什么是LIN總線？高速CAN、容錯CAN、LIN總線有什么區(qū)別？

時間：2020-11-29 22:26:46

關(guān)鍵字： CAN 總線架構(gòu)

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[導(dǎo)讀]本文關(guān)注點：有了CAN為什么還會有LIN，CAN和LIN的區(qū)別，LIN的優(yōu)勢在哪？

花點時間看了一些關(guān)于LIN總線基礎(chǔ)的內(nèi)容，把其中的關(guān)鍵點提取了出來，在這里分享給大家。在這里你可能要問“不都有CAN總線了嗎?這個LIN總線又是從哪里來的?”其實理由很簡單，就是CAN總線太貴啦!處處都用CAN總線的話，那整車的總線架構(gòu)成本將會變得很高!在一些比如車身電子配件的地方(如車窗、后視鏡、大燈、車鎖等)，我們不需要報文像CAN總線上傳輸?shù)哪菢印案咚佟?各大廠商一拍腦門就研究了這個LIN總線!

本文關(guān)注點：有了CAN為什么還會有LIN，CAN和LIN的區(qū)別，LIN的優(yōu)勢在哪？

1. 什么是LIN總線?

LIN(Local Interconnect Network)總線是基于UART/SCI(通用異步收發(fā)器/串行接口)的低成本串行通訊協(xié)議。其目標(biāo)定位于車身網(wǎng)絡(luò)模塊節(jié)點間的低端通信，主要用于智能傳感器和執(zhí)行器的串行通信，而這正是CAN總線的帶寬和功能所不要求的部分。

2. CAN/LIN總線區(qū)別

由于LIN網(wǎng)絡(luò)在汽車中一般不獨立存在，通常會與上層CAN網(wǎng)絡(luò)相連，形成CAN-LIN網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

2.1.LIN總線的主從關(guān)系

LIN總線采用的是單線傳輸形式，應(yīng)用了單主機多從機(有無主動上報的支持？)的概念，總線電平一般為12V，傳輸速率最高限制為20kbps。由于物理層的限制，一個LIN網(wǎng)絡(luò)最多可以連接16個節(jié)點。

總線任務(wù)負責(zé)：

調(diào)度總線上幀的傳輸次序
監(jiān)測數(shù)據(jù)，處理錯誤
作為標(biāo)準時鐘參考(不是異步通信？)
接收從機節(jié)點發(fā)出的總線喚醒命令

從機任務(wù)不能直接向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，需要接受到主節(jié)點發(fā)送的幀頭后，根據(jù)幀頭所包含的信息來判斷：

發(fā)送應(yīng)答
接收應(yīng)答
既不接收也不應(yīng)答

LIN的特點

網(wǎng)絡(luò)由一個主節(jié)點與若干個從節(jié)點構(gòu)成
使用LIN總線可以大幅度削減成本(CAN和Lin都需要收發(fā)器，但是Lin屬于單線制在線束上節(jié)省)
傳輸具有確定性，傳播時間可以提前計算
LIN具有可預(yù)測的EMC(電磁兼容性)性能，為了限制EMC的強度，LIN協(xié)議規(guī)定最大傳輸速率為20kbps
LIN總線提供信號的配置、處理、識別和診斷功能(這些都是UART不具備的，可LIN是怎么實現(xiàn)的呢？)

3.LIN報文幀結(jié)構(gòu)

LIN報文幀包括幀頭(hearder)與應(yīng)答(response)兩部分。主機負責(zé)發(fā)送至幀頭;從機負責(zé)接收幀頭并作出解析，然后決定是發(fā)送應(yīng)答，還是接收應(yīng)答或不回復(fù)。

（主機）幀頭結(jié)構(gòu)包括同步間隔段、同步段、PID段(受保護ID)段，應(yīng)答部分包括數(shù)據(jù)段與效驗和段。其中值“0”為顯性電平、“1”為隱性電平，這點與CAN總線相類似玩轉(zhuǎn)嵌入式micropoint8。在總線上實行“線-與”：當(dāng)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(dǎo)作用。

