汽车电子系统总线LIN通信协议精要
汽车电子系统总线LIN通信协议精要
文章目录
- 汽车电子系统总线LIN通信协议精要
-
- 简介
- LIN信号的物理层
-
- LIN总线收发器
- LIN通信协议
-
- LIN的主机和从机
- LIN报文帧结构
-
- 同步间隔段（Break field）
- 同步段（Sync field）
- 受保护的帧ID（Protected Identifier field）
- 应答数据段（Data field）
- 校验和段（Checksum field）
- LIN总线的波形
- 参考文献
简介
本地互联网络 LIN（Local Interconnect Network）总线协议，是基于UART/SCI（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter/SerialCommunication Interface通用异步收发器/串行通信接口）的低成本串行通信协议。在车载电子系统中，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，成本较低，可作为CAN总线的辅助总线。LIN总线广泛应用于车门、车窗、车灯以及中控锁等车身控制领域。
| 时间 | 事件 |
|---|---|
| 1998年10月 | 在德国 Baden Baden 召开的汽车电子会议上，LIN 总线的设想首次被提出。 |
| 1999年 | LIN 联盟成立。最初的成员有：奥迪、宝马、克莱斯勒、摩托罗拉、博世、大众和沃尔沃。 |
| 2000年 | LIN 联盟开始接收第一批成员。 |
| 2001年 | 第一辆使用 LIN 总线汽车下线。 |
| 2002年 | LIN 规范 V.1.3 版本发布。 |
| 2003年 | LIN 规范 V.2.0 版本发布。 |
| 2004年 | LIN 总线一致性测试规范发布。 |
| 2006年 | LIN 标准规范 V.2.1 版发布。 |
| 2010年 | LIN 规范包Specification Package Revision 2.2A 发布。 |
最新的标准：
- ISO 17897-2016/2019
- SAE J2602-1_202110: LIN Network for Vehicle Applications - SAE International
- ISO 17987-1,Part1: General information and use case definition
- ISO 17987-2,Part2: Transport protocol and network layer services
- ISO 17987-3,Part3: Protocol specification
- ISO 17987-4,Part4: Electrical Physical Layer (EPL) specification 12V/24V
- ISO 17987-5,Part5: Application Programmers Interface (API)
- ISO 17987-6,Part6: Protocol conformance test specification
- ISO 17987-7,Part7: Electrical Physical Layer (EPL) conformance test specification
- ISO 17987-8,Part 8: Electrical physical layer (EPL) specification: LIN over DC powerline (DC-LIN)
LIN总线有如下特点：
- 单主机同多从机通信，无需仲裁机制，所有通信过程由主机主导；
- 低成本，基于通用UART接口，几乎所有的微控制器都具备LIN必需的硬件；
- 单线信号传输，通信协议简单；
- LIN具有可预测的电磁兼容性能，为了限制EMC的强度，LIN协议规定了最大传输速率为20kbps；
- LIN总线提供信号的配置、处理、识别和诊断功能。
LIN总线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。如图x所示。
LIN网络内部包括LIN Master Node（主机节点）和LIN Slave Node（从机节点），其中，主机节点可以运行一个主机任务和一个从机任务，而从机节点上仅能运行一个从机任务。整个网络中，必须包含一个主机节点，和最多15个从机节点。如图x所示。
注意：LIN协议对任务进行建模，约定主机任务仅为发送帧首，从机节点处理应答数据（发送或接收）。所以，从机节点仅实现发送数据和接收数据的操作，故仅运行从机任务；主机节点的主机任务发送帧首后，还可交由主机节点的从机任务发送或者接收应答任务。其中，主机任务发送的帧ID，就包含了数据应由哪个节点发送上线、哪个节点捕获数据的约定。由此，还可以设想一种只有主机任务的主机节点，但此时意义不大，主机任务协调网络中的各节点，最终都是为了将本机的数据部署至网络节点或从网络节点中取数，如果将主机节点的主机任务同自己的从机任务分类，就需要这两个任务做好同步，如此，还不如放在同一个节点上方便管理。
LIN信号的物理层
LIN总线仅使用一根信号线，信号线上传输逻辑电平信号，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）。传输信号在总线上实行“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。
实际上，在使用LIN总线时，相对于微控制器上集成的LIN协议控制器（LIN通信引擎外设，例如LINFlexD），还需要搭配一个LIN收发器芯片，将LIN协议控制器的Tx和Rx信号，同LIN总线上的显性信号和隐形信号进行转换。如图x所示。
协议控制器主体是一个基于UART/SCI的通信控制器，以半双工方式工作。协议控制器既可以使用专用模块实现，也可以用“UART/SCI+定时器”实现：
- 发送数据时，LIN协议控制器把数据以UART的数据格式（8数据位，1停止位，无校验位）送往LIN总线收发器；
- 接收数据时，LIN总线收发器捕获来自总线的串行信号流（显性隐性数据），转换成UART的数据格式，送回LIN协议控制器。
LIN协议控制器需要产生和识别帧的同步间隔段。同步间隔段包含一段长度至少为13位的低电平，再加上一段长度至少为1位的高电平的同步间隔隔离段。产生和识别同步间隔段的机制，虽然增加了硬件设计的复杂度，但是从接收方的角度看，这样做能把同步间隔段与普通的数据字节区别开，确保了同步信息的准确性。
协议控制器需要能够发送和捕获唤醒信号：
