基于有限状态机的LIN总线车灯控制系统层次优化设计

在汽车电子领域，车载总线的应用能有效的实现信息共享、减少线束，并提升车辆有效使用空间和降低油耗I”。在各类总线中，低速 LIN总线作为中速 CAN总线的补充和末梢，正以其高性价比的特点越来越广泛地应用于各类车型，在外部车灯、雨刮、电动车窗、车门锁等众多的车载电控单元 ECU中LIN总线随处可见。车载 LIN总线系统的优劣主要撒于系统的可靠性、网络负载率、系统功耗 、设计文档的规范性，同时还需兼顾研制成本和周期，目前LIN总线系统设计主要依赖开发者的单片机系统设计经验和对 LIN协议的理解，设计中出现的随意I生强 、设计流程不规范、开发周期长、难以优化等问题使LIN总线系统的维护、移植以及后续开发十分困难。提出了新型的 LIN总线层次优化设计模式，利用网络描述文件和有限状态机对 LIN总线协议层数据单元和应用层行为的描述快速构建并优化LIN总线系统，并降低研发成本，缩短研发周期，为相关 LIN总线系统设计提供了规范高效的解决方案。

2层次优化设计模式原理车载LIN总线是面向低端分布式应用的多路复用串行通信总线，根据 LIN协议的定义，LIN协议模型分为三个层次：底层物理层、中间协议层和顶层应用层嘲，其中物理层实现报文帧的收发；协议层实现报文帧有关数据的封装，相关要素由通用的LIN网络描述文件来定义，如波特率、总线主从节点、信号、滞进度表等，其中进度表被LIN协议定义的各类帧(无条件症事件触发症零星症诊断配置症自定义帧)填充；应用层则体现用户的设计意图，实现不同的进度表控制策略和对报文帧的响应，进度表控制策略使用有限状态机进行描述和优化。LIN总线层次优化设计模式，如图 1所示。

系统层次优化设计模式中，当 LIN总线系统功能定义后 ，首先设计低功耗系统硬件，然后设计相应的 LIN总线网络描述文件来定义 LIN协议层各数据单元；LIN总线的低功耗设计除体现在系统硬件平台外，应用层进度表合理的控制策略至关重要，利用有限状态机实现优化设计进度表调用访问机制，可有效降低网络来稿日期：2012-03-16基金项目：贵州侍育厅 自然科学基金支助项目(2008054)；国家科技部创新基金支助项目(08C26215202325)作者简介：彭晓珊(1978-)，男，湖南岳阳人，副教授，汉族，工学硕士，主要研究领域：自动化应用技术44 彭晓珊等：基于有限状态机的LIN总线车灯控制系统层次优化设计 第1期负载实现低功耗。在设计最后阶段将LIN网络描述文件、有限状态机、API和系统硬件图作为受控设计文件归档，可充分降低系统后续维护、升级及后续开发的难度。

图 1层次优化设计模式原理图Fig.1 Schematic of Layer Optimized Design Mode3 LIN总线车灯控制系统层次优化设计3.1系统硬件结构LIN总线车灯控制系统功能定义为：系统由组合开关节点ECU(LIN主节点)、左前车灯 ECU(LIN从节点)、右前车灯 ECU(LIN从节点)、左后车灯ECU(LIN从节点)、右后车灯Ecu(uN从节点)五个部分组成，组合开关节点ECU通过LIN总线相连其他LIN从节点，实现车灯的控制和自身状态的监控～设计模式应用于车灯控制系统转向部分的之中，其他组合灯光的控制(如远光灯、近光灯、小灯、前雾灯、后雾灯等)均可集成在同-块ECU之中。

为实现低功耗的设计目的，LIN主从节点微控制器分别采用具备休眠低功耗功能的PIC16F877和PIC16F873实现[31，LIN总线接口部分均采用收发驱动芯片MCP201，其接口电路原理，如图2所示。根据MCP201的内部逻辑，MCP201处于何种内部状态由CS引脚的电平控制，CS引脚电平被芯片内部电路有效采样需保持 lms以上，利用PIC16F877的RC5引脚控制cs引脚电平变化，使MCP201进入有效工作状态或低功耗状态lq。

1'1C16F877 。 ： 图2 LIN接口电路原理图Fig.2 Schematic Circuit of Lin Interface根据车灯组合开关操作的偶然性和即时陛，接口硬件设计上将各开关连接到主节点电控单元的微控制器PIC16F877芯片具备电平变化中断功能的RB1-RB7引脚上。车灯组合开关在大部分时间内开关没有操作，无电平变化中断，系统进入休眠状态，满足低功耗要求；当组合开关有操作，即通过相应引脚的高低电平变化产生中断唤醒PIC16F877微控制器，使其发起后续LIN总线通信行为。车灯组合开关接口电路原理，如图3所示。

