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汽车电子系统总线LIN通信协议简介

来源:华体会官方网页登录入口    发布时间:2024-04-05 09:07:45

  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,基本的串口就能轻松实现,成本较低,可作为CAN总线的辅助总线。LIN总线大范围的应用于车门、车窗、车灯以及中控锁等车身控制领域。

  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;

  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”:

  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。协议控制器既能够正常的使用专用模块实现,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。

  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。为客服电源波动和参考点漂移的影响,LIN规范要求总线%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。

  LIN报文帧由帧头(Hearder)与应答(Response)两部分所组成。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,任何其它字段都不可能会出现多于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。

  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b)进行同步,在从机节点上能够使用非高精度时钟,如果存在偏差,能够最终靠同步段来调整。同步段中的就是一个值为0x55的字节。

  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,它也许会出现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做效验。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。

  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。

  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,能够准确的看出,无论何时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)。

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