基于單片機(jī)的LIN協(xié)議實(shí)現(xiàn)

1 概述

LIN協(xié)議是新出現(xiàn)的一種新型低成本串行通信總線，其全稱是Local Interconnect Network，即局部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。它最開始出現(xiàn)于汽車行業(yè)，是為解決汽車智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展要求和降低汽車制造成本的矛盾而提出來的一種串行總線協(xié)議，主要用于車門、車燈等需要簡單控制但又要求智能控制的場合。它的主要特點(diǎn)是：采用單個(gè)主控制器／多從設(shè)備通信模式；基于普通UART／SCI接口硬件實(shí)現(xiàn)，協(xié)議簡單；網(wǎng)絡(luò)傳輸速率不高，最高可達(dá)20kb／s。由于LIN協(xié)議的突出特點(diǎn)是協(xié)議對硬件的依賴程度低，可以基于普通單片機(jī)的通用串口等硬件資源以軟件方式實(shí)現(xiàn)，成本低廉，因此可廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)以外的其他領(lǐng)域，如智能家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸、節(jié)點(diǎn)控制等場合。

本文依據(jù)對LIN協(xié)議的分析，對其協(xié)議在普通單片機(jī)上的具體實(shí)現(xiàn)，即如何利用單片機(jī)有限的硬件資源實(shí)現(xiàn)LIN的主節(jié)點(diǎn)、從節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行可行性方案的研究、探討。

2 LIN協(xié)議的簡介

LIN協(xié)議的最新版本是LIN Specification Package Revision 2.O，包括協(xié)議規(guī)范、節(jié)點(diǎn)診斷配置規(guī)范、物理層規(guī)范、API規(guī)范等幾個(gè)方面，從硬件配置到節(jié)點(diǎn)配置語言都作了詳細(xì)的規(guī)定。下面就其協(xié)議規(guī)范作一簡要介紹和分析。

LIN的數(shù)據(jù)傳輸是采用報(bào)文幀進(jìn)行的。一個(gè)完整的報(bào)文幀由1個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文頭(header)和1個(gè)主機(jī)或從機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的響應(yīng)(response)組成，如圖1所示。報(bào)文頭包括1個(gè)間隔場(break)、1個(gè)同步字節(jié)場(synch)和1個(gè)保護(hù)標(biāo)識(shí)符字節(jié)場PID(Protected IDentifier)。間隔場是由持續(xù)了至少13個(gè)位時(shí)的顯性電平和至少1個(gè)位時(shí)的隱性電平組成；由主機(jī)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生，標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)通信過程報(bào)文幀的開始。同步字節(jié)場包含時(shí)鐘同步信息。同步字節(jié)場的格式是0x55，表現(xiàn)在8個(gè)位定時(shí)中有5個(gè)下降沿，即隱性跳變到顯性的邊沿。




所有從機(jī)節(jié)點(diǎn)在主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)布報(bào)文頭之后都應(yīng)能檢測到間隔場的存在，并且在正確地接收同步字節(jié)場后，準(zhǔn)確計(jì)算出主機(jī)節(jié)點(diǎn)將要發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率，并以此波特率作為下一步要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的波特率的設(shè)定值。這樣，經(jīng)過了間隔場和同步字節(jié)場的接收，所有的從機(jī)節(jié)點(diǎn)達(dá)到了與主機(jī)節(jié)點(diǎn)的同步。

下一步，所有的從機(jī)節(jié)點(diǎn)以計(jì)算得到的波特率來接收報(bào)文頭的保護(hù)標(biāo)識(shí)符字節(jié)場。

保護(hù)標(biāo)識(shí)符字節(jié)場PID(Protected IDentifier)與標(biāo)準(zhǔn)的串行通信數(shù)據(jù)幀格式相同，由1位起始位和1位停止位及8位數(shù)據(jù)位組成，屬于數(shù)據(jù)場，如圖2所示。

