浅析一种LIN协议驱动器的原理及应用设计

引言：

LIN总线做为CAN总线的有效补充，在低端车身电子领域替代CAN总线，既能满足功能要求，又能节约成本，在对成本更加敏感的国产车上得到大规模应用。不同于CAN总线有专门的协议驱动器，用户不用管理底层的通信而直接进行应用程序的编写1，LIN总线没有专门的协议驱动器，一般需要在SCI模块的基础上用软件实现其底层通信，笔者为某国产车设计了一款LIN主节点产品，结合LIN 2.0规范，首先介绍下LIN协议驱动器的功能，然后从数据链路层、应用层两个方面介绍协议驱动器的关键设计技术。

1 驱动器功能：

LIN规范定义了数据格式、报文格式以及基于时间片的调度通信机制，做为LIN主节点，需要实现的功能包括：

1、报文的封装和发送、接收和解析，根据报文格式填充/提取ID和数据;

2、通信管理，以调度表的方式控制时间片的轮转和相应帧的发送;

3、网络管理，休眠和唤醒;

LIN总线采取8N1的SCI数据格式，协议驱动器在SCI的基础上以软件的形式实现。软件就是“数据+操作”2，做为一个可复用、移植性强的软件模块，其数据结构和API函数的设计是软件模块设计的两个重要组成部分，下面从数据链路层和应用层两个方面介绍下协议驱动器的数据结构设计和API函数设计。

2 数据链路层：

数据链路层主要实现LIN报文的发送及接收，报文格式如图1所示：

图1 LIN报文格式

LIN报文由报文头+响应组成，报文头包括同步间隔、同步字段和标识符三个部分，其中同步间隔为10bit 0，同步场为0x55，标识符唯一标识该报文;响应包括数据和校验和两个部分，报文数据长度由应用层设计指定，也可以认为由标识符唯一指定，校验和包括经典校验和和增强型校验和两种方式，均采用带进位加法进行计算，不同之处在于经典校验和只对数据做校验，而增强型校验和的校验数据中含有标识符，诊断报文采用经典校验和，其它报文采用增强型校验和。

由于LIN物理层为单线通信，且采取一种多从的时间片轮转方式，不存在CAN总线的竞争总线问题3，所以LIN节点发送数据可以回读到同样的数据，其报文的发送和接收可以统一在SCI的接收中断中，以状态机的形式实现4，状态对应报文的各个组成部分，状态机跳转条件便是数据接收中断。根据LIN报文结构，设计如下形式的结构体，

typedef struct

{

uchar pid;

uchar datalen;

uchar data[8];

uchar checksum;

l_bool done;

l_state state;

l_bool error;

}l_frame;

其中pid为标识符，data为报文数据，datalen为数据长度，checksum为校验和，state为状态机状态，其类型定义如下：

typedef enum

{

l_IDLE,

l_BREAK,

l_SYNC,

l_PID,

l_DATA,

l_CHECKSUM

}l_state;

状态机设计在SCI接收中断处理函数中实现，部分实现如下：

void l_ifc_rx_BcmIfc(void)

{

uchar ch,tmp,i;

ch=Lin_periph[SCIDRL];

switch(Cur_frame.state){

case l_IDLE:

if(0x00==ch){

Cur_frame.state=l_BREAK;

l_SendChar(0x55);

}else{

Cur_frame.state=l_IDLE;

}[page]

break;

case l_BREAK:

if(0x55==ch){

Cur_frame.state=l_SYNC;

l_SendChar(Cur_sch_item->pid);

}else{

Cur_frame.state=l_IDLE;

}

break;

case l_SYNC:

if(Cur_sch_item->pid!=ch){

Cur_frame.state=l_IDLE;

}else{

Cur_frame.state=l_PID;

Cur_frame.pid=Cur_sch_item->pid;

Cur_frame.datalen=Cur_sch_item->datalen;

if(l_SEND==Cur_sch_item->mode){

tmp=Cur_sch_item->data[0];

l_SendChar(tmp);

Cur_frame.data[0]=tmp;

Cur_frame.datalen--;

}

}

break;

case l_PID:

