LIN協(xié)議在車身控制器中的設計實現(xiàn)

引言：

隨著汽車智能化程度的提高和升級換代的需要，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，在車身控制領域，做為控制局域網(wǎng)（CAN，control area network）總線的有效補充，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的成本增加問題，在通訊速率要求不高、成本要求更高的國產(chǎn)車車身電子系統(tǒng)上得到了大規(guī)模應用。筆者為某國產(chǎn)車基于LIN總線的車身控制系統(tǒng)設計了一款車身控制器（BCM，Body control module），做為LIN總線網(wǎng)絡的主節(jié)點，BCM在實現(xiàn)對多路開關量、脈沖量檢測以及負載控制等功能的同時，調(diào)度管理整個LIN網(wǎng)絡的通信，實現(xiàn)與LIN從節(jié)點的命令和狀態(tài)的交互，并實現(xiàn)網(wǎng)絡管理功能。該LIN網(wǎng)絡架構(gòu)如圖1所示：

圖1 車身LIN網(wǎng)絡架構(gòu)

筆者結(jié)合BCM設計經(jīng)驗，首先分析下LIN協(xié)議的架構(gòu)和通信機制，然后從數(shù)據(jù)鏈路層、應用層和網(wǎng)絡管理的實現(xiàn)上詳細介紹下主節(jié)點設計技術(shù)。

1 協(xié)議分析：

LIN總線采用一主多從的網(wǎng)絡架構(gòu)[1]，主節(jié)點以時間片輪轉(zhuǎn)的方式控制網(wǎng)絡信號流，確定發(fā)送哪個幀并在幀之間保持正確的定時，從節(jié)點接收幀頭并根據(jù)其標識符（ID，Identifier）決定如何響應。LIN通信基于主任務和從任務的行為模型，如圖2所示，主任務負責產(chǎn)生并發(fā)送正確的報文頭，從任務負責對報文頭做出響應。這種方式無需總線仲裁且能保證最差狀態(tài)下的信號傳輸延遲時間，網(wǎng)絡負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)點的實現(xiàn)是最復雜的，下面從數(shù)據(jù)鏈路層、應用層、網(wǎng)絡管理三個方面介紹下主節(jié)點LIN協(xié)議的設計實現(xiàn)。

2 LIN協(xié)議設計

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個數(shù)據(jù)位+1個停止位、無奇偶校驗，且由于LIN總線在物理層上是單根線，在發(fā)送時也會觸發(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)中實現(xiàn)。

圖2給出了LIN報文格式：LIN報文由幀頭和響應兩個部分組成[3]，幀頭包括間隔場、同步場和ID，響應包括數(shù)據(jù)場和校驗和。根據(jù)LIN報文格式設計狀態(tài)機，以報文的各個組成部分定義狀態(tài)，隨著LIN報文的發(fā)送和接收過程進行狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，便可以以狀態(tài)機的形式實現(xiàn)LIN數(shù)據(jù)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總線開發(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(diào)度表和報文信號矩陣，主節(jié)點要實現(xiàn)的便是依據(jù)調(diào)度表進行LIN報文的傳輸調(diào)度和LIN信號的提取和填充。

調(diào)度表是一個環(huán)形的報文序列，其每個條目包含一個報文及其所占據(jù)的時間片長度。主節(jié)點依據(jù)調(diào)度表實現(xiàn)對時間片的計時和輪轉(zhuǎn)，當某報文時間片到達時，BCM發(fā)送包括間隔場、同步場和保護標識符（PID，protected indentifier）在內(nèi)的幀頭[5]，然后由各個節(jié)點根據(jù)該PID決定響應方式（發(fā)送或接收數(shù)據(jù)場和校驗和）。當該時間片計時滿，切換調(diào)度表條目，進行下一個報文的傳輸，這樣便實現(xiàn)了LIN報文的傳輸調(diào)度。調(diào)度表條目結(jié)構(gòu)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(diào)度表為l_sch_table_item結(jié)構(gòu)體數(shù)組，handle索引具體的調(diào)度表條目，隨時間片的切換而累加，累加到調(diào)度表表尾后再次切換時將handle置為調(diào)度表表頭索引，再次依次輪轉(zhuǎn)；pid為LIN報文的Protected ID，表示該時間槽內(nèi)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(jié)點發(fā)送；data為數(shù)據(jù)場地址，指向本條目所對應報文的數(shù)據(jù)場，datalen為數(shù)據(jù)場長度；ticks定義時間槽長度，決定時間片計時時間，計時滿則切換到下一個時間槽進行下一條報文的傳輸。