保護(hù)標(biāo)識(shí)符字節(jié)場由兩部分組成：標(biāo)識(shí)符和標(biāo)識(shí)符奇偶校驗(yàn)。ID0～I(xiàn)D5屬標(biāo)識(shí)符，確定了標(biāo)識(shí)符的內(nèi)容，可從0～63取值。其中，0～59(0x3b)用于信號(hào)傳送幀，60(0x3c)和61(0x3d)用于傳送診斷數(shù)據(jù)，62(0x3e)保留用于用戶定義的擴(kuò)展，63(0x3f)保留用于將來協(xié)議升級(jí)。奇偶校驗(yàn)位P0和P1則是對標(biāo)識(shí)符位ID0～I(xiàn)D5的奇校驗(yàn)和偶校驗(yàn)，作為對接收到ID的校驗(yàn)措施，以確保接收ID的正確性。
報(bào)文幀的響應(yīng)(response)由3～9個(gè)字節(jié)場(data field)組成，包括2、4或8字節(jié)的數(shù)據(jù)場(data field)和1個(gè)校驗(yàn)和場(checksum)。它們是由要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)(主機(jī)節(jié)點(diǎn)或從機(jī)節(jié)點(diǎn))所發(fā)送的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)場所組成，都屬于數(shù)據(jù)場。

校驗(yàn)和場(checksum)有兩種：一般的校驗(yàn)和場與增強(qiáng)的校驗(yàn)和場。一般的校驗(yàn)和是數(shù)據(jù)場所有字節(jié)數(shù)據(jù)和的反碼。和是按帶進(jìn)位加(ADDC)方式計(jì)算，所有數(shù)據(jù)字節(jié)和的補(bǔ)碼與校驗(yàn)和字節(jié)相加的和必須是“0xFF”。增強(qiáng)的校驗(yàn)和與一般的校驗(yàn)和的區(qū)別在于計(jì)算數(shù)據(jù)場和時(shí)加上了保護(hù)標(biāo)識(shí)符字節(jié)場。

3 LlN協(xié)議在普通單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)在單片機(jī)種類繁多，硬件資源各不相同，功能也千差萬別?？傮w來講，基于普通單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)LIN協(xié)議的方法可分為兩大類：一種是基于單片機(jī)通用串口的實(shí)現(xiàn)方式，另一種是基于單片機(jī)兩個(gè)普通端口位的位操作實(shí)現(xiàn)方法。

3. 1基于單片機(jī)通用串口LlN協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

基于單片機(jī)通用串口的LIN協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法主要是針對具有通用串口的單片機(jī)來講的。這類單片機(jī)的代表當(dāng)屬最常用的51系列單片機(jī)，如Atmel公司的AT89C51／52。

(1)基于單片機(jī)串口LlN主節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

由LIN協(xié)議的分析可知，在一次幀通信過程中，主從節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間里是以標(biāo)準(zhǔn)的串行通信數(shù)據(jù)幀的形式交換數(shù)據(jù)的，這也是LIN協(xié)議可以基于單片機(jī)通用串口實(shí)現(xiàn)的原因。幀通信的關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)的同步。在同步過程中，主、從節(jié)點(diǎn)所執(zhí)行的操作是不同的：主機(jī)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是要發(fā)送報(bào)文頭，從節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是接收和判斷報(bào)文頭，實(shí)現(xiàn)與主節(jié)點(diǎn)的同步。報(bào)文頭的間隔場是一個(gè)基于主機(jī)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘頻率的13個(gè)以上位時(shí)(bit time)和至少1個(gè)位時(shí)的間隔界定符。對主節(jié)點(diǎn)來講，這一部分是實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)功能的關(guān)鍵。間隔場和間隔界定符的實(shí)現(xiàn)可采用改變串口波特率，用串口輸出特定數(shù)據(jù)的方法來實(shí)現(xiàn)。例如在一般情況下，單片機(jī)采用19.2kb／s波特率的速率傳輸數(shù)據(jù)，可先將串口的波特率設(shè)置為9.6kb／s，則傳輸0xc0這樣一個(gè)數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)按照19.2kb／s的波特率來計(jì)算位時(shí)的同步間隔和同步間隔界定符的位時(shí)長度要求(因若采用19.2kb／s的傳輸率傳輸00數(shù)據(jù)只能實(shí)現(xiàn)10個(gè)位時(shí)的同步間隔符，無法達(dá)到13個(gè)位時(shí)的要求)。隨后的PID場的發(fā)送和數(shù)據(jù)場的發(fā)送或接收，可以基于單片機(jī)的通用串口以正常的19.2.kb／s的波特率來操作。

