基于有限狀態(tài)機(jī)在LIN總線開發(fā)中的應(yīng)用

???? 引言

　　隨著汽車智能化程度的提高和迅速升級(jí)換代的需要，汽車電子網(wǎng)絡(luò)正在由集中式控制向分布式控制發(fā)展。LIN總線作為CAN總線的有效補(bǔ)充，以低速率和低成本的實(shí)現(xiàn)有效解決了分布式控制帶來的成本增加問題。在筆者研制的車身分布式控制系統(tǒng)中，采用CAN總線和LIN總線連接各個(gè)控制單元，完成單元之間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車身控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　該車身控制系統(tǒng)包括車燈模塊、車門模塊、車內(nèi)模塊、控制面板模塊和儀表盤模塊，分別完成對(duì)相應(yīng)負(fù)載的控制和監(jiān)測(cè)，同時(shí)通過CAN總線完成數(shù)據(jù)交換。其中車燈模塊和車門模塊基于CAN/LIN總線以分布式的形式實(shí)現(xiàn)。本文重點(diǎn)論述的是LIN協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

　　LIN協(xié)議分析和狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)

　　有限狀態(tài)機(jī)是由一組狀態(tài)、一個(gè)起始狀態(tài)、輸入以及將輸入與當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換為下一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換函數(shù)所組成，它是一個(gè)特殊的有向圖，包括一些狀態(tài)節(jié)點(diǎn)和連接這些狀態(tài)的有向弧。對(duì)特定的狀態(tài)機(jī)而言，首先要建立一些有效的狀態(tài)，然后設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法完成狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

　　一個(gè)完整的LIN幀由間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)、PID、數(shù)據(jù)場(chǎng)以及校驗(yàn)和場(chǎng)組成，LIN協(xié)議驅(qū)動(dòng)器要實(shí)現(xiàn)的便是依序完成間隔場(chǎng)和同步場(chǎng)的檢測(cè)、ID的發(fā)送和接收、數(shù)據(jù)場(chǎng)字節(jié)的發(fā)送和接收，最后完成校驗(yàn)。狀態(tài)機(jī)形式與LIN協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范的定義相吻合，可以通過建立相應(yīng)的狀態(tài)來描述相應(yīng)的場(chǎng)從而描述整個(gè) LIN幀，且可以通過監(jiān)控當(dāng)前狀態(tài)，按照當(dāng)前接收到的字節(jié)切換其狀態(tài)，從而以狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方式依序完成各個(gè)場(chǎng)的發(fā)送和接收。設(shè)計(jì)以下幾個(gè)狀態(tài)：IDLE、BREAK、SYNBYTE、 IDENTIFY、TRANCEIVE和 CHECKS UM，設(shè)置標(biāo)志位state反映LINdriver的狀態(tài)，idle，pendin g，succe ss，當(dāng)處于LIN正確通訊的中間狀態(tài)時(shí)，state=pending，當(dāng)LIN通訊失敗，state=idle，當(dāng)完成一次完整的LIN通訊，state=success。

　　狀態(tài)的監(jiān)控和轉(zhuǎn)換是在UART接收中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)長(zhǎng)IN總線采用單根線通信，UART外接 LIN物理層收發(fā)器，所以當(dāng)UART發(fā)送的總線數(shù)據(jù)和接收到的總線數(shù)據(jù)一樣時(shí)，UART接收到的數(shù)據(jù)便是UART發(fā)送的數(shù)據(jù)，在接收中斷服務(wù)程序中完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換算法，如圖2。通過判斷當(dāng)前狀態(tài)和接收到的數(shù)據(jù)切換LINdriver的狀態(tài)，同時(shí)更新標(biāo)志位。

　
圖2 LIN協(xié)議狀態(tài)機(jī)

　　軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。首先進(jìn)行初始化，主要包括UART模塊的初始化和I/O腳初始化，設(shè)置波特率，使能接收中斷，設(shè)置LIN物理層收發(fā)器相應(yīng)I/O腳方向及電平，然后在UART接收中斷服務(wù)程序中以狀態(tài)機(jī)的形式完成LIN通訊。下面結(jié)合LIN幀結(jié)構(gòu)和 LINdriver的狀態(tài)轉(zhuǎn)換對(duì)該狀態(tài)機(jī)算法進(jìn)行闡述。

圖3 軟件流程圖

LIN幀以間隔場(chǎng)起始的，LIN- driver的起始狀態(tài)為IDLE，此時(shí)state=idle。間隔場(chǎng)是一個(gè)13位0的場(chǎng)，引起接收中斷同時(shí)置位UART模塊的frameerror位，在UART接收中斷服務(wù)程序中，判斷接收到的數(shù)據(jù)為0x00且frameerror標(biāo)志位為1時(shí)，便認(rèn)為接收到了間隔場(chǎng)，這時(shí)LINdriver從 IDLE切換到BREAK，state=pending。

　　同步場(chǎng)是一個(gè)0x55的字節(jié)，當(dāng)前狀態(tài)為BREAK時(shí)，如果接收到的數(shù)據(jù)為 0x55，LINdriver切換為SYNBYTE，state=pending保持不變，否則切換為IDLE，state=idle；

　　PID 是帶奇偶校驗(yàn)的ID，它以低6 位 ID0-ID5表示ID，高兩位P0、P1是對(duì) 該ID的奇偶校驗(yàn)，當(dāng)前狀態(tài)為SY NBYTE時(shí)，收到的數(shù)據(jù)便為PID。首先按照奇偶校驗(yàn)算法對(duì)PID進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)通過再按照應(yīng)用層協(xié)議對(duì)該P(yáng)ID進(jìn)行過濾，過濾成功則 LINdriver切換為TRANCEIVE，校驗(yàn)失敗或者過濾失敗則LINdriver返回IDLE，state=idle；

　　當(dāng)前狀態(tài)為 TRANCEIVE時(shí)，接收到的數(shù)據(jù)便是數(shù)據(jù)場(chǎng)中字節(jié)，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢，LINdriver切換為CHECKSUM。當(dāng)前狀態(tài)為CHECKSUM時(shí)，接收到的數(shù)據(jù)便為校驗(yàn)和場(chǎng)，校驗(yàn)成功，便置state=success，表示成功地完成了一次LIN通訊，這時(shí)數(shù)據(jù)場(chǎng)中的數(shù)據(jù)是有效的，可以用于應(yīng)用程序；校驗(yàn)失敗表示LIN通訊失敗，數(shù)據(jù)場(chǎng)中數(shù)據(jù)無效。

　　結(jié)語

　　本文針對(duì)普通單片機(jī)，借助于其片上 UART，以狀態(tài)機(jī)的形式實(shí)現(xiàn)了LIN協(xié)議驅(qū)動(dòng)，降低了LIN的實(shí)現(xiàn)成本，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，符合LIN總線以低成本作為CAN總線有效補(bǔ)充的初衷。