LIN总线基础

1 什么是LIN 总线？

LIN(Local Interconnect Network)，局部互联网总线，是一种低成本的串行通讯网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。

• LIN 的目标是为现有汽车网络(例如CAN 总线)提供辅助功能，因此LIN总线是一种辅助的总线网络。

• 在不需要CAN 总线的带宽和多功能的场合，比如智能传感器和制动装置之间的通讯使用LIN 总线可大大节省成本。

• 相对于CAN总线而言，LIN总线协议较为简单，对单片机的要求也并不高，基本的串口就可以实现，因而成本较低。

• 作为CAN总线的辅助总线，LIN总线是对现有总线技术的补充，广泛应用于车门、车窗、车灯以及中控锁等车身控制领域。

• 适用于对网络的带宽、性能或容错功能没有过高要求的应用。基于SCI(UART)数据格式，采用单主控制器/多从设备的模式，是UART中的一种特殊情况。

1.1 LIN总线的历史

1.2 SAE J2602 Lin协议版本

该协议大部分用美国车

1.3 LIN规范

物理层的规范主要有:
LIN总线的物理层包括传输速率集中容错范围等。

LIN协议规范：
描述了总线的数据链路层。

LIN的诊断和配置规范。
描述了如何在数据链路层之上提供诊断信息和节点配置服务。

LIN的应用层接口API
描述了网络和应用层之间的接口。

LIN配置语言的规范LDF
介绍了LIn配置文件的格式，LIN配置文件用于配置整个网络，并作为oem和不同网络节点的供应商之间的通用接口。同时可作为开发和分析工具的一个输入。

LIN节点能力描述语言规范NCF
介绍了描述从机节点的语言格式，LIN集群设计工具可以使用ncF文件自动的生成LIN描述文件。

LIN传输层规范
描述了传输最高能达到4095个字节数据的方法。

LIN诊断规范
描述了从机节点所支持的诊断服务类型，诊断服务都使用传输层。

2.LIN总线的特点

• 单主控器/多从设备模式无需仲裁机制
• 低成本，基于UART 串口通讯，所有控制机都具备LIN 必需的硬件
• 一个主节点对应多个从节点，由于物理层的限制，一个LIN网络最多可以连接16个节点
• 单信号线传输，同时保证信号传输的延迟时间
• LIN具有可预测的电磁兼容性能，为了限制EMC的强度，LIN协议规定最大传输速率为20kbps
• LIN总线提供信号的配置、处理、识别和诊断功能
• 支持传输层和诊断功能

2.1 LIN总线的电气特性

LIN总线采用的是单线传输形式，总线电平一般为12V，传输速率最高限制为20kbps。

• 建议的通信速率如下，低速2400bps，中速9600bps，高速19200bps。（bps全称为bit per second）

3. 应用

LIN总线有其“局域”特性，在汽车中一般不独立存在，通常与上层CAN网络相连，形成CAN-LIN网关节点，通常汽车电子中整车厂会规定该“网关节点”的控制器归属。
LIn的主节点本身是有CAN的接口的。
也就是说Lin的节点是可以通过CAN网络进行数据交互的。

3.1 LIN与CAN的对比

3.2 直接应用

4 LIN总线基本概念

4.1 LIN报文帧结构

4.1.1 主节点与从节点

LIN报文帧由帧头（Hearder）与应答（Response）两部分组成。

• 传输过程中，主机节点负责发送帧头；
• 从机节点负责接收帧头，然后作出解析决定发送应答，还是接收应答或不回复。
• 从节点是不能主动向外发送数据的。

主节点发送数据帧帧头，从节点根据帧头识别并向LIN总线发送相应数据。LIN总线上只会有一个主节点，但会有多个从节点。

4.1.2 调度表

帧的调度表（或进度表）规定了总线上帧的传输次序以及传输时间，确定了每个报文直接的间隔时间及其顺序，因此LIN总线的通信是可预测的。

• 调度表位于主机节点，主节点根据调度表决定发送各个报文的时间间隔顺序。
• 调度表可以有多个，一般情况下，轮到某个调度表执行的时候，从该调度表的入口处开始执行，到调度表的最后一个帧时，如果没有新的调度表启动则返回到当前调度表的第一个帧开始执行；
• 也有可能在执行到某个调度表时发生中断，跳到另一个调度表后再返回，如事件触发帧。

