基于CAN與LIN總線的BCM通信協(xié)議棧設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

林可春 （福建船政交通職業(yè)學(xué)院汽車運(yùn)用工程系，福建 福州350007）

隨著工業(yè)制造水平的不斷提高以及電子技術(shù)的快速發(fā)展，汽車能夠容納更多的電子設(shè)備，從而提升了汽車的舒適性和安全穩(wěn)定性。但是，汽車中日益增多的電子設(shè)備也帶來了諸如布線難度大、成本增加等問題。為此，筆者對基于CAN與LIN總線的BCM（Body Control Module，車身控制模塊）通信協(xié)議棧進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以便解決上述問題。

1 總體架構(gòu)

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）是由德國BOSCH公司提出的一種串行通信總線［1］。LIN（Local Interconnect Network，局域互聯(lián)網(wǎng)）總線被看作是CAN總線的有效補(bǔ)充［2］。基于CAN與LIN總線的BCM通信協(xié)議棧總體架構(gòu)如圖1所示。根據(jù)Autosar體系［3］，為BCM所設(shè)計(jì)的通信協(xié)議棧總體架構(gòu)由驅(qū)動層、接口層和服務(wù)層所組成。

圖1 BCM通信協(xié)議棧總體架構(gòu)圖

2 驅(qū)動層

2.1 CAN驅(qū)動模塊

該模塊用于對CAN控制器進(jìn)行初始化，并負(fù)責(zé)CAN數(shù)據(jù)幀的收發(fā)。初始化主要是對控制器的工作模式、寄存器等進(jìn)行配置。在傳輸CAN數(shù)據(jù)幀時(shí)，CAN驅(qū)動模塊首先對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，接著把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)幀傳輸給目的端。而在接收數(shù)據(jù)幀時(shí)，CAN驅(qū)動模塊首先把收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式，然后把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)放在緩存中，最后向上層發(fā)送新數(shù)據(jù)幀的到達(dá)通知。

2.2 LIN驅(qū)動模塊

該模塊用于對SCI接口進(jìn)行初始化，并根據(jù)LIN調(diào)度表來進(jìn)行LIN通信，此外還對數(shù)據(jù)的收發(fā)進(jìn)行監(jiān)管。

3 接口層

3.1 CAN接口模塊

CAN接口模塊負(fù)責(zé)CAN接口的初始化、發(fā)送緩存、數(shù)據(jù)發(fā)送與數(shù)據(jù)接收的管理。

1）CAN接口的初始化 只有對CAN接口進(jìn)行了初始化，上層與下層才能夠通過它來進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，而CAN接口的初始化工作只能在CAN接口處在未初始化或者停止?fàn)顟B(tài)時(shí)才能進(jìn)行。函數(shù)CAN＿Init（）具體來完成初始化工作。初始化工作包括全局初始化以及CAN控制器的初始化。全局初始化除了要負(fù)責(zé)標(biāo)識、結(jié)構(gòu)體以及全局變量的初始化，還要對CAN接口的接收緩存與發(fā)送緩存進(jìn)行初始化。CAN控制器的初始化是指對CAN控制器進(jìn)行配置，并通過接口函數(shù)來對驅(qū)動層中的CAN驅(qū)動子模塊進(jìn)行初始化。在CAN控制器的初始化過程中，CAN驅(qū)動子模塊與CAN接口子模塊都處在停止?fàn)顟B(tài)，即不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

2）發(fā)送緩存的管理 CAN接口子模塊的發(fā)送緩存在以下工作模式［4］：①丟棄模式。當(dāng)PDU到達(dá)CAN接口子模塊后，CAN接口子模塊首先查詢CAN驅(qū)動子模塊是否空閑，如果不空閑，再查詢其是否有可用的硬件資源，如果沒有，那么該P(yáng)DU將被丟棄。②緩存模式。當(dāng)PDU到達(dá)CAN接口子模塊并且CAN驅(qū)動子模塊處于忙碌無空閑資源的情況下，PDU將被緩存在CAN接口子模塊所提供的緩存區(qū)中。為了保證數(shù)據(jù)安全，應(yīng)采用緩存模式。

3）發(fā)送數(shù)據(jù)的管理 當(dāng)服務(wù)層有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，其首先利用函數(shù)CANIF＿Send（）將數(shù)據(jù)PDU發(fā)送給CAN接口子模塊，然后CAN接口子模塊對該P(yáng)DU進(jìn)行編碼以及格式轉(zhuǎn)換，最后CAN接口子模塊調(diào)用函數(shù)CAN＿PDUWrite（）把數(shù)據(jù)發(fā)送給CAN驅(qū)動子模塊。此外，函數(shù)CAN＿PDUWrite（）的工作流程如下：其首先判斷CAN驅(qū)動子模塊是否空閑，如果該子模塊空閑，其會把格式轉(zhuǎn)換后的PDU寫入到CAN驅(qū)動子模塊的發(fā)送區(qū)，并且當(dāng)數(shù)據(jù)被成功發(fā)送后，CAN驅(qū)動子模塊利用回調(diào)函數(shù)將發(fā)送結(jié)果通知CAN接口子模塊。否則，函數(shù)CAN＿PDUWrite（）需要判斷CAN接口子模塊是否有可用的發(fā)送緩存，如果有的話，待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀將被存在發(fā)送緩存中，等待CAN驅(qū)動子模塊空閑，否則將待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀將被丟棄，同時(shí)函數(shù)CAN＿PDUWrite（）把發(fā)送失敗的信息通知CAN接口子模塊。

