LIN總線入門.

駕駛哥

2022年5月10日 13:31

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LIN總線是目前常見的一種A類網絡協議。LIN的全稱為Local Interconnect Network。LIN主要功能是為CAN總線網絡提供輔助功能，應用場合有智能傳感節點、自動車窗節點等。目前最新的LIN協議是LIN2.2，制定于2010年。LIN的一大優點是成本低，但其最大傳輸速率為20Kbps。建議的通信速率如下，低速2400bps，中速9600bps，高速19200bps。根據OSI參考模型，LIN總線僅規范了數據鏈路層和物理層。

LIN的特點如下：

1.采用單主多從的組網方式，無CAN總線那樣的仲裁機制，最多可連接 16個節點（1主15從）。

2.對硬件要求簡單，僅需UART/SCI 接口，輔以簡單驅動程序便可實現 LIN 協議。故幾乎所有的MCU均支持LIN。

3.不需要單獨的晶振，便能完成主、從節點的同步，硬件成本大幅降低。

4.僅使用一根信號線便可完成信息的傳輸，即所謂的單總線設備。

5.傳輸速率最高可達20Kbps，符合A類網絡標準，滿足車身控制需要。

6.LIN 網絡中新節點的加入，對網絡中其他原有節點的軟硬件設計不會造成影響。

LIN網絡主從節點的功能

LIN網絡中的節點任務分為主機任務和從機任務兩類。其中，主機任務只在主機節點上運行，而從機任務在主機節點和從機節點上均可運行。也就是說，主機節點可以實現主機任務和從機任務。

A.主機任務主要執行以下功能 ：

1.定義總線上的通信速率。（同步場？待考）

2.發送報文幀頭，包含同步間隔場、同步場和標識符場三個部分。

3.監控總線通信，通過校驗和確定數據正確性與否。

4.使從機進入喚醒或睡眠狀態，并響應從機的喚醒要求。

B.從機任務既可運行于主機又可運行于從機，它主要完成以下功能：

1.等待主機任務發送的同步間隔，使從機與主機于同步場中獲得同步。

2.分析標識符場，若與自己相關，則接收或發送數據，若與自己無關則什么都不做。

3.檢查和發送校驗和。

4.接受主機任務的喚醒和睡眠請求。

綜上，主機報文的標識符能觸發與之對應的不同從機之間的通信。

LIN報文的幀結構

LIN 總線上具有“顯性”和“隱性”兩種互補的邏輯電平。其中，顯性電平（參考地電壓）是邏輯 0，隱性電平（電源電壓）是邏輯1。

LIN在總線上以具有固定格式的報文進行傳遞，但是這種報文數據段的長度是可以調整的。LIN網絡中的所有節點（包括主機節點）都具有從機任務，當接到主機任務的報文信息時，它們中的某一個要對報文做出響應。

LIN總線的一幀主要由兩部分組成，即報文頭（Header）和報文響應（Response）。其中，報文頭是由一個主機節點的主機任務發出的，而報文響應（以下簡稱響應）是由一個主機節點或從機節點的從機任務發出的。其中報文頭由同步間隔場（最小13個顯性位）、同步場（1個字節，數據不變，0x55）、和PID場（1個字節）三部分組成；報文響應由2/4/8個字節的數據場、校驗和場（1個字節）所組成。報文頭和響應之間有一個幀內空間分隔，最小空間為0。

LIN 的字節場格式就是通常的 “SCI” 或 “UART” 串行數據格式(N81編碼)。即每個字節場的長度是10個位定時(BIT TIME)： 1bit起始位＋8bits數據位＋1bit停止位。

起始位(START BIT)是一個“顯性”位，它標志著字節場的開始。接著是8個數據位，首先發送最低位。停止位(STOP BIT)是一個“隱性”位，它標志著字節場的結束。LIN報文幀中的同步場、標識符場、數據場、校驗和場的格式都符合上述字節場的格式。

下面對幾個重要的部分詳細說明。

同步間隔場

間隔場是唯一一個不符合字節場格式的場。從節點需要檢測到至少連續11個顯性位才認為是間隔信號。

同步場

一個字節，即0x55。

LIN的被保護標識符場（PID場）

PID場定義了報文的內容和長度。如圖，PID場分為6個標識符位和2個ID奇偶校驗位。6個標識符位我們稱之為ID。如果加上2個奇偶校驗位就變成PID了，即Protected ID。6個標識符位中，標識符后兩位為數據長度控制位。總的來看，ID的范圍是0-0x3F。注意是ID，不是PID。要區分開。這一段要講的是我們需要將LIN的ID與PID分清楚，不能混淆。

上圖中的ID4和ID5為數據長度控制位（ID4是低位）。值為00或10時，數據長度為2個字節。值為01時，數據長度為4個字節。值為11時，數據長度為8個字節。在實際應用中，我并沒有發現ID4和ID5與真實的數據長度有什么關系。接觸到的LIN報文均為8個字節的數據。

P0和P1為奇偶校驗位，算法如下：

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
int main()
{
	short p0=0,p1=0;
	short LIN_ID=0x22,PID=0x00;

	p0 = (LIN_ID & 0x01) ^ ((LIN_ID & 0x02) >> 1) ^ ((LIN_ID & 0x04) >> 2) ^ ((LIN_ID & 0x10) >> 4); //按位異或
        p0 = p0 & 0x01; 
        p1 = ~(((LIN_ID & 0x02) >> 1) ^ ((LIN_ID & 0x08) >> 3) ^ ((LIN_ID & 0x10) >> 4) ^ ((LIN_ID & 0x20) >> 5));
        p1 = p1 & 0x01; 

