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灵动微电子 · 1月12日

灵动微课堂 (第280讲)｜MM32F5270 UART实现LIN通信

MCU嵌入式系统

1 LIN总线简介

LIN（Local Interconnect Network）总线是基于UART/SCI（通用异步收发器/串行接口）的低成本串行通讯协议，其目标定位于车身网络模块节点间的低端通信，主要用于智能传感器和执行器的串行通信。LIN总线采用单主多从的组网方式，没有CAN总线那样的仲裁机制，辅以简单驱动程序便可实现LIN协议。LIN节点由控制芯片和LIN收发器构成，一般通过芯片搭载的UART模块来实现，主节点控制传输时刻，控制整个网络的通信，从节点按照主节点的调度进行通信。

2 LIN报文结构

LIN总线上有“显性”和“隐性”两种互补的逻辑电平。显性电平是逻辑 0，隐性电平是逻辑1，总线上实行“线与”。

一帧LIN报文由帧头（Header）和应答（Response）两部分组成。主机任务负责发送帧头，从机任务接收帧头并对帧头所包含信息进行解析，然后决定是发送应答，还是接收应答，还是不作任何反应。帧在总线上的传输如下图所示：

image.png

帧头包括同步间隔段、同步段以及受保护ID段（PID）。应答包括数据段和校验和段。LIN报文帧整体结构如下图所示。

image.png

同步间隔段

同步间隔段标志一帧的开始，由同步间隔(Break)和间隔符(Break Delimiter)构成。同步间隔段至少有13个显性位，间隔符至少有一个隐形位。

同步段

同步段固定一个字节，值固定为0x55。

在LIN帧中，除了同步间隔段，后面各段都是通过字节域的格式传输的。LIN的字节域就是指标准的UART数据传输格式，字节域包括1位起始位（显性）+8位数据位+1位停止位（隐性）。数据传输都是先发送LSB，最后发送 MSB。LIN总线将下降沿作为判断标志，通过字节0x55（01010101b）进行同步，从机节点上可以采用非高精度时钟，如果存在偏差，可以通过同步场来调整，使从机节点数据的波特率与主机节点一致。

受保护ID段

受保护ID段由6位帧ID和2位奇偶校验位组成，帧ID范围为0x00~0x3F共64个。

帧ID标识了帧的类别，从机任务根据帧头ID作出反应（接收/发送/忽略应答），其中P0与P1效验如下：

image.png

其中“⊕”代表“异或”运算，“¬”代表“取非”运算。

由公式可以看出，PID 不会出现全 0 或全 1 的情况，如果从机节点收到了“0xFF”或“0x00”，可判断传输错误。LIN总线根据帧ID的不同，将报文分为信号携带帧、诊断帧、保留帧。

image.png

应注意从机应答帧是一个完整的帧，与帧结构中的“应答”不同。

数据段

数据段包含1~8个字节，可以分为两种数据类型：信号和诊断消息。信号由信号携带帧传递，诊断消息由诊断帧传递。LIN协议规定可传输的LIN字节数为2、4、8，并不是1~8内任意一个数字。一般应用方面会统一字节数，通常是每帧传输8个字节。

校验和段

校验和段是为了对帧传输内容进行效验。效验分为标准型校验与增强型校验。

将校验对象的各字节作带进位二进制加法（当结果大于等于256 时就减去255），并将所得最终的和逐位取反，以该结果作为要发送的校验和。接收方根据校验和类型，对接收数据作相同的带进位二进制加法，最终的和不取反，并将该和与接收到的校验和作加法，如果结果为0xFF，则校验和无误。这在一定程度上保证了数据传输的正确性。

采用标准型还是增强型是由主机节点管理，发布节点和收听节点根据帧ID来判断采用哪种校验和。

image.png

3 LIN通信实验

MM32F5270的UART支持LIN协议下收发断开符号，通过配置UART，根据总线特征编写LIN驱动程序，实现LIN总线通信。相关代码参考灵动官网的LibSamples或在此基础上修改。

3.1 LIN驱动程序

同步间隔段

配置UART支持LIN协议下收发断开符号：

void LIN_MASTER_Break(void)
{
    LIN_MASTER_TXBRK_InterruptFlag = 0;

