汽車電子系統(tǒng)總線LIN通信協(xié)議精要

李清龍1023 2023-11-04 發(fā)布于安徽

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簡介
LIN信號的物理層

LIN總線收發(fā)器

LIN通信協(xié)議

LIN的主機和從機
LIN報文幀結(jié)構(gòu)
LIN總線的波形

參考文獻

簡介

本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) LIN（Local Interconnect Network）總線協(xié)議，是基于UART/SCI（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter/SerialCommunication Interface通用異步收發(fā)器/串行通信接口）的低成本串行通信協(xié)議。在車載電子系統(tǒng)中，相對于CAN總線而言，LIN總線協(xié)議較為簡單，對單片機的要求也并不高，基本的串口就可以實現(xiàn)，成本較低，可作為CAN總線的輔助總線。LIN總線廣泛應(yīng)用于車門、車窗、車燈以及中控鎖等車身控制領(lǐng)域。

表x LIN總線協(xié)議大事記

時間	事件
1998年10月	在德國 Baden Baden 召開的汽車電子會議上，LIN 總線的設(shè)想首次被提出。
1999年	LIN 聯(lián)盟成立。最初的成員有：奧迪、寶馬、克萊斯勒、摩托羅拉、博世、大眾和沃爾沃。
2000年	LIN 聯(lián)盟開始接收第一批成員。
2001年	第一輛使用 LIN 總線汽車下線。
2002年	LIN 規(guī)范 V.1.3 版本發(fā)布。
2003年	LIN 規(guī)范 V.2.0 版本發(fā)布。
2004年	LIN 總線一致性測試規(guī)范發(fā)布。
2006年	LIN 標準規(guī)范 V.2.1 版發(fā)布。
2010年	LIN 規(guī)范包Specification Package Revision 2.2A 發(fā)布。

LIN信號的物理層

LIN總線僅使用一根信號線，信號線上傳輸邏輯電平信號，其中“0”為顯性電平、“1”為隱性電平（顯隱性與CAN總線是相同的）。傳輸信號在總線上實行“線-與”：

當總線有至少一個節(jié)點發(fā)送顯性電平時，總線呈現(xiàn)顯性電平；
所有節(jié)點均發(fā)送隱性電平或者不發(fā)送信息時，總線呈隱性電平，即顯性電平起著主導作用。

實際上，在使用LIN總線時，相對于微控制器上集成的LIN協(xié)議控制器（LIN通信引擎外設(shè)，例如LINFlexD），還需要搭配一個LIN收發(fā)器芯片，將LIN協(xié)議控制器的Tx和Rx信號，同LIN總線上的顯性信號和隱形信號進行轉(zhuǎn)換。如圖x所示。

圖x LIN協(xié)議控制器和和LIN收發(fā)器### LIN協(xié)議控制器

協(xié)議控制器主體是一個基于UART/SCI的通信控制器，以半雙工方式工作。協(xié)議控制器既可以使用專用模塊實現(xiàn)，也可以用“UART/SCI+定時器”實現(xiàn)：

發(fā)送數(shù)據(jù)時，LIN協(xié)議控制器把數(shù)據(jù)以UART的數(shù)據(jù)格式（8數(shù)據(jù)位，1停止位，無校驗位）送往LIN總線收發(fā)器；
接收數(shù)據(jù)時，LIN總線收發(fā)器捕獲來自總線的串行信號流（顯性隱性數(shù)據(jù)），轉(zhuǎn)換成UART的數(shù)據(jù)格式，送回LIN協(xié)議控制器。

LIN協(xié)議控制器需要產(chǎn)生和識別幀的同步間隔段。同步間隔段包含一段長度至少為13位的低電平，再加上一段長度至少為1位的高電平的同步間隔隔離段。產(chǎn)生和識別同步間隔段的機制，雖然增加了硬件設(shè)計的復(fù)雜度，但是從接收方的角度看，這樣做能把同步間隔段與普通的數(shù)據(jù)字節(jié)區(qū)別開，確保了同步信息的準確性。

協(xié)議控制器需要能夠發(fā)送和捕獲喚醒信號：

協(xié)議控制器要能執(zhí)行本地喚醒（Local Wakeup）。當需要喚醒總線時，協(xié)議控制器通過總線收發(fā)器向 LIN 總線送出喚醒信號。
協(xié)議控制器要能識別總線喚醒（Bus Wakeup）。當收到來自 LIN 總線的喚醒信號時，協(xié)議控制器能夠正確動作，進入規(guī)定的通信狀態(tài)。