- 协议控制器要能执行本地唤醒（Local Wakeup）。当需要唤醒总线时，协议控制器通过总线收发器向 LIN 总线送出唤醒信号。
- 协议控制器要能识别总线唤醒（Bus Wakeup）。当收到来自 LIN 总线的唤醒信号时，协议控制器能够正确动作，进入规定的通信状态。
LIN总线收发器
总线收发器的主体是一个双向工作的电平转换器，完成协议控制器的高-低电平与LIN总线的隐性-显性电平之间的转换。
LIN规范规定：LIN总线的电平，以总线收发器的供电作为参考电平。为了克服电源波动和参考点漂移的影响，LIN规范要求总线收发器要能承受±11.5%的电源波动和参考点电平波动，并且能承受电源和参考点之间8%的电位差波动。收发双方的电平鉴别门限也设置了较大的冗余度。
总线收发器还包括一些附加的功能，例如总线阻抗匹配、压摆率(Slew-rate)控制等。
此外，LIN规范要求总线收发器具备这样一种特性：本地节点掉电或工作异常时，不能影响总线上其他节点工作。
一个典型的总线收发器应用电路，如图x所示。
LIN通信协议
LIN的主机和从机
LIN报文帧由帧头（Hearder）与应答（Response）两部分组成。如下图所示，传输过程中：
- 帧头总是由主机任务发出。帧头包括：一个帧间隔段、一个同步段，以及一个帧标识号
- 从机任务接收帧头，作出解析，决定：发送应答数据？接收来自主机或别的从机的应答数据？不回复？
注意，图x中描述的是主机任务和从机任务，而不是节点。通常情况下，从机节点中仅执行从机任务，根据主机任务发出的帧头做出响应，发送数据和接收数据。但主机节点是包含主机任务和从机任务，主机节点把发送帧头的工作归到主机任务上，把数据通信的工作归到从机任务上。即，当主机节点向从机节点送数时，先由主机节点的主机任务发出帧头，再由主机节点的从机任务送出数据；当主机节点从从机节点要数时，先由主机节点的主机任务发出帧头，再由主机节点的从机任务从总线上捕获数据。由此，也可以将主机任务别称为“帧头任务”，对应从机任务为“数据任务”。
LIN报文帧结构
LIN报文分为帧头和应答两个阶段，其中，由主机发送的帧头内部包含：同步间隔段、同步段和受保护ID段；主机发送或者从机发送的应答段内部包含：最多8个字节的数据段和校验和。
还需要注意的是，帧头和应答中间是允许有一定的时间间隔的，用于给从机任务捕获和解析帧头，并准备应答数据留足的时间。如图x所示。
在LINFlexD引擎中，还可以由软件配置从帧头结束到应答开始中间的间隔时间容限，判定超时事件。
同步间隔段（Break field）
注意 图x LIN通信帧结构 中，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LIN通信帧中，除了同步间隔段外，任何其它字段都不会出现多于9位的显性电平。同步间隔段由至少13位（通常选择13位或14位）显性电平组成，用于将不同的通信帧相互分隔开来。同步间隔段就用来表示一帧的开始。另外，同步间隔段的间隔符（Break Delimiter） 至少为1位隐性电平。如图x所示。
同步段（Sync field）
在介绍同步段之前，先介绍一下字节段结构（Byte Field Structure）的概念，字节段结构包括：1位起始位（Start Bit，显性）+ 8位数据位 + 1位停止位（Stop Bit，隐性），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。 LIN 帧中的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总线使用字节0x55（01010101b）进行同步，在从机节点上可以采用非高精度时钟，如果存在偏差，可以通过同步段来调整。同步段中的就是一个值为0x55的字节。
受保护的帧ID（Protected Identifier field）
受保护的帧ID中包含两部分：6个比特的ID编号和2比特的奇偶校验位。
其中，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，校验位P0和P1的计算方式如下：
P0 = ID0 xor ID1 xor ID2 xor ID4
P1 = not ( ID1 xor ID3 xor ID4 xor ID5 )
特别注意，LIN总线的ID同CAN总线相似，标识的是消息的类型，并不是从机节点的地址（例如I2C总线）。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。此为应用层的约定，此处暂不展开。
应答数据段（Data field）
数据段包含1-8个字节。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（包括DLC字段）不同，LIN协议中并没有规定数据长度的信息，数据内容和长度均由应用系统的设计者根据帧ID提前设计。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。具体到发布与接听是由哪个节点完成，这取决于应用层的配置。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。）
校验和段（Checksum field）
效验和段是为了对帧传输的内容进行效验。校验和段的1个字节的值，是将本帧数据段和PID段的值按照8位求和，再取反得到的。
效验分为标准型效验与增强型效验：
- 经典款校验和（Classical Checksum）仅计算数据段的部分，适用于LIN v1.3及更早期的版本。
- 增强型校验和（Enhanced Checksum）计算数据段和PID部分，适用于LIN v2.0及以后的版本。
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。
在YTM32B1ME微控制器的手册中描述LINFlexD发送帧头时，可以在寄存器LINFlexD_BIDR[CCS]中选择，将发送或者检测增强型校验和还是经典款校验和。
LIN总线的波形
上图展示了LIN总线的通讯方式，可以看出，无论什么时候帧头都是由主机节点发布，当主机节点要发布数据时，整个帧全部由主机节点发送。当从机节点要发布数据时，帧头部分由主机节点发布，应答部分由从机节点发布，这样，其余节点都能收到完整的报文。所以，LIN总线的通讯都是由主机节点发起，只要合理的规定好每个节点的配置，这样就不会存在总线冲突的情况（事件触发帧冲突时采用冲突解决进度表）。
参考文献
- 《一文看懂LIN总线》，https://zhuanlan.zhihu.com/p/357967013，Demu，发布于 2021-03-18 09:38
- YTM32B1ME0x_RM.pdf