3.1.1.同步間隔段

同步間隔段至少是由13位的顯性電平組成，由于幀中的所有間隙或者總線空閑時總線均保持隱性電平狀態(tài)。所以同步間隔段可以標(biāo)志一個幀的開始。其中同步間隔段的間隔符至少為1位隱性電平。

3.1.2.同步段

LIN同步以下降沿為判斷標(biāo)志，采用字節(jié)0x55(01010101b)進行同步。在從機節(jié)點上可以不采用高精度的時鐘，由此帶來的偏差，需要通過同步段來進行調(diào)整。

3.1.3.PID段

受保護的ID的前6位叫做幀ID，加上兩個奇偶效驗碼后稱作受保護的ID。幀ID的取值范圍為0x00~0x3f總共64個，幀ID標(biāo)識了幀的類別和目的地。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P0與P1效驗如下：

LIN總線根據(jù)幀ID號的不同，把報文分為信號攜帶幀、診斷幀、保留幀。

PS：從機應(yīng)答幀是一個完整的幀，與（主節(jié)點）幀結(jié)構(gòu)中的“應(yīng)答”不同!

3.1.4.數(shù)據(jù)段

數(shù)據(jù)段可以包含1-8個字節(jié)，其中包含有兩種數(shù)據(jù)類型，信號(singal)和診斷消息(diagnostic messages)。信號由信號攜帶幀傳遞，診斷消息由診斷幀傳遞。

協(xié)議中并沒有規(guī)定哪一部分顯示數(shù)據(jù)長度碼的信息(這點與CAN總線不同)，數(shù)據(jù)的內(nèi)容與長度均是由系統(tǒng)設(shè)計者根據(jù)幀ID事先約定好的。

總線上的數(shù)據(jù)是以廣播形式發(fā)出，任何節(jié)點均可以收到，但并非對每個節(jié)點有用(與CAN相同)。具體到發(fā)布與接聽是由哪個節(jié)點進行完成這個取決于應(yīng)用層的軟件配置，一般情況下，對于一個幀中的應(yīng)答，總線上只存在一個發(fā)布節(jié)點，否則就會出現(xiàn)錯誤。事件觸發(fā)幀例外，可能出現(xiàn)0,1，多個發(fā)布節(jié)點。

3.1.5.效驗和段

效驗和段是為了對幀傳輸內(nèi)容進行效驗。效驗分為標(biāo)準型效驗與增強型效驗。采用標(biāo)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。

4.LIN總線波形

5.LIN總線的通訊

上圖展示的是LIN總線的通訊方式，可以看出無論什么時候幀頭總是由主機節(jié)點發(fā)布，當(dāng)主機節(jié)點想發(fā)布數(shù)據(jù)時，整個幀全部由主機節(jié)點發(fā)送。當(dāng)從機節(jié)點想發(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(主機怎么知道從機節(jié)點想發(fā)布數(shù)據(jù)，那肯定是主機節(jié)點無數(shù)據(jù)可發(fā)，故只發(fā)了幀頭？)，這樣其余節(jié)點都能收到一個完整的報文幀?？梢院苤苯拥挠^察到，LIN總線的通訊都是由主機節(jié)點發(fā)起的玩轉(zhuǎn)嵌入式micropoint8，只要合理的規(guī)定要每個節(jié)點的配置，這樣就不會存在總線沖突的情況(事件觸發(fā)幀沖突時采用采用沖突解決進度表)。

幀類型

5.1.無條件幀

無條件幀是具有單一發(fā)布節(jié)點的，無論信號是否發(fā)生變化，幀頭均會被無條件應(yīng)答的幀。

如上圖中幀ID=0x30應(yīng)答部分的發(fā)布節(jié)點為從機節(jié)點1，收聽節(jié)點為主機節(jié)點，應(yīng)用在從機節(jié)點向主機節(jié)點報告自身狀態(tài);幀ID=0x31中，應(yīng)答部分為主機節(jié)點，收聽部分為從機節(jié)點，應(yīng)用在主機節(jié)點向從機節(jié)點發(fā)送消息;幀ID=0x32中應(yīng)答部分的發(fā)送節(jié)點為從機節(jié)點2，收聽節(jié)點為從機節(jié)點1，應(yīng)用與從機節(jié)點之間的通信。