基于串口LlN主節(jié)點(diǎn)硬件原理如圖3所示。





主節(jié)點(diǎn)在一次幀通信過程中，要根據(jù)通信過程中不同的階段，將串口設(shè)置成不同波特率的發(fā)送或者接收狀態(tài)，以完成報(bào)文頭間隔場、同步字節(jié)場的發(fā)送，保護(hù)標(biāo)識(shí)符字節(jié)場的發(fā)送，及下一個(gè)階段的接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)過程。

(2)基于單片機(jī)串口LlN從節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

從節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是能夠正確實(shí)時(shí)地接收報(bào)文頭，達(dá)到與主節(jié)點(diǎn)的同步，為下一步的數(shù)據(jù)交換做好準(zhǔn)備?；趩纹瑱C(jī)通用串口構(gòu)成的LIN從節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方案有兩種：一種是查詢方式，另一種是中斷方式。兩種方法的區(qū)別在于報(bào)文頭接收判斷方法的不同。查詢方式硬件原理如圖4所示。





同樣，從節(jié)點(diǎn)也要求準(zhǔn)確的波特率和計(jì)時(shí)，對時(shí)鐘要求較高。建議采用22.1184MHz晶振。

在查詢方式的硬件電路中，為了能及時(shí)感受到主節(jié)點(diǎn)報(bào)文頭的起始階段，可以將串口接收數(shù)據(jù)端，RXD端與單片機(jī)的一個(gè)外部中斷觸發(fā)端口(INTl或INT0)相連。這樣，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的間隔場的下降沿到來時(shí)，就可以實(shí)時(shí)地觸發(fā)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入對報(bào)文頭的接收查詢程序段。在報(bào)文頭的接收查詢過程中，從節(jié)點(diǎn)自總線電平下降沿到來之際，就對總線顯性電平(低電平)持續(xù)的時(shí)間進(jìn)行累積計(jì)算，直到發(fā)現(xiàn)總線恢復(fù)為隱性電平(高電平)為止。如果此段持續(xù)時(shí)間大于11個(gè)主節(jié)點(diǎn)工作位時(shí)時(shí)間，那么從節(jié)點(diǎn)就斷定是一次幀通信的開始。接著從節(jié)點(diǎn)對同步字節(jié)場的接收作好準(zhǔn)備，在同步字節(jié)場開始位的第一個(gè)下降沿起，連續(xù)對同步字節(jié)場的后4個(gè)下降沿進(jìn)行計(jì)時(shí)累加，最后將得到的計(jì)時(shí)時(shí)間除以8，得到主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的位時(shí)時(shí)間，即主節(jié)點(diǎn)下一步將要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的波特率。從節(jié)點(diǎn)以此作為串口波特率設(shè)定值，通過串口與主節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)。隨后的串口發(fā)送或接收數(shù)據(jù)可采用串口查詢或中斷的方式進(jìn)行。

間隔場和同步字節(jié)場的計(jì)時(shí)方法有兩種：一種方法是采用軟件模擬一個(gè)位時(shí)時(shí)間，在各階段通過計(jì)算調(diào)用位時(shí)程序次數(shù)間接計(jì)算出時(shí)間；另一種方法是將定時(shí)器TO設(shè)定成定時(shí)一個(gè)位時(shí)時(shí)間后中斷，在各個(gè)階段查詢定時(shí)器T0中斷次數(shù)，通過計(jì)算TO中斷次數(shù)的差值，也可以間接算出各個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間長度。

查詢方式硬件電路簡單，系統(tǒng)中斷的種類和次數(shù)少，程序運(yùn)行比較穩(wěn)定；但不足之處是系統(tǒng)大部分時(shí)間都花費(fèi)在對幀報(bào)文頭的等待查詢上，系統(tǒng)資源利用率低。