4.1.3网络管理

LIN总线中的从节点有三个状态：初始化状态、睡眠状态、工作状态。

• 初始化状态：从节点上电、复位、睡眠唤醒后的一个过渡性状态。在初始化状态中，从节点会做必要的初始化，为LIN通信做准备。初始化状态下，从节点是不能收发LIN通信报文。
• 工作状态：是正常工作的状态。在这个状态里，从节点可以正常收发LIN通信报文。
• 睡眠状态：是停止LIN transceiver的正常工作，但是可以接受主节点的唤醒信号，并且能主动向LIN总线发送唤醒信号（内部唤醒）

睡眠命令复用0×3C的诊断帧，第一个字节为0，其余7个字节为0×FF

4.1.4 帧头结构

帧头包括同步间隔场、同步场、PID场（受保护ID）场，应答部分包括数据场与效验和场。

4.1.4.1 电平

其中“0”为显性电平、“1”为隐性电平，显隐性与CAN总线是相同的。

• 在总线上实行“线-与”：当总线有至少一个节点发送显性电平时，总线呈现显性电平；
• 所有节点均发送隐性电平或者不发送信息时，总线呈隐性电平，即显性电平起着主导作用。

间隔的主要作用给mcu留够处理时间。

4.1.4.2 同步间隔段（间隔场）

帧的所有间隙均为隐性电平“1”，总线空闲时也是保持隐性电平“1”的状态，并且帧中的任何其它字段都不会发出大于9位的显性电平，所以同步间隔场由至少13位（通常选择13位或14位）显性电平组成。

• 所以我们可以得出结论，同步间隔场可以代表一帧的开始。
• 同步间隔场的间隔符至少为1位隐性电平。

从节点检测连续的11个显性位就认为是间隔信号。

4.1.4.3 同步场

在介绍同步段之前，首先介绍一下字节域(Byte Field)的概念，字节域包括1位起始位(Start Bit，显性) + 8位数据位 + 1位停止位(Stop Bit，隐性)，可以简记为“显开隐走”，这是一种标准UART数据传输格式。

• 在 LIN 的一帧当中，除了同步间隔段，后面的各段都是通过字节域的格式传输的。

在 LIN 帧中，数据传输都是先发送LSB(Least Significant Bit，最低有效位)，最后发送 MSB(Most Significant Bit，最高有效位)。

• LIN总线将下降沿作为判断标志，通过字节0x55（01010101b）进行同步，在从机节点上可以采用非高精度时钟，如果带来偏差，可以通过同步场来调整。

从机节点可以不采用高精度的时钟，而采用片上振荡器等精度和成本相对较低的时钟，由此带来的与主机节点时钟产生的偏差，需要通过同步段进行调整。

同步段用于同步的基准时钟为主机节点的时钟。从机节点通过接收主机节点发出的同步段，计算出主机节点位速率，根据计算结果对自身的位速率重新作调整。

主机节点实际传输 1 位所用的时间，即位速率。

4.1.4.4 PID场

受保护的ID，其前6位为帧ID，加上两个奇偶效验码称作受保护的ID。

帧ID的取值范围为0x00~0x3F，共64个，帧ID标识了帧的类别，从机任务会根据帧头ID作出反应(接收/发送/忽略应答)，其中P0与P1效验如下：

“⊕”代表“异或”运算，“¬”代表“取非”运算。

注意：PID 不会出现全 0 或全 1 的情况，因此，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。