5.2.事件觸發(fā)幀

事件觸發(fā)幀是主機節(jié)點在一個幀間隙中查詢各從機節(jié)點的信號是否發(fā)生變化時使用的幀。當(dāng)存在多個發(fā)布節(jié)點時，通過沖突解決進度表來解決沖突。

當(dāng)從機節(jié)點信號發(fā)生變化的頻率較低的時候，主機任務(wù)一次次地查詢各個節(jié)點信息會占用一定的帶寬。為了減小帶寬的占用，引入了事件觸發(fā)幀的概念。其主要原理就是：當(dāng)從機節(jié)點信息狀態(tài)沒有發(fā)生變化的時候，從機節(jié)點可以不應(yīng)答主機發(fā)出的幀頭;當(dāng)有多個節(jié)點信息同時發(fā)生變化的時候，同時應(yīng)答事件觸發(fā)幀頭會造成總線的沖突。當(dāng)主機節(jié)點檢測到?jīng)_突時，便會查詢沖突解決進度表來依次向各個節(jié)點發(fā)送無條件幀(無條件幀只有能1個節(jié)點應(yīng)答)來確定從機節(jié)點的信息狀態(tài)。

與事件觸發(fā)幀關(guān)聯(lián)的多個無條件幀需要滿足以下5個條件：

數(shù)據(jù)段所包含的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)等長使用相同的效驗與類型數(shù)據(jù)段的第一個字節(jié)為該無條件幀的受保護ID，這樣才能夠知道應(yīng)答是哪個關(guān)聯(lián)的無條件幀發(fā)送出來的由不同的從機節(jié)點發(fā)布不能與時間觸發(fā)幀處于同一個進度表中。

5.2.1.偶發(fā)幀

偶發(fā)幀是主機節(jié)點在同一幀時隙中當(dāng)自身信號發(fā)生變化時向總線啟動發(fā)送的幀。當(dāng)存在多個關(guān)聯(lián)的應(yīng)答信號變化時，通過預(yù)先設(shè)定的的優(yōu)先級來仲裁。與事件觸發(fā)幀類似，偶發(fā)幀也定義了一組無條件幀。規(guī)定偶發(fā)幀只有由主機節(jié)點發(fā)布。

偶發(fā)幀的傳輸可能出現(xiàn)三種情況：

當(dāng)關(guān)聯(lián)的無條件幀沒有信號發(fā)生變化，這是主機連幀頭也不需要發(fā)送。
當(dāng)關(guān)聯(lián)的一個無條件幀信號發(fā)生變化則發(fā)送該幀。
當(dāng)有多個無條件幀發(fā)生信號變化時，則按照事先規(guī)定要的優(yōu)先級依次發(fā)送。

5.2.2.診斷幀

診斷幀包括主機請求幀和從機應(yīng)答幀，主要用于配置、識別和診斷。主機請求幀ID=0x3c，應(yīng)答部分的發(fā)布節(jié)點為主機節(jié)點;從機應(yīng)答幀ID=0x3d，應(yīng)答部分的發(fā)布節(jié)點為從機節(jié)點。數(shù)據(jù)段規(guī)定為8個字節(jié)，一律采用標(biāo)準效驗和。

5.2.3.保留幀

保留幀的ID=0x3e與0x3f，為將來擴張需求用。

5.3.進度表

進度表是幀的調(diào)度表，規(guī)定了總線上幀的傳輸次序以及傳輸時間。進度表位于主機節(jié)點，主機任務(wù)根據(jù)應(yīng)用程需要進行調(diào)度。進度表可以有多個，一般情況下，輪到某個進度表執(zhí)行的時候，從該進度表的入口處開始執(zhí)行，到進度表的最后一個幀時，如果沒有新的進度表啟動則返回到當(dāng)前進度表的第一個幀開始執(zhí)行玩轉(zhuǎn)嵌入式micropoint8，也有可能在執(zhí)行到某個進度表時發(fā)生中斷，跳到另一個進度表后再返回，如事件觸發(fā)幀就是一個典型的例子。