4）接收數(shù)據(jù)的管理 當(dāng)CAN驅(qū)動子模塊收到數(shù)據(jù)幀后，其會產(chǎn)生一個(gè)中斷，來通知CAN接口子模塊有新數(shù)據(jù)幀到達(dá)，接著CAN接口子模塊開始進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾，其目的是驗(yàn)證數(shù)據(jù)幀的有效性。如果數(shù)據(jù)幀沒有通過驗(yàn)證，CAN接口子模塊通知CAN驅(qū)動子模塊丟棄該數(shù)據(jù)幀，并通知服務(wù)層本次接收無效。如果數(shù)據(jù)幀通過驗(yàn)證，CAN接口子模塊把CAN驅(qū)動子模塊所接收到的數(shù)據(jù)幀拷貝到自己的接收緩存中，并向服務(wù)層發(fā)送新數(shù)據(jù)幀到達(dá)通知，以等待服務(wù)層讀取該數(shù)據(jù)幀。

3.2 LIN接口模塊

LIN接口子模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)配置、任務(wù)狀態(tài)機(jī)、API以及調(diào)度表的管理，根據(jù)LIN2.0協(xié)議進(jìn)行該子模塊的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)配置管理主要是對LIN協(xié)議的版本號、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值、節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行配置。由于在LIN網(wǎng)絡(luò)中，BCM只有一個(gè)，其它節(jié)點(diǎn)都為從節(jié)點(diǎn)，因而任務(wù)狀態(tài)機(jī)管理需要對主從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置以及主從節(jié)點(diǎn)的行為進(jìn)行管理，而API管理需要對API的初始化、讀寫操作以及信號更新進(jìn)行管理。由于在LIN網(wǎng)絡(luò)中信息的傳遞是根據(jù)調(diào)度表來進(jìn)行的，因而調(diào)度表管理的內(nèi)容包括對調(diào)度表的結(jié)構(gòu)、調(diào)度時(shí)間等進(jìn)行配置與管理等。

4 服務(wù)層

4.1 CAN傳輸模塊

首先需要對該模塊的工作狀態(tài)、全局變量等進(jìn)行初始化，同時(shí)還提供報(bào)文的拆分與組裝服務(wù)。這是由于網(wǎng)絡(luò)所能容納的最大報(bào)文長度是一定的，而上層所發(fā)送的報(bào)文長度可能會大于該最大值，因而在發(fā)送該報(bào)文時(shí)需要對該報(bào)文進(jìn)行拆分，在接收的時(shí)候，需要把拆分后的多個(gè)報(bào)文組裝成原報(bào)文。

4.2 網(wǎng)絡(luò)管理模塊

該子模塊能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的權(quán)限進(jìn)行配置，并且能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控。此外，還能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)切換服務(wù)，如等待休眠、等待喚醒等。

此外，COM能夠提供初始化、可靠性與信息交互服務(wù)。初始化服務(wù)包括通信端口、PDU、信號等的配置。而可靠性服務(wù)用于對PDU進(jìn)行監(jiān)控以及提供錯(cuò)誤報(bào)告。信息交互服務(wù)提供信息（組）接收與發(fā)送功能。PDU Router相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)關(guān)，其會把接收到數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的上層模塊，同時(shí)把要發(fā)送的數(shù)據(jù)包發(fā)送到相應(yīng)的CAN接口子模塊。

5 性能測試

為了對通信協(xié)議棧的性能進(jìn)行測試，在PC端利用CodeWarrior Development Studio進(jìn)行代碼編寫、調(diào)試并生成目標(biāo)代碼，然后將目標(biāo)代碼寫入BCM開發(fā)板以實(shí)現(xiàn)對車身臺架上設(shè)備的控制，同時(shí)通過串口把PC機(jī)與BCM開發(fā)板連接在一起。車身臺架包含了整個(gè)CAN／LIN網(wǎng)絡(luò)以及多個(gè)ECU（Electronic Control Unit，電控單元），其中，ECU負(fù)責(zé)控制車內(nèi)電子設(shè)備，比如車窗的升降、車燈的控制等，同時(shí)ECU通過PC卡（CANCaseXL）與仿真網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，并利用CANNoe對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測（見圖2）。

圖2 BCM通信協(xié)議棧性能測試場景圖

表1所示為通信協(xié)議棧性能測試結(jié)果。從表1可以看出，設(shè)計(jì)的通信協(xié)議棧能夠正常工作，其不僅能夠很好地承載車內(nèi)電子設(shè)備之間的通信，而且能夠?qū)⑵淇刂菩畔⒓皶r(shí)地傳遞給車內(nèi)電子設(shè)備，因而達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表1 BCM通信協(xié)議棧性能測試結(jié)果表

6 結(jié)語

針對汽車中日益增多的電子設(shè)備帶來的諸如布線難度大、成本增加的問題，設(shè)計(jì)了基于CAN與LIN總線的BCM通信協(xié)議棧。通過性能測試，表明該通信協(xié)議棧既能很好地承載車內(nèi)電子設(shè)備之間的通信，也能夠及時(shí)地把BCM中的各種控制信息傳遞給車內(nèi)電子設(shè)備，在降低了生產(chǎn)成本的同時(shí)又提高了汽車的安全穩(wěn)定性，因而具有可行性。

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