    UART_LINCmd(UART1, ENABLE);
    UART_SendBreak(UART1);

    while (0 == LIN_MASTER_TXBRK_InterruptFlag)
    {
    }
}

同步段

主机发送0x55：

void LIN_MASTER_SyncByte(void)
{
    LIN_MASTER_SendData(0x55);
}

受保护ID段

uint8_t LIN_FrameIDToPID(uint8_t FrameID)
{
    uint8_t i  = 0;
    uint8_t P0 = 0, P1 = 0, PID = 0xFF;
    uint8_t ID_BIT[6] =
    {
        0, 0, 0, 0, 0, 0
    };

    if (FrameID < 0x40)
    {
        PID = FrameID;

        for (i = 0; i < 6; i++)
        {
            if (FrameID & (0x01 << i))
            {
                ID_BIT[i] = 1;
            }
            else
            {
                ID_BIT[i] = 0;
            }
        }

        P0 =  (ID_BIT[0] ^ ID_BIT[1] ^ ID_BIT[2] ^ ID_BIT[4]) & 0x01;
        P1 = ~(ID_BIT[1] ^ ID_BIT[3] ^ ID_BIT[4] ^ ID_BIT[5]) & 0x01;

        if (P0)
        {
            PID |= 0x40;
        }

        if (P1)
        {
            PID |= 0x80;
        }
    }

    return (PID);
}

数据段

主机发送数据：

void LIN_MASTER_SendData(uint8_t Data)
{
    UART_SendData(UART1, Data);

    while (RESET == UART_GetFlagStatus(UART1, UART_FLAG_TXC))
    {
    }
}

从机发送数据：

void LIN_SLAVE_SendData(uint8_t Data)
{
    UART_SendData(UART1, Data);

    while (RESET == UART_GetFlagStatus(UART1, UART_FLAG_TXC))
    {
    }
}

校验和段

标准型校验：

uint8_t LIN_ClassicChecksum(uint8_t *Buffer, uint8_t Length)
{
    uint8_t  i = 0;
    uint16_t Checksum = 0;

    for (i = 0; i < Length; i++)
    {
        Checksum += Buffer[i];

        if (Checksum > 0xFF)
        {
            Checksum %= 0xFF;
        }
    }

    return (~(uint8_t)(Checksum & 0x00FF));
}

增强型校验：

uint8_t LIN_EnhancedChecksum(uint8_t PID, uint8_t *Buffer, uint8_t Length)
{
    uint8_t  i = 0;
    uint16_t Checksum = PID;

    for (i = 0; i < Length; i++)
    {
        Checksum += Buffer[i];

        if (Checksum > 0xFF)
        {
            Checksum %= 0xFF;
        }
    }

    return (~(uint8_t)(Checksum & 0x00FF));
}

主机发送帧头

void LIN_MASTER_SendHeader(uint8_t PID)
{
    LIN_MASTER_Break();

    LIN_MASTER_SyncByte();

    LIN_MASTER_SendData(PID);
}

主机发送报文

诊断帧ID包括主机请求帧0x3C、从机应答帧0x3D，诊断帧用标准型校验和，其他帧使用增强型校验和。

void LIN_Master_SendFrame(uint8_t FrameID, uint8_t *Buffer, uint8_t Length)
{
    uint8_t i = 0;
    uint8_t Checksum = 0;
    uint8_t PID = LIN_FrameIDToPID(FrameID);

    if ((0x3C == FrameID) || (0x3D == FrameID))
    {
        Checksum = LIN_ClassicChecksum(Buffer, Length);
    }
    else
    {
        Checksum = LIN_EnhancedChecksum(PID, Buffer, Length);
    }

    LIN_MASTER_SendHeader(PID);

    for (i = 0; i < Length; i++)
    {
        LIN_MASTER_SendData(Buffer[i]);
    }

    LIN_MASTER_SendData(Checksum);
}

从机发布数据

从机解析帧头信息，将主机发送的PID得到帧ID，根据帧ID选择校验类型，发送数据段和校验和段。

void LIN_SLAVE_Response(uint8_t *Buffer, uint8_t Length)
{
    uint8_t i = 0;
    uint8_t Checksum = 0, FrameID = 0;