LIN信號矩陣定義了每個報文的數(shù)據(jù)場中所包含信號的含義、長度及其在數(shù)據(jù)場中的位置，筆者通過一種巧妙的方式實現(xiàn)了LIN信號的填充和提取。

首先依據(jù)信號矩陣定義，為每個報文數(shù)據(jù)場單獨設計一個結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體成員變量分別對應該報文中的信號，然后在對調(diào)度表進行初始化時，將每個報文結(jié)構(gòu)體變量的地址賦給調(diào)度表條目中的*data（見上述l_sch_table_item結(jié)構(gòu)體定義），這樣對于由BCM發(fā)送數(shù)據(jù)場的報文來說，直接對該報文結(jié)構(gòu)體變量中的成員變量賦值就實現(xiàn)了LIN信號的填充，在調(diào)度到該報文的傳輸時，所發(fā)送的數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)便是已經(jīng)得到填充更新的值。對于由BCM接收數(shù)據(jù)場的報文來說，當輪轉(zhuǎn)完該時間槽后，該調(diào)度表條目中的*data已經(jīng)包含了該報文的數(shù)據(jù)場，直接提取使用即可[6]。

2.3 網(wǎng)絡管理

LIN協(xié)議定義了網(wǎng)絡管理功能，實現(xiàn)LIN網(wǎng)絡的休眠和喚醒，BCM做為車身LIN網(wǎng)絡的主節(jié)點，控制所有LIN節(jié)點的休眠。進入休眠有兩種方式：

一、BCM暫停主調(diào)度表的輪轉(zhuǎn)，保持總線上無數(shù)據(jù)，持續(xù)4S后，從節(jié)點自動進入休眠；

二、BCM在總線上廣播發(fā)送數(shù)據(jù)場首字節(jié)為0的診斷請求幀即睡眠幀，從節(jié)點收到該幀后進入休眠。

喚醒則是通過在總線上發(fā)送喚醒信號實現(xiàn)的，喚醒信號為持續(xù)時間超過150us的顯性位，LIN網(wǎng)絡每個節(jié)點都有喚醒功能。當BCM喚醒其它節(jié)點時，發(fā)送數(shù)據(jù)0即可，因為LIN總線最大速率為20K，數(shù)據(jù)0會把LIN總線拉低為顯性位至少450us。當BCM被其它節(jié)點喚醒時，需要在進入休眠時禁能SCI模塊的SCI功能，使能其IO功能并使能中斷喚醒，這樣當總線上出現(xiàn)顯性位時，便可以被喚醒，檢測IO腳低電平持續(xù)時間，判斷是否為有效的喚醒信號，如果是，則將調(diào)度表切換為主調(diào)度表，開始正常通信，如果為無效的喚醒信號，則認為是毛刺，再次立即進入休眠。

結(jié)語

筆者結(jié)合設計某基于LIN總線的車身控制器的經(jīng)驗,深入分析了LIN協(xié)議規(guī)范及其通信原理，詳細介紹了數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范及其實現(xiàn)技術(shù)，定義了應用層的主要任務并給出設計方法，分析了LIN網(wǎng)絡管理的機制并給出了具體實現(xiàn)，對從事LIN開發(fā)的工程師有很好的借鑒意義。