Cur_frame.state=l_DATA;

if(l_SEND==Cur_sch_item->mode){

if(Cur_frame.datalen==0){

Cur_frame.check=l_CalcChksum();

l_SendChar(Cur_frame.checksum);

Cur_frame.done=1;

}else{

tmp=Cur_sch_item->data[Cur_sch_item->datalen-Cur_frame.datalen];

l_SendChar(tmp);

Cur_frame.data[Cur_sch_item->datalen-Cur_frame.datalen]=tmp;

Cur_frame.datalen--;

}

}else{

Cur_frame.data[0]=ch;

Cur_frame.datalen--;

}

break;

case l_DATA:

...

break;

case l_CHECKSUM:

default:

break;

}

}

在声明变量和函数时，均以“l_”开头，这样可以避免跟其他模块在变量和函数命名空间上的冲突，从而增强了可移植性。

3 应用层：

应用层主要实现报文信号访问及通信管理。

3.1 信号访问

首先为每个报文的数据场根据信号在报文数据场中的位置及长度设计相应的结构体，然后以结构体成员变量的方式对信号进行访问。以与本节点通信的一个阳光传感器所发报文为例，报文数据场长度为l_SunSensLen=4，其信号包括阳光采样值、大灯操作请求、小灯操作请求等，报文数据场结构体如下所示：

typedef struct

{

l_bool l_ss_sshealth:1;

l_u8 l_ss_headlampreq:2;

l_bool l_ss_poslampreq:2;

l_u8 :3;

l_u8 l_ss_ssvalue:8;

l_u8 l_ss_headlampswth:8;

l_bool l_ss_sserror:1;

l_u8 :3;

l_u8 l_ss_ssmsgcounter:4;

}l_ss_msgType;[page]

为了使用的方便，定义联合体如下：

typedef union

{

l_u8 data[l_SunSensLen];

l_ss_msgType sunsens;

}l_ss_msgBuf;

为该报文数据场定义全局变量 l_ss_msgBuf l_SunSens;采取“不带复制的访问方式”5，直接对LIN信号赋值和取值，如对l_SunSens.sunsens.l_ss_headlampreq进行读写便实现了对大灯操作请求信号的访问。之所以采取这种方式，是因为采用调度表方式的LIN报文周期固定，信号变化的速度为调度表长度的整数倍，对于LIN应用而言，基本为百毫秒的量级，应用程序对LIN信号数据的访问速度远大于这个变化速度，即在数据产生变化之前已经被访问了，这种方式简单直观而且节省了变量空间。

3.2 通信管理

LIN通信采用时间片轮转的方式调度通信，调度表管理是通信管理的核心，下面先给出调度表条目的数据结构：

typedef struct

{

uchar handle;

uchar pid;

l_Resp_mode mode;

uchar datalen;

uchar *data;

uchar ticks;

}l_sch_table_item;

调度表为l_sch_table_item结构体数组，pid表示该条目对应哪一个报文，mode表示本节点发送还是接收该数据场，*data为该报文数据场结构体的地址，ticks为该时间槽的长度，在对调度表数组进行初始化时，将报文数据场结构体变量的地址赋给调度表条目中的*data，这样便实现了访问方式一节中的“不带复制的访问方式”。调度表是一个环形的序列，调度到表尾则切换到表头继续轮转，调度表的轮转函数如下所示：

void l_sch_tick(void)

{

if(1==TM[LIN_TIMESLOT_MS].overflow_flag){

TM[LIN_TIMESLOT_MS].overflow_flag=0;

if(Cur_sch_item==&l_sch_table_main[l_MAIN_SLOTS-1]){

Cur_sch_item=l_sch_table_main;

}else{

Cur_sch_item++;

}

Cur_frame.state=l_IDLE;

Cur_frame.done=0;

Cur_frame.error=0;

if(Cur_sch_item->pid!=l_Freepid){

l_SendBreak();

}else{

;

}

TimerStart(LIN_TIMESLOT_MS,Cur_sch_item->ticks,0,1);

}

}

应用层功能还包括休眠和唤醒功能，在此不再赘述。

结语

本文实现的LIN协议驱动器模块可以方便得集成到应用程序中，并且独立于具体的处理器和所采用的操作系统，可移植性良好，具有很好的实用价值和借鉴意义。