LIN总线入门.

驾驶哥

2022年5月10日 13:31

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LIN总线是目前常见的一种A类网络协议。LIN的全称为Local Interconnect Network。LIN主要功能是为CAN总线网络提供辅助功能，应用场合有智能传感节点、自动车窗节点等。目前最新的LIN协议是LIN2.2，制定于2010年。LIN的一大优点是成本低，但其最大传输速率为20Kbps。建议的通信速率如下，低速2400bps，中速9600bps，高速19200bps。根据OSI参考模型，LIN总线仅规范了数据链路层和物理层。

LIN的特点如下：

1.采用单主多从的组网方式，无CAN总线那样的仲裁机制，最多可连接 16个节点（1主15从）。

2.对硬件要求简单，仅需UART/SCI 接口，辅以简单驱动程序便可实现 LIN 协议。故几乎所有的MCU均支持LIN。

3.不需要单独的晶振，便能完成主、从节点的同步，硬件成本大幅降低。

4.仅使用一根信号线便可完成信息的传输，即所谓的单总线设备。

5.传输速率最高可达20Kbps，符合A类网络标准，满足车身控制需要。

6.LIN 网络中新节点的加入，对网络中其他原有节点的软硬件设计不会造成影响。

LIN网络主从节点的功能

LIN网络中的节点任务分为主机任务和从机任务两类。其中，主机任务只在主机节点上运行，而从机任务在主机节点和从机节点上均可运行。也就是说，主机节点可以实现主机任务和从机任务。

A.主机任务主要执行以下功能 ：

1.定义总线上的通信速率。（同步场？待考）

2.发送报文帧头，包含同步间隔场、同步场和标识符场三个部分。

3.监控总线通信，通过校验和确定数据正确性与否。

4.使从机进入唤醒或睡眠状态，并响应从机的唤醒要求。

B.从机任务既可运行于主机又可运行于从机，它主要完成以下功能：

1.等待主机任务发送的同步间隔，使从机与主机于同步场中获得同步。

2.分析标识符场，若与自己相关，则接收或发送数据，若与自己无关则什么都不做。

3.检查和发送校验和。

4.接受主机任务的唤醒和睡眠请求。

综上，主机报文的标识符能触发与之对应的不同从机之间的通信。

LIN报文的帧结构

LIN 总线上具有“显性”和“隐性”两种互补的逻辑电平。其中，显性电平（参考地电压）是逻辑 0，隐性电平（电源电压）是逻辑1。

LIN在总线上以具有固定格式的报文进行传递，但是这种报文数据段的长度是可以调整的。LIN网络中的所有节点（包括主机节点）都具有从机任务，当接到主机任务的报文信息时，它们中的某一个要对报文做出响应。

LIN总线的一帧主要由两部分组成，即报文头（Header）和报文响应（Response）。其中，报文头是由一个主机节点的主机任务发出的，而报文响应（以下简称响应）是由一个主机节点或从机节点的从机任务发出的。其中报文头由同步间隔场（最小13个显性位）、同步场（1个字节，数据不变，0x55）、和PID场（1个字节）三部分组成；报文响应由2/4/8个字节的数据场、校验和场（1个字节）所组成。报文头和响应之间有一个帧内空间分隔，最小空间为0。

LIN 的字节场格式就是通常的 “SCI” 或 “UART” 串行数据格式(N81编码)。即每个字节场的长度是10个位定时(BIT TIME)： 1bit起始位＋8bits数据位＋1bit停止位。

起始位(START BIT)是一个“显性”位，它标志着字节场的开始。接着是8个数据位，首先发送最低位。停止位(STOP BIT)是一个“隐性”位，它标志着字节场的结束。LIN报文帧中的同步场、标识符场、数据场、校验和场的格式都符合上述字节场的格式。

下面对几个重要的部分详细说明。

同步间隔场

间隔场是唯一一个不符合字节场格式的场。从节点需要检测到至少连续11个显性位才认为是间隔信号。

同步场

一个字节，即0x55。

LIN的被保护标识符场（PID场）

PID场定义了报文的内容和长度。如图，PID场分为6个标识符位和2个ID奇偶校验位。6个标识符位我们称之为ID。如果加上2个奇偶校验位就变成PID了，即Protected ID。6个标识符位中，标识符后两位为数据长度控制位。总的来看，ID的范围是0-0x3F。注意是ID，不是PID。要区分开。这一段要讲的是我们需要将LIN的ID与PID分清楚，不能混淆。