LIN總線收發(fā)器

總線收發(fā)器的主體是一個雙向工作的電平轉(zhuǎn)換器，完成協(xié)議控制器的高-低電平與LIN總線的隱性-顯性電平之間的轉(zhuǎn)換。

LIN規(guī)范規(guī)定：LIN總線的電平，以總線收發(fā)器的供電作為參考電平。為了克服電源波動和參考點漂移的影響，LIN規(guī)范要求總線收發(fā)器要能承受±11.5%的電源波動和參考點電平波動，并且能承受電源和參考點之間8%的電位差波動。收發(fā)雙方的電平鑒別門限也設(shè)置了較大的冗余度。

總線收發(fā)器還包括一些附加的功能，例如總線阻抗匹配、壓擺率(Slew-rate)控制等。

此外，LIN規(guī)范要求總線收發(fā)器具備這樣一種特性：本地節(jié)點掉電或工作異常時，不能影響總線上其他節(jié)點工作。

一個典型的總線收發(fā)器應(yīng)用電路，如圖x所示。

圖x EVB-YTM32B1M-Q144開發(fā)板上的LIN收發(fā)器電路

LIN通信協(xié)議

LIN的主機和從機

LIN報文幀由幀頭（Hearder）與應(yīng)答（Response）兩部分組成。如下圖所示，傳輸過程中：

幀頭總是由主機任務(wù)發(fā)出。幀頭包括：一個幀間隔段、一個同步段，以及一個幀標識號
從機任務(wù)接收幀頭，作出解析，決定：發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)？接收來自主機或別的從機的應(yīng)答數(shù)據(jù)？不回復(fù)？

圖x LIN主機和從機的交互

注意，圖x中描述的是主機任務(wù)和從機任務(wù)，而不是節(jié)點。通常情況下，從機節(jié)點中僅執(zhí)行從機任務(wù)，根據(jù)主機任務(wù)發(fā)出的幀頭做出響應(yīng)，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。但主機節(jié)點是包含主機任務(wù)和從機任務(wù)，主機節(jié)點把發(fā)送幀頭的工作歸到主機任務(wù)上，把數(shù)據(jù)通信的工作歸到從機任務(wù)上。即，當主機節(jié)點向從機節(jié)點送數(shù)時，先由主機節(jié)點的主機任務(wù)發(fā)出幀頭，再由主機節(jié)點的從機任務(wù)送出數(shù)據(jù)；當主機節(jié)點從從機節(jié)點要數(shù)時，先由主機節(jié)點的主機任務(wù)發(fā)出幀頭，再由主機節(jié)點的從機任務(wù)從總線上捕獲數(shù)據(jù)。由此，也可以將主機任務(wù)別稱為“幀頭任務(wù)”，對應(yīng)從機任務(wù)為“數(shù)據(jù)任務(wù)”。

LIN報文幀結(jié)構(gòu)

LIN報文分為幀頭和應(yīng)答兩個階段，其中，由主機發(fā)送的幀頭內(nèi)部包含：同步間隔段、同步段和受保護ID段；主機發(fā)送或者從機發(fā)送的應(yīng)答段內(nèi)部包含：最多8個字節(jié)的數(shù)據(jù)段和校驗和。

圖x LIN通信幀結(jié)構(gòu)

還需要注意的是，幀頭和應(yīng)答中間是允許有一定的時間間隔的，用于給從機任務(wù)捕獲和解析幀頭，并準備應(yīng)答數(shù)據(jù)留足的時間。如圖x所示。

圖x LIN通信幀的響應(yīng)延遲

在LINFlexD引擎中，還可以由軟件配置從幀頭結(jié)束到應(yīng)答開始中間的間隔時間容限，判定超時事件。

同步間隔段（Break field）

注意圖x LIN通信幀結(jié)構(gòu) 中，幀的所有間隙均為隱性電平“1”，總線空閑時，也是保持隱性電平“1”的狀態(tài)，并且LIN通信幀中，除了同步間隔段外，任何其它字段都不會出現(xiàn)多于9位的顯性電平。同步間隔段由至少13位（通常選擇13位或14位）顯性電平組成，用于將不同的通信幀相互分隔開來。同步間隔段就用來表示一幀的開始。另外，同步間隔段的間隔符（Break Delimiter）至少為1位隱性電平。如圖x所示。