VCC图 3车灯组合开关接口电路原理图Fig.3 Schematic Circuit of Vehicle Lights Combination Switch Interface32系统软件设计3.2.1网络描述文件设计根据优化设计流程，在系统功能定义后，使用LIN网络描述文件对LIN总线协议数据单元进行描述，语法规则符合修改的BNF语法目，系统的网络描述文件设计(略)：网络描述文件描述了LIN协议中的节点、信号、症进度表等数据单元，所包括信息为：主节点名 MC(主控)，从节点名 FL(左前)、FR(右前)、BL(左后 )、BR(右后)；总线无条件控制帧SRlamp包含控制右转向灯闪亮信号Rlamp、帧SLlamp包含控制左转向灯闪亮信号Llamp；总线无条件状态帧R-FR lamp包含右前转向灯故障信号ErrFR lamp，帧R-BRtamp包含右后转向灯故障信号Err-BR lamp，帧R-FL lamp包含左前转向灯故障信号Err-FL-lamp，帧 RBL lamp包含左后转向灯故障信号Er-BL lamp；事件触发帧LampStatus-Event关联上述四个状态帧；设计了三类进度表 ，Main、LampStatusEvent和 Collisionresolver。

3.2.2应用层有限状态机的设计总线帧时间槽开始总线帧时间槽开始图4非优化进度表控制策略有限状态机Fig.4 Finite-State Machine of Non-optimization TimeSchedule Control Strategy网络描述文件对总线协议数据单元进行了描述，不涉及应用层行为，而进度表控制策略是应用层设计核心，体现 LIN总线应用层各种行为，通过有限状态机实现决速设计进度表控制流程。非优化进度表控制策略的有限状态机，如图 4所示，系统主进度表main和冲突解决Collisionresolver进度表均采用普通帧填充，报文间隔 20ms，未使用事件触发 Lamp-StatusEvent进度表。

No.1Jan.2013 机械设计与制造 45进度表的控制策略为主节点监控左转和右转信号，并发送相应的数据场执行相应控制，然后依次轮询四个转向灯状态，以上过程循环进行。

上述控制策略使得LIN总线在所有时刻都保持工作状态，导致负载率偏高，系统功耗增加。优化设计利用车灯LIN总线系统中其组合开关的动作是即时且零星的特点，采用零星帧填充进度表，因此在大部分时问内无条件帧中体现组合开关动作的信号不会更新，总线保持静默满足低功耗的需求。根据LIN协议对帧的定义及车灯应用系统的特点，优化进度表控制策略的有限状态机设计 ，如图5所示 。

图5优化进度表控制策略有限状态机Fig.5 Finite-State Machine of OptimizationTimeSchedule Control Strategy车灯 LIN总线系统网络描述文件定义的三类进度表，Main、LampStatus Event和Colision-reso]ver。Main进度表设计为系统的主进度表，由零星帧填充。当时间槽轮转到主进度表时，如果对应的左或右转向开关没有动作即其零星帧所关联的无条件帧的信号无更新时，时间槽总线保持静默，LIN总线进入休眠状态；如果信号有更新，则执行优先级最高的无条件控制郑应用层以ls的间隔切人进事件触发进度表Lamp-Status-Event，如果事件触发帧的数据场第-个字节无任何数据，即其关联的左右四个转向灯的状态帧无信号更新，该时间槽结束后返回主进度表；如果数据场第-个字节有所关联的状态帧的 ID，则数据丑续数据是该状态帧的所更新的信号；如果数据场第-个字节有无法识别的 ID，表明出现了总线冲突，则等该时间槽结束后，转向Collisionresolver进度表，轮询左右共四个转向灯的无条件状态帧，轮询结束后再切换回主进度表 。

3.2.3总线负载率测试LIN总线网络负载率是各报文帧总线占用百分比之和，由以下公式确定：UCm C fPⅣ∑ml式中：Pm-总线报文帧发送周期；C -总线报文帧传输时间；- 报文帧占用总线的百分比； -总线平均负载率I8。

针对以上进度表的两种控制策略，采用CANoe工具对实际车灯转向部分进行测试分析 ，测试条件为：系统设定波特率19.2Kb/s，转向灯组合开关拨动频率 30-./min，持续时间 2min。测试分析两种控制策略下总线平均负载率，测试结果如表 1所示，序号 1代表非优化策略，序号2代表优化策略。

表 1两种控制策略测试结果对照表l ab.1 Test Results of Two Kinds of Control Strategys测试结果表明，在相同的测试条件下，优化控制策略下 LIN总线平均负载率比非优化控制策略下的数据低34.4%。

4结束语系统的网络描述文件实现了对 LIN协议层所有要素的描述，而有限状态机实现了进度表控制策略的优化设计，采用基于两者的层次优化设计模式能有效提高系统设计效率，降低系统负载率和整体功耗，便于系统测试和故障界定。同时测试也标明该模式是实现 LIN总线系统快速优化设计的有效策略。