Introduction

LIN總線的簡介，對于傳統(tǒng)的這種點對點的連接方式，我們可以看到ECU相關(guān)的傳感器和執(zhí)行器是直接連接到ECU的，當(dāng)傳感器和執(zhí)行器的數(shù)量較少時，這樣的連接方式是能滿足要求的，但是隨著汽車電控功能數(shù)量的不斷增長，帶來的是傳感器和執(zhí)行器數(shù)量的增長，大家可以想象，如果采用這種連接方式，會帶來線束數(shù)量的增長，那由于線束數(shù)量的增長帶來的線束的加工，導(dǎo)線和連接器的成本都會提升，由此導(dǎo)致汽車成本的增加，然后就是線束重量的提高，導(dǎo)致汽車重量提高，當(dāng)然線束布置的空間也是一個問題，同時由于線束和連接器端子數(shù)量的增加，也會對汽車可靠性產(chǎn)生不利的影響，對產(chǎn)生的故障進行診斷也是較為困難的，除此以外，當(dāng)我們需要增加傳感器和執(zhí)行器時，必須要求ECU具備相應(yīng)的硬件接口，那這對于一個系統(tǒng)的擴展是非常不利的，所以我們需要新的解決方案去應(yīng)對這些問題。

第一種解決方案就是將傳感器和執(zhí)行器直接連接到ECU所處的這條CAN總線上面，采用這種方案帶來了新的問題，首先這種方式要求傳感器和執(zhí)行器都得具備CAN接口，包括CAN收發(fā)器，CAN控制器，這樣會導(dǎo)致傳感器和執(zhí)行器的成本大幅度的提升，同時總線上節(jié)點的數(shù)量過多，也會導(dǎo)致總線負載的提升。

第二種解決方案就是將傳感器和執(zhí)行器連接到另一條CAN總線上面，中間的ECU可以作為網(wǎng)關(guān)來完成其他ECU與傳感器和執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)交互，這樣呢，雖然上面這條看CAN總線的負載率不受影響，但還是無法解決CAN接口帶來的成本問題。

所以提出了一個新的解決方案，在這個方案中，將傳感器和執(zhí)行器連接的CAN總線換成了一個低成本的總線，然后中間的ECU可以實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的功能，實現(xiàn)這個低成本總線與CAN總線之間的數(shù)據(jù)交互，采用這種方式就能夠解決前面提到的一些問題，這個低成本總線就是我們今天要講到的LIN總線。

采用LIN總線以后，就有之前的那種點對點的連接方式，切換為這種總線網(wǎng)絡(luò)的連接方式，我們可以看到傳感器和執(zhí)行器通過一個公用的通信介質(zhì)，也就是LIN總線連接到ECU，這種連接方式具備以下的優(yōu)點，首先是成本降低，然后對線束布置空間的要求和線束的重量也會降低，同時由于線束和連接器數(shù)量的減少，可靠性也會得到提高，通過總線的連接方式，故障更容易進行診斷，最后系統(tǒng)可以進行靈活的擴展，比如現(xiàn)在需要增加一個傳感器，我們可以將這個傳感器掛在總線上即可，不需要對ECU的硬件進行相應(yīng)的更改，以上就是LIN總線的簡單介紹。

LIN 總線物理層

LIN總線的物理層，LIN相對于CAN是一種低成本的通信總線，出于成本原因與CAN相比，LIN的通信線路為一根線，另外LIN通信可以不需要通信控制器，它的物理通信可以通過UART接口，也稱為SCI接口實現(xiàn)，這種接口幾乎集成在所有的微控制器中，所以LIN是基于UART幀結(jié)構(gòu)的通信，通過下圖我們可以看到真實LIN報文與UART幀的對應(yīng)關(guān)系，我們可以看到UART中包括八個數(shù)據(jù)位，加一個起始位和一個停止位，起始位是一個固定的邏輯0，停止位是一個固定的邏輯1。

在LIN總線中邏輯0與邏輯1和物理電平如何對應(yīng)呢？在 LIN 規(guī)范中規(guī)定顯性位是一個邏輯0，對于發(fā)送節(jié)點總線物理電平小于 20% Vsup 時即為0，對于接收節(jié)點總線物理電平小于40%Vsup 時即為0，隱性位是一個邏輯1，對于發(fā)送節(jié)點總線物理電平大于80% Vsup 時為1，對于接收節(jié)點總線物理電平大于60%Vsup時即為1，以上規(guī)定了接收節(jié)點和發(fā)送節(jié)點的信號特征，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點還需要進行同步，來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

LIN 通信原理及幀結(jié)構(gòu)
LIN總線的通信原理以及LIN報文幀結(jié)構(gòu)，首先是LIN總線通信原理，LIN網(wǎng)絡(luò)采用的是主從結(jié)構(gòu)，在這種主從結(jié)構(gòu)中有一個主節(jié)點和多個從節(jié)點，主節(jié)點包含主任務(wù)和從任務(wù)，從節(jié)點只包含從任務(wù)，主任務(wù)根據(jù)在LIN調(diào)度表中確定的時間，負責(zé)向總線發(fā)送，header 也稱為包頭，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點接收到hender后，從任務(wù)負責(zé)發(fā)送response或接收response，或不發(fā)送也不接收，response也稱為響應(yīng)，hander和response就組成了LIN報文。