    FrameID  = LIN_PIDToFrameID(LIN_SLAVE_RxBuffer[1]);
    Checksum = 0;

    if ((0x3C == FrameID) || (0x3D == FrameID))
    {
        Checksum = LIN_ClassicChecksum(Buffer, Length);
    }
    else
    {
        Checksum = LIN_EnhancedChecksum(LIN_SLAVE_RxBuffer[1], Buffer, Length);
    }

    for (i = 0; i < Length; i++)
    {
        LIN_SLAVE_SendData(Buffer[i]);
    }

    LIN_SLAVE_SendData(Checksum);
}

3.2 主机程序

主机UART配置

void UART_Configure(uint32_t Baudrate)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
    UART_InitTypeDef UART_InitStruct;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_UART1, ENABLE);

    UART_StructInit(&UART_InitStruct);
    UART_InitStruct.BaudRate      = Baudrate;
    UART_InitStruct.WordLength    = UART_WordLength_8b;
    UART_InitStruct.StopBits      = UART_StopBits_1;
    UART_InitStruct.Parity        = UART_Parity_No;
    UART_InitStruct.HWFlowControl = UART_HWFlowControl_None;
    UART_InitStruct.Mode          = UART_Mode_Rx | UART_Mode_Tx;
    UART_Init(UART1, &UART_InitStruct);

    UART_IDLRConfig(UART1, 100);    /* LIN Master Only!!! */

    UART_ITConfig(UART1, UART_IT_RX, ENABLE);
    UART_ITConfig(UART1, UART_IT_TXBRK, ENABLE);

    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_7);
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_7);

    GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_High;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = UART1_IRQn;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

    UART_Cmd(UART1, ENABLE);
}

主机中断服务子程序

void UART1_IRQHandler(void)
{
    uint8_t i = 0;

    if(SET == UART_GetITStatus(UART1, UART_IT_TXBRK))
    {
        UART1_RxLength = 0;

        UART_ClearITPendingBit(UART1, UART_IT_TXBRK);

        UART_ITConfig(UART1, UART_IT_RXIDLE, ENABLE);

        LIN_MASTER_TXBRK_InterruptFlag = 1;
    }

    if(SET == UART_GetITStatus(UART1, UART_IT_RX))
    {
        UART1_RxBuffer[UART1_RxLength] = UART1->RDR & 0x00FF;

        UART1_RxLength = (UART1_RxLength + 1) % 100;

        UART_ClearITPendingBit(UART1, UART_IT_RX);
    }

    if(SET == UART_GetITStatus(UART1, UART_IT_RXIDLE))
    {
        for(i= 0; i < UART1_RxLength; i++)
        {
            LIN_MASTER_RxBuffer[i] = UART1_RxBuffer[i];
        }

        LIN_MASTER_RxLength = UART1_RxLength;
        LIN_MASTER_RxFinish = 1;

        UART_ClearITPendingBit(UART1, UART_IT_RXIDLE);
        UART_ITConfig(UART1, UART_IT_RXIDLE, DISABLE);
    }
}

主机例程

主机间隔500ms发布和接收数据，发送帧ID和数据依次累加：

void UART_LIN_Master_Sample(void)
{
    uint8_t i = 0;
    uint8_t FrameID = 0, Mode = 0;
    uint8_t Buffer[2] = { 0, 0 };

    printf("\r\nTest %s", __FUNCTION__);

    LIN_MASTER_RxLength = 0;
    LIN_MASTER_RxFinish = 0;

    for (i = 0; i < 100; i++)
    {
        LIN_MASTER_RxBuffer[i] = 0;
    }

    UART_Configure(19200);

    while (1)
    {
        if (Mode == 0)
        {
            printf("\r\nLIN Master Write...");
            LIN_Master_SendFrame(FrameID, Buffer, sizeof(Buffer));
        }
        else
        {
            printf("\r\nLIN Master Read....");
            LIN_MASTER_SendHeader(LIN_FrameIDToPID(FrameID));

            while (0 == LIN_MASTER_RxFinish)
            {
            }

            LIN_MASTER_RxFinish = 0;

            printf("\r\nLIN Master Rx Length : %d, Rx Buffer : ", LIN_MASTER_RxLength);

            for (i = 0; i < LIN_MASTER_RxLength; i++)
            {
                printf("0x%02x ", LIN_MASTER_RxBuffer[i]);
            }

            printf("\r\n");

            for (i = 0; i < sizeof(Buffer); i++)
            {
                Buffer[i]++;
            }