上图中的ID4和ID5为数据长度控制位（ID4是低位）。值为00或10时，数据长度为2个字节。值为01时，数据长度为4个字节。值为11时，数据长度为8个字节。在实际应用中，我并没有发现ID4和ID5与真实的数据长度有什么关系。接触到的LIN报文均为8个字节的数据。

P0和P1为奇偶校验位，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); //按位异或
        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;
}
所谓奇偶校验就是在发送的每一个字节后都加上一位，使得每个字节中1的个数为奇数个或偶数个。接收方通过计算数据中1的个数是否满足奇偶性来确定数据是否有错。这个不用背，用的时候可以查表。

数据场

数据场主要需注意每个字节先传输的是最低位。即如果某一信号长度超过1个字节，采用低位在前的方式发送（小端）。

校验和场（checksum）

校验和场是数据场所有字节的和的反码。所有数据字节的和的补码，与校验和字节相加所得的和必须是0xFF。

算法（Classical）：累加所有字节。对每次加和进行判断，如果和大于0xFF，那么就把高八位的1，与低八位相加，其实就是低八位加1（翻转八位和）。得到最后的结果后，取其反码，我们就得到了最后的校验和。参照下图理解一下。

讲解一下上面的图，0x4A+0x55 = 0x9F这个没有疑问，再加0x93 = 0x132，很明显，超过了0xFF，分解为0x1和0x32，突出的高8位删除，加到低8位中，0x1+0x32=0x33。再加0xE5 = 0x118，又超了，0x1+0x18=0x19。取反（Not），0xE6。

练习：下图是一些LIN总线数据，以最后一组为例，2个0xFF之和为0x1FE，处理后仍然为0xFF。故8个0xFF加和之后仍为0xFF，取反码为0x00。

校验和场的两种类型

校验和场通常会有两种不同的类型，英文简称为CST（Checksum Type）。一种是classic checksum（LIN 1.3），一种是enhanced checksum(LIN 2.0及以上)。上文讲到的校验和场算法实际上是classic的，即只对Data（数据场）进行校验和的计算。Enhanced Checksum在计算时需要把PID也加入到计算队列中。

下图是CST(校验和类型)为Enhanced时的报文形态。此时校验和的计算需要包含前面的PID字节。举例，下图中第一帧报文，ID为0x02，PID通过查表（参考文献5）可得到对应的PID是0x42，0x42的反码是0xBD。原理上一样，只不过计算校验和的时候，需要把PID也放进去。

这里有个知识点一定要注意：标识符为0x3C和0x3D的帧只能使用经典校验，这两组帧是LIN的诊断帧。即LIN 2.0及以上才有的诊断帧，需要使用经典校验，不能将PID也加入到校验计算序列。自己写LIN驱动的小伙伴要格外注意。

LIN总线的布线组网

LIN网络的节点数量不应超过16个，否则节点增加将减少网络阻抗，会导致环境条件变差，从而不能进行正常的无错误通讯。BOSCH汽车电气与电子中这样描述，“LIN总线规范中没有规定总线允许的最大节点数。......但实际应用中，为了保证数据传输的可靠性，总线允许的最大节点数为16个。”

实验证明（该实验需要考证），每增加一个节点，就会减少约3％的阻抗；网络中的通讯导线长度应小于或等于40m；主机节点的总线端电阻典型值是1kΩ，从机节点是30 kΩ。

LIN总线的应用

LIN总线上可以传输的两类数据，信号报文和诊断报文。

诊断报文的输送是在具有两个保留标识符的帧里面完成的。数据场的判读取决于数据场本身以及通讯节点的状态。

LIN具有调度表机制。调度表负责调度网络各报文发送的顺序。调度表在网络系统设计阶段确定。调度表使得LIN通信具有可预测性。主任务可以拥有多个调度表，并在不同的调度表之间切换。

LIN的描述文件叫做LDF文件，可以设置报文帧，信号和调度表等。

LIN帧的分类

LIN帧按照帧类型来分类可以分为普通帧、事件触发帧、零星帧、诊断帧、用户自定义帧和保留帧。

普通帧的标识符(ID)为0到0x3B。主任务发出报文头，一个任务响应，一个或多个任务接收。

事件触发帧的标识符为0到0x3B。事件触发帧必须有一个独立的ID，该ID可以与多个普通帧相关联。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，才发送帧响应。帧响应的第一个数据字节等于标识符，即响应最多可以传输7个字节的数据；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。

零星帧表示共用一个时隙、在需要时才被发送的一组普通帧。标识符为0到0x3B。

诊断帧用来传输诊断或配置信息，一般包含8个字节数据。0x3C为主请求帧，0x3D为从响应帧（注意校验方式是classic！）。诊断响应基于ISO15765-2传输层和ISO14229应用层。