中斷方式則是對查詢方式的不足之處改進(jìn)和提高，其硬件原理如圖5所示。





中斷方式對間隔場和同步字節(jié)場的接收則完全采用中斷方式進(jìn)行。由于普通單片機(jī)的外部中斷觸發(fā)端只有下降沿和低電平兩種觸發(fā)方式，所以報(bào)文頭間隔場開始階段和同步字節(jié)場的下降沿可以觸發(fā)從節(jié)點(diǎn)，但報(bào)文信號(hào)的上升沿卻無法讓從節(jié)點(diǎn)感知。改進(jìn)方法是，讓接收數(shù)據(jù)流分別經(jīng)過1個(gè)三態(tài)門和1個(gè)三態(tài)非門再進(jìn)入單片機(jī)的串口，2個(gè)三態(tài)門由單片機(jī)的兩個(gè)端口來控制。一般情況下，三態(tài)門導(dǎo)通，三態(tài)非門截止，數(shù)據(jù)流正常進(jìn)入單片機(jī)串口。當(dāng)間隔場的下降沿觸發(fā)單片機(jī)后，程序控制三態(tài)門截止，三態(tài)非門導(dǎo)通，數(shù)據(jù)流反相進(jìn)入單片機(jī)，間隔場的上升沿經(jīng)過三態(tài)非門后變成下降沿，同樣也可以觸發(fā)單片機(jī)中斷。在隨后的同步字節(jié)場的接收中，可以按照正常中斷方式進(jìn)行，即可由同步字節(jié)場的5個(gè)下降沿觸發(fā)單片機(jī)中斷5次接收。由于采用中斷方式，所以各個(gè)階段的計(jì)時(shí)就只能采用查詢定時(shí)器T0中斷次數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)。

中斷方式的優(yōu)點(diǎn)是，對主程序運(yùn)行的影響比較小，系統(tǒng)的資源利用率高。不足之處是增加了單片機(jī)的外圍電路，硬件稍顯復(fù)雜。

3.2基于單片機(jī)普通端口位LIN協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

對于沒有通用串口的單片機(jī)來講，必須采用端口位位操作的方法來實(shí)現(xiàn)LIN協(xié)議。這類單片機(jī)的硬件資源一般很有限，有的只有一個(gè)定時(shí)器，還不具備外部中斷能力，如Microchip的PIC18F200系列。這種單片機(jī)的突出特點(diǎn)是價(jià)格低廉，做出的LIN節(jié)點(diǎn)將具有無可比擬的價(jià)格優(yōu)勢。

(1)基于普通端口位LIN主節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

基于單片機(jī)普通端口位的1IN主節(jié)點(diǎn)，在報(bào)文頭和數(shù)據(jù)場的實(shí)現(xiàn)上都要采用位操作的方法來實(shí)現(xiàn)。其硬件構(gòu)成原理圖和基于單片機(jī)通用串口LIN主節(jié)點(diǎn)硬件原理圖完全相同，區(qū)別在于前者數(shù)據(jù)收發(fā)端RXD和TXD端可以是任意的單片機(jī)普通端口位，而后者則必須采用單片機(jī)通用串口。
報(bào)文頭間隔場的實(shí)現(xiàn)可以將定時(shí)器TO設(shè)置為定時(shí)一個(gè)位時(shí)中斷的工作方式，置LIN數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD為顯性電平(低電位)，啟動(dòng)定時(shí)器T0對顯性電平持續(xù)時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到13個(gè)以上位時(shí)后置LIN發(fā)送數(shù)據(jù)端TXD為隱性電平(高電位)，這樣就完成了間隔場的發(fā)送。在隨后的間隔場界定符和同步場的實(shí)現(xiàn)上，也采用同樣的方法。在數(shù)據(jù)場的接收和發(fā)送中，同樣需要定時(shí)器TO的配合來完成。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從待發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中依次取出一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成10個(gè)bit類型的位數(shù)據(jù)。定時(shí)器T0同樣是1個(gè)位時(shí)中斷1次，在中斷處理程序中改變計(jì)時(shí)變量值。發(fā)送數(shù)據(jù)程序根據(jù)計(jì)時(shí)變量的差值將lO個(gè)bit類型的位數(shù)據(jù)依次按照持續(xù)1個(gè)位時(shí)時(shí)間從數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD端發(fā)出；接收數(shù)據(jù)時(shí)，則需要先用定時(shí)器T0計(jì)時(shí)半個(gè)位時(shí)時(shí)間，以檢測1個(gè)字節(jié)的開始位，然后恢復(fù)定時(shí)器TO的一個(gè)位時(shí)計(jì)時(shí)中斷設(shè)定。這樣，在隨后的數(shù)據(jù)位檢測中就能保證在數(shù)據(jù)位的中間時(shí)刻檢測該數(shù)據(jù)位，從而保證數(shù)據(jù)位接收的正確性。在10個(gè)bit類型的位數(shù)據(jù)接收完畢后，還要將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)byte類型的數(shù)據(jù)，存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