	PID = (p1 << 7) | (p0 << 6) | LIN_ID;
	printf("p0=%#x,p1=%#x,PID=%#X\n",p0,p1,PID);

	system("pause");
	return 0;
}
所謂奇偶校驗就是在發送的每一個字節后都加上一位，使得每個字節中1的個數為奇數個或偶數個。接收方通過計算數據中1的個數是否滿足奇偶性來確定數據是否有錯。這個不用背，用的時候可以查表。

數據場

數據場主要需注意每個字節先傳輸的是最低位。即如果某一信號長度超過1個字節，采用低位在前的方式發送（小端）。

校驗和場（checksum）

校驗和場是數據場所有字節的和的反碼。所有數據字節的和的補碼，與校驗和字節相加所得的和必須是0xFF。

算法（Classical）：累加所有字節。對每次加和進行判斷，如果和大于0xFF，那么就把高八位的1，與低八位相加，其實就是低八位加1（翻轉八位和）。得到最后的結果后，取其反碼，我們就得到了最后的校驗和。參照下圖理解一下。

講解一下上面的圖，0x4A+0x55 = 0x9F這個沒有疑問，再加0x93 = 0x132，很明顯，超過了0xFF，分解為0x1和0x32，突出的高8位刪除，加到低8位中，0x1+0x32=0x33。再加0xE5 = 0x118，又超了，0x1+0x18=0x19。取反（Not），0xE6。

練習：下圖是一些LIN總線數據，以最后一組為例，2個0xFF之和為0x1FE，處理后仍然為0xFF。故8個0xFF加和之后仍為0xFF，取反碼為0x00。

校驗和場的兩種類型

校驗和場通常會有兩種不同的類型，英文簡稱為CST（Checksum Type）。一種是classic checksum（LIN 1.3），一種是enhanced checksum(LIN 2.0及以上)。上文講到的校驗和場算法實際上是classic的，即只對Data（數據場）進行校驗和的計算。Enhanced Checksum在計算時需要把PID也加入到計算隊列中。

下圖是CST(校驗和類型)為Enhanced時的報文形態。此時校驗和的計算需要包含前面的PID字節。舉例，下圖中第一幀報文，ID為0x02，PID通過查表（參考文獻5）可得到對應的PID是0x42，0x42的反碼是0xBD。原理上一樣，只不過計算校驗和的時候，需要把PID也放進去。

這里有個知識點一定要注意：標識符為0x3C和0x3D的幀只能使用經典校驗，這兩組幀是LIN的診斷幀。即LIN 2.0及以上才有的診斷幀，需要使用經典校驗，不能將PID也加入到校驗計算序列。自己寫LIN驅動的小伙伴要格外注意。

LIN總線的布線組網

LIN網絡的節點數量不應超過16個，否則節點增加將減少網絡阻抗，會導致環境條件變差，從而不能進行正常的無錯誤通訊。BOSCH汽車電氣與電子中這樣描述，“LIN總線規范中沒有規定總線允許的最大節點數。......但實際應用中，為了保證數據傳輸的可靠性，總線允許的最大節點數為16個。”

實驗證明（該實驗需要考證），每增加一個節點，就會減少約3％的阻抗；網絡中的通訊導線長度應小于或等于40m；主機節點的總線端電阻典型值是1k?，從機節點是30 k?。

LIN總線的應用

LIN總線上可以傳輸的兩類數據，信號報文和診斷報文。

診斷報文的輸送是在具有兩個保留標識符的幀里面完成的。數據場的判讀取決于數據場本身以及通訊節點的狀態。

LIN具有調度表機制。調度表負責調度網絡各報文發送的順序。調度表在網絡系統設計階段確定。調度表使得LIN通信具有可預測性。主任務可以擁有多個調度表，并在不同的調度表之間切換。

LIN的描述文件叫做LDF文件，可以設置報文幀，信號和調度表等。

LIN幀的分類

LIN幀按照幀類型來分類可以分為普通幀、事件觸發幀、零星幀、診斷幀、用戶自定義幀和保留幀。

普通幀的標識符(ID)為0到0x3B。主任務發出報文頭，一個任務響應，一個或多個任務接收。

事件觸發幀的標識符為0到0x3B。事件觸發幀必須有一個獨立的ID，該ID可以與多個普通幀相關聯。在事件觸發幀時隙內發送幀頭，只有當相關聯的無條件幀內有信號被更新時，才發送幀響應。幀響應的第一個數據字節等于標識符，即響應最多可以傳輸7個字節的數據；如果沒有幀響應，幀頭被忽略。幀響應可由多個節點發送，發生沖突時切換到“沖突解決調度表”，之后再切換回到原來的調度表。

零星幀表示共用一個時隙、在需要時才被發送的一組普通幀。標識符為0到0x3B。

診斷幀用來傳輸診斷或配置信息，一般包含8個字節數據。0x3C為主請求幀，0x3D為從響應幀（注意校驗方式是classic！）。診斷響應基于ISO15765-2傳輸層和ISO14229應用層。