            FrameID = (FrameID + 1) % 0x40;
        }

        Mode = (0 == Mode) ? 1 : 0;

        PLATFORM_DelayMS(500);
    }
}

3.3 从机程序

从机UART配置

使能UART LIN总线模式、使能UART接收断开帧中断、使能接收单字节中断。

void UART_Configure(uint32_t Baudrate)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
    UART_InitTypeDef UART_InitStruct;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_UART1, ENABLE);

    UART_StructInit(&UART_InitStruct);
    UART_InitStruct.BaudRate      = Baudrate;
    UART_InitStruct.WordLength    = UART_WordLength_8b;
    UART_InitStruct.StopBits      = UART_StopBits_1;
    UART_InitStruct.Parity        = UART_Parity_No;
    UART_InitStruct.HWFlowControl = UART_HWFlowControl_None;
    UART_InitStruct.Mode          = UART_Mode_Rx | UART_Mode_Tx;
    UART_Init(UART1, &UART_InitStruct);

    UART_LINCmd(UART1, ENABLE);

    UART_ITConfig(UART1, UART_IT_RX, ENABLE);
    UART_ITConfig(UART1, UART_IT_RXBRK, ENABLE);

    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_7);
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource10, GPIO_AF_7);

    GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_High;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = UART1_IRQn;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd  = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

    UART_Cmd(UART1, ENABLE);
}

从机中断服务子程序

void UART1_IRQHandler(void)
{
    uint8_t i = 0;

    if (SET == UART_GetITStatus(UART1, UART_IT_RXBRK))
    {
        UART1_RxLength = 0;

        UART_ClearITPendingBit(UART1, UART_IT_RXBRK);

        UART_ITConfig(UART1, UART_IT_RXIDLE, ENABLE);
    }

    if (SET == UART_GetITStatus(UART1, UART_IT_RX))
    {
        UART1_RxBuffer[UART1_RxLength] = UART_ReceiveData(UART1);

        UART1_RxLength = (UART1_RxLength + 1) % 100;

        UART_ClearITPendingBit(UART1, UART_IT_RX);
    }

    if (SET == UART_GetITStatus(UART1, UART_IT_RXIDLE))
    {
        for (i = 0; i < UART1_RxLength; i++)
        {
            LIN_SLAVE_RxBuffer[i] = UART1_RxBuffer[i];
        }

        LIN_SLAVE_RxLength = UART1_RxLength;
        LIN_SLAVE_RxFinish = 1;

        UART_ClearITPendingBit(UART1, UART_IT_RXIDLE);
        UART_ITConfig(UART1, UART_IT_RXIDLE, DISABLE);
    }
}

从机例程

从机对帧头包含信息解析，确定是发送应答，还是接收应答。

void UART_LIN_Slave_Sample(void)
{
    uint8_t i = 0;
    uint8_t Checksum = 0, FrameID = 0;
    uint8_t Length   = 0, Buffer[100];

    printf("\r\nTest %s", __FUNCTION__);

    Length             = 0;
    LIN_SLAVE_RxLength = 0;
    LIN_SLAVE_RxFinish = 0;

    for (i = 0; i < 100; i++)
    {
        Buffer[i]             = 0;
        LIN_SLAVE_RxBuffer[i] = 0;
    }

    UART_Configure(19200);

    while (1)
    {
        if (1 == LIN_SLAVE_RxFinish)
        {
            LIN_SLAVE_RxFinish = 0;

            if (0x55 == LIN_SLAVE_RxBuffer[0])
            {
                if (2 == LIN_SLAVE_RxLength)
                {
                    LIN_SLAVE_Response(Buffer, Length);
                }
                else
                {
                    for (i = 2; i < LIN_SLAVE_RxLength - 1; i++)
                    {
                        Buffer[i - 2] = LIN_SLAVE_RxBuffer[i];
                    }

                    Length = LIN_SLAVE_RxLength - 3;
                }
            }
        }
    }
}

3.4 验证

通过UART接口连接两块MM32F5270 MiniBoard，观察串口调试助手：

image.png

先由主机发布数据，从机接收数据，接着由从机发布数据，主机接收数据，依次循环进行。根据截图信息，主从机收发数据一致，与程序逻辑相符，两块板LIN通信成功。

作者：灵动MM32MCU
文章来源：灵动MM32MCU

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