào)度到該報(bào)文的傳輸時(shí)，所發(fā)送的數(shù)據(jù)場(chǎng)的數(shù)據(jù)便是已經(jīng)得到填充更新的值。對(duì)于由BCM接收數(shù)據(jù)場(chǎng)的報(bào)文來(lái)說(shuō)，當(dāng)輪轉(zhuǎn)完該時(shí)間槽后，該調(diào)度表?xiàng)l目中的*data已經(jīng)包含了該報(bào)文的數(shù)據(jù)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(xiàn)LIN網(wǎng)絡(luò)的休眠和喚醒，BCM做為車身LIN網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)，控制所有LIN節(jié)點(diǎn)的休眠。進(jìn)入休眠有兩種方式：

一、BCM暫停主調(diào)度表的輪轉(zhuǎn)，保持總線上無(wú)數(shù)據(jù)，持續(xù)4S后，從節(jié)點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)入休眠；

二、BCM在總線上廣播發(fā)送數(shù)據(jù)場(chǎng)首字節(jié)為0的診斷請(qǐng)求幀即睡眠幀，從節(jié)點(diǎn)收到該幀后進(jìn)入休眠。

喚醒則是通過(guò)在總線上發(fā)送喚醒信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，喚醒信號(hào)為持續(xù)時(shí)間超過(guò)150us的顯性位，LIN網(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有喚醒功能。當(dāng)BCM喚醒其它節(jié)點(diǎn)時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)0即可，因?yàn)長(zhǎng)IN總線最大速率為20K，數(shù)據(jù)0會(huì)把LIN總線拉低為顯性位至少450us。當(dāng)BCM被其它節(jié)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(dāng)總線上出現(xiàn)顯性位時(shí)，便可以被喚醒，檢測(cè)IO腳低電平持續(xù)時(shí)間，判斷是否為有效的喚醒信號(hào)，如果是，則將調(diào)度表切換為主調(diào)度表，開始正常通信，如果為無(wú)效的喚醒信號(hào)，則認(rèn)為是毛刺，再次立即進(jìn)入休眠。

結(jié)語(yǔ)

筆者結(jié)合設(shè)計(jì)某基于LIN總線的車身控制器的經(jīng)驗(yàn),深入分析了LIN協(xié)議規(guī)范及其通信原理，詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)，定義了應(yīng)用層的主要任務(wù)并給出設(shè)計(jì)方法，分析了LIN網(wǎng)絡(luò)管理的機(jī)制并給出了具體實(shí)現(xiàn)，對(duì)從事LIN開發(fā)的工程師有很好的借鑒意義。