(2)基于普通端口位LIN從節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

基于單片機(jī)普通端口位LIN從節(jié)點(diǎn)硬件電路和基于單片機(jī)通用串口查詢方式的從節(jié)點(diǎn)硬件電路基本相同，區(qū)別同樣也是沒有用到單片機(jī)的通用串口。

由于沒有外部中斷的功能，因此對主節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的報(bào)文頭的接收只能靠從節(jié)點(diǎn)主動(dòng)地等待查詢。考慮到從節(jié)點(diǎn)程序不可能一直在查詢等待與主節(jié)點(diǎn)同步，因此從節(jié)點(diǎn)應(yīng)該不定時(shí)地去查詢等待主節(jié)點(diǎn)的報(bào)文頭。開始階段設(shè)置定時(shí)器為不定長時(shí)間中斷方式，時(shí)間到后從節(jié)點(diǎn)去查詢等待主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文幀。當(dāng)檢測到同步信息后，設(shè)置定時(shí)器為標(biāo)準(zhǔn)位時(shí)時(shí)間中斷方式，對從節(jié)點(diǎn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)過程進(jìn)行位時(shí)界定。從節(jié)點(diǎn)按照上述提到的位操作方法接收PID場，并轉(zhuǎn)換為byte類型的數(shù)據(jù)，判斷下一步數(shù)據(jù)場的發(fā)送或接收方向，接著按照位操作的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。定時(shí)器的兩種工作方式在查詢等待和報(bào)文通信過程中輪流轉(zhuǎn)換，在報(bào)文通信過程結(jié)束后，重新設(shè)置定時(shí)器為不定長時(shí)間中斷方式，等待下一次的報(bào)文通信過程，以此類推。

從節(jié)點(diǎn)由于采用不定期查詢等待方法與主節(jié)點(diǎn)的同步，因此通信成功率不高；但對于數(shù)據(jù)通信速率和實(shí)時(shí)性要求不是很高的場合，還可以滿足要求。如果單片機(jī)有外部中斷能力，則可以改從節(jié)點(diǎn)不定期查詢?yōu)閺墓?jié)點(diǎn)用外部中斷查詢主節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的報(bào)文，這樣通信的成功率就可以大大提高。

結(jié) 語

相對于增強(qiáng)型單片機(jī)，普通單片機(jī)的功能顯得簡單多了，資源也很有限，但它有一個(gè)價(jià)格低廉的優(yōu)勢。而LIN總線的特點(diǎn)是協(xié)議簡單，可用軟件方式實(shí)現(xiàn)，特別適合于數(shù)據(jù)通信速率要求不高、控制簡單的場合。如果能以普通單片機(jī)有限的資源實(shí)現(xiàn)LIN通信協(xié)議，無疑會(huì)為低端串行通信領(lǐng)域提供一個(gè)很好的選擇。以普通單片機(jī)為硬件基礎(chǔ)構(gòu)成的LIN節(jié)點(diǎn)也一定會(huì)在生產(chǎn)和生活的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域大有作為。