从机应答帧是一个完整的帧，与帧结构中的“应答”不同。

4.1.4.5 数据场

数据场是LIN数据帧的真正要传输的数据。数据场包含1-8个字节，数据发送顺序：低字节先发，低位先发；如果数据长度超过1个字节，采用小端模式（低位在前发送）。

数据场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。
• LIN2.x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。
• 一般而言，车内会选择统一字节数，最常用的是每帧传递8个字节。

与CAN总线不同，LIN协议中并没有规定数据长度的信息，数据内容和长度均根据帧ID提前设定。总线上的数据以广播形式发出，任何节点都可收到，但并非对每个节点有用。

通常情况下，帧的应答，总线上只存在一个发布节点，否则会出现错误。事件触发帧例外，它可能出现0，1和多个发布节点。

4.1.4.6 效验和场

效验和场是为了对帧传输内容进行效验，以此提高数据可靠性。

效验分为标准型效验（只校验数据场，不校验标识符场）与增强型效验（校验数据场，同时校验标识符场）。

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来判断采用哪种效验和。

4.2 LIN的帧类型

根据LIN2.1规范，LIN的帧类型有以下几种：
无条件帧、事件触发帧、偶发帧、诊断帧、预留帧

4.2.1 无条件帧（0-0×3B）

无条件帧是具有单一发布节点的，无论信号是否发生变化，帧头均会被无条件应答的帧.

• 无条件帧在主机任务分配给它的固定的帧时隙中传输。
• 总线上一旦有帧头发送出去，必须有从机任务作应答(即无条件发送应答)。
  

4.2.2 事件触发帧（0-0×3B）

事件触发帧必须有一个独立的ID，该ID可以与多个无条件帧相关联。

• 在事件触发帧时隙内发送帧头，只有当相关联的无条件帧内有信号被更新时，才发送帧应答。
• 如果没有帧响应，帧头被忽略。
• 帧响应可由多个节点发送，发生冲突时切换到“冲突解决调度表”，之后再切换回到原来的调度表。

其主要原理就是：当从机节点信息状态没有发生变化的时候，从机节点可以不应答主机发出的帧头；

当有多个节点信息同时发生变化的时候，同时应答事件触发帧头会造成总线的冲突。

4.2.3 偶发帧（0-0×3B）

偶发帧表示共用一个时隙、在需要时才被发送的一组普通帧。偶发帧是主机节点在同一帧时隙中当自身信号发生变化时向总线启动发送的帧。

当存在多个关联的应答信号变化时，通过预先设定的的优先级来仲裁。与事件触发帧类似，偶发帧也定义了一组无条件帧。规定偶发帧只有由主机节点发布。

偶发帧的传输可能出现三种情况：

• 1）当关联的无条件帧没有信号发生变化，这时主机连帧头也不需要发送。
• 2）当关联的一个无条件帧信号发生变化则发送该帧。
• 3）当有多个无条件帧发生信号变化时，则按照事先规定的优先级依次发送。

4.2.4 诊断帧

诊断帧包括主机请求帧和从机应答帧，主要用于配置、识别和诊断。

• 主机请求帧ID=0x3c，由主机节点发送帧头和帧应答；
• 从机应答帧ID=0x3d，由主机节点发送帧头 从机节点发送帧应答。

数据段规定为8个字节，一律采用标准效验和。

4.2.5 保留帧

保留帧的ID=0x3E与0x3F，为将来扩张需求用。

4.3 拓扑结构

• 一个网络由一个主任务和若干个从任务组成
• 主节点既有主任务又有从任务
• 从节点只有从任务。
• 主任务负责决定总线上的报文，从任务提供每一帧的数据。

也就是说主节点既可以发报文头，也可以发数据。

4.3 LIN总线上传输的两种数据。

信号报文

• 信号位于帧的数据场中，以数字或者是数组的形式出现
• 同一种信号在相同id的报文数据场中的位置总是固定的

报文是信号的载体

诊断报文

诊断报文由两个保留id来传输，用来传输节点的诊断信息。