圖x 同步間隔段與同步間隔段隔離符

同步段（Sync field）

在介紹同步段之前，先介紹一下字節(jié)段結(jié)構(gòu)（Byte Field Structure）的概念，字節(jié)段結(jié)構(gòu)包括：1位起始位（Start Bit，顯性）+ 8位數(shù)據(jù)位 + 1位停止位（Stop Bit，隱性），這是一種標準UART數(shù)據(jù)傳輸格式。在 LIN 的一幀當中，除了同步間隔段，后面的各段都是通過字節(jié)域的格式傳輸?shù)?。LIN 幀中的數(shù)據(jù)傳輸都是先發(fā)送LSB（Least Significant Bit，最低有效位），最后發(fā)送 MSB（Most Significant Bit，最高有效位）。LIN總線使用字節(jié)0x55（01010101b）進行同步，在從機節(jié)點上可以采用非高精度時鐘，如果存在偏差，可以通過同步段來調(diào)整。同步段中的就是一個值為0x55的字節(jié)。

圖x LIN通信幀中的同步段

受保護的幀ID（Protected Identifier field）

受保護的幀ID中包含兩部分：6個比特的ID編號和2比特的奇偶校驗位。

圖x LIN通信幀中的PID段

其中，幀ID的取值范圍為0x00~0x3F，共64個，幀ID標識了幀的類別，從機任務(wù)會根據(jù)幀頭ID作出反應(yīng)（接收/發(fā)送/忽略應(yīng)答）。其中，校驗位P0和P1的計算方式如下：

P0 =       ID0 xor ID1 xor ID2 xor ID4
P1 = not ( ID1 xor ID3 xor ID4 xor ID5 )

特別注意，LIN總線的ID同CAN總線相似，標識的是消息的類型，并不是從機節(jié)點的地址（例如I2C總線）。LIN總線根據(jù)幀ID的不同，將報文分為信號攜帶幀、診斷幀、保留幀。此為應(yīng)用層的約定，此處暫不展開。

應(yīng)答數(shù)據(jù)段（Data field）

數(shù)據(jù)段包含1-8個字節(jié)。LIN2.x規(guī)定，可傳輸?shù)腖IN字節(jié)數(shù)為2，4，8，并不是1-8內(nèi)任意一個數(shù)字。一般而言，車內(nèi)會選擇統(tǒng)一字節(jié)數(shù)，最常用的是每幀傳遞8個字節(jié)。

圖x LIN通信幀中的數(shù)據(jù)段

與CAN總線（包括DLC字段）不同，LIN協(xié)議中并沒有規(guī)定數(shù)據(jù)長度的信息，數(shù)據(jù)內(nèi)容和長度均由應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計者根據(jù)幀ID提前設(shè)計?？偩€上的數(shù)據(jù)以廣播形式發(fā)出，任何節(jié)點都可收到，但并非對每個節(jié)點有用。具體到發(fā)布與接聽是由哪個節(jié)點完成，這取決于應(yīng)用層的配置。通常情況下，幀的應(yīng)答，總線上只存在一個發(fā)布節(jié)點，否則會出現(xiàn)錯誤。（事件觸發(fā)幀例外，它可能出現(xiàn)0，1和多個發(fā)布節(jié)點。）

校驗和段（Checksum field）

效驗和段是為了對幀傳輸?shù)膬?nèi)容進行效驗。校驗和段的1個字節(jié)的值，是將本幀數(shù)據(jù)段和PID段的值按照8位求和，再取反得到的。

效驗分為標準型效驗與增強型效驗：

經(jīng)典款校驗和（Classical Checksum）僅計算數(shù)據(jù)段的部分，適用于LIN v1.3及更早期的版本。
增強型校驗和（Enhanced Checksum）計算數(shù)據(jù)段和PID部分，適用于LIN v2.0及以后的版本。

采用標準型還是增強型是由主機節(jié)點管理，發(fā)布節(jié)點和收聽節(jié)點根據(jù)幀ID來判斷采用哪種效驗和。

在YTM32B1ME微控制器的手冊中描述LINFlexD發(fā)送幀頭時，可以在寄存器LINFlexD_BIDR[CCS]中選擇，將發(fā)送或者檢測增強型校驗和還是經(jīng)典款校驗和。

LIN總線的波形

圖x LIN總線上的波形

上圖展示了LIN總線的通訊方式，可以看出，無論什么時候幀頭都是由主機節(jié)點發(fā)布，當主機節(jié)點要發(fā)布數(shù)據(jù)時，整個幀全部由主機節(jié)點發(fā)送。當從機節(jié)點要發(fā)布數(shù)據(jù)時，幀頭部分由主機節(jié)點發(fā)布，應(yīng)答部分由從機節(jié)點發(fā)布，這樣，其余節(jié)點都能收到完整的報文。所以，LIN總線的通訊都是由主機節(jié)點發(fā)起，只要合理的規(guī)定好每個節(jié)點的配置，這樣就不會存在總線沖突的情況（事件觸發(fā)幀沖突時采用沖突解決進度表）。