我們這里可以看一個例子來理解LIN總線的通信原理，在這個例子中，LIN網(wǎng)絡(luò)有一個主節(jié)點和三個從節(jié)點，在LIN的調(diào)度表中定義了LIN報文的發(fā)送時間，在t0 發(fā)送header1，在t1發(fā)送header2，在t3 發(fā)送header3，那么LAN的主節(jié)點就會按照定義好的時間去發(fā)送header，主節(jié)點在t0 發(fā)送了header1，接著從節(jié)點1發(fā)送response，從節(jié)點三接收了response，從節(jié)點2不發(fā)送也不接收，接著主節(jié)點根據(jù)調(diào)度表發(fā)送了header2， header3完成一個通信循環(huán)，由此我們可以看到LIN報文的發(fā)送和接收時間都是預(yù)先確定，并且可以預(yù)測的。

經(jīng)過上面的介紹，我們了解到LIN報文是由header和response組成的，下面我們具體看一下LIN報文的幀結(jié)構(gòu)，首先是header，header是由主節(jié)點發(fā)送的，header有sync break field即同步間隔場，sync field同步場和protected identifier即PID組成，同步間隔場，由同步間隔和間隔界定符組成，同步間隔為至少持續(xù)13個位的顯性位，由于總線處于空閑時為隱性位，并且報文中處同步間隔場外的任何其他字段均符合UART 幀格式，也就不會發(fā)出大于九個位的顯性位，所以同步間隔可以表示1幀報文的起始，間隔界定符至少包含一個隱形位，同步場為固定格式，數(shù)據(jù)為0x5 ，用于初始同步，下面我們來詳細看一下header中的PID。PID由六位id和p0，p1 兩位奇偶校驗位組成，由于LIN的id有六位，所以它的范圍為0~63，在這些id中，60和61及0x3 c和0x3 d用于診斷報文，62和63為保留位，p0和p1是奇偶校驗位，p0 是id0，id1，id2，id4 進行異或運算的結(jié)果，p1是id1，id3，id4，id5進行異或運算后取非的結(jié)果，由此我們可以看出id與pid是有一個確定的對應(yīng)關(guān)系的。

LIN總線的調(diào)度機制和報文類型

LIN 報文的傳輸時間，LIN 報文由header和response組成，header包括同步間隔場，同步場和PID場，同步間隔場至少包括13個顯性位和1個隱性位，所以它的最小長度為14個位，同步場和PID場均符合Uart幀格式，因此長度均為十位，由此可以計算出header的額定傳輸時間為34個v時間。response包括數(shù)據(jù)場和校驗場，數(shù)據(jù)廠長度為1_{8個字節(jié)，即10}80個位，校驗場為10個位，由此也可以計算出response的額定傳輸時間，header和response的傳輸時間相加，就可以計算出一幀令報文傳輸時間的額定值。

在實際使用中，比如當(dāng)一些節(jié)點使用的LIN芯片性能較低時，處理數(shù)據(jù)較慢，可能無法立即執(zhí)行任務(wù)，所以在報文傳輸時間中包含時間余量，時間余量有兩種類型，第一種類型是internet space及字節(jié)間隔，位于同步間隔場和同步場之間，以及每兩個相鄰的Uart幀 之間，第二種類型是response space及響應(yīng)間隔，位于header和response之間，對于1幀LIN報文時間余量最大為額定傳輸時間的40%，由此可以計算出1幀LIN報文最大傳輸時間為1.4倍的額定傳輸時間。

在LIN總線中調(diào)度表除了規(guī)定總線上報文的傳輸次序外，還規(guī)定了各個報文的幀時系，digitter為報文同步間隔的下降沿與幀時系起始時刻相差的時間，以此保證有足夠的時間傳輸LIN報文，所以LIN報文的幀時系為最大傳輸時間，加上t-jitter。特需要注意的是，根據(jù)response的長度，幀時系的長度也是不一樣的。

當(dāng)然在實際的LIN調(diào)度表中，幀時系并不是任意的長度，LIN報文實際幀時系的長度是由mini slot的整數(shù)倍組成的，mini slot與time base，也就是時機是一致的，時機是LIN網(wǎng)絡(luò)中的最小時間單位，用于主節(jié)點執(zhí)行調(diào)度時控制定時，時機一般為5ms或10ms。因此真實器的實際長度可能比傳說LIN報文所需的理想時間長度更長，多出的這段時間稱為interframe space及幀間空間，通過以上內(nèi)容，我們能夠了解另總線的實際調(diào)度表，主節(jié)點可以有多個調(diào)度表，并且可以在不同的調(diào)度表間進行切換。

接下來向大家介紹LIN報文類型，在另一網(wǎng)絡(luò)中有四種，報文類型，包括無條件幀，事件觸發(fā)幀，偶發(fā)幀和診斷幀。第一種類型是無條件幀，對于無條件幀，他的id范圍為0~59，它的特點是一個response對應(yīng)一個header，另外每個header都分配有獨立的幀時系，這種針類型在實際應(yīng)用中使用較多。第二種類型是事件觸發(fā)幀，事件處罰幀關(guān)聯(lián)多個無條件幀，當(dāng)從節(jié)點信號發(fā)生變化的頻率較低時，主任務(wù)一次次的輪詢各個信號會占用一定的帶寬，為了減小帶寬的占用，引入了事件觸發(fā)針的概念。事件觸發(fā)針的典型應(yīng)用就是輪詢四個車門的開關(guān)狀態(tài)，如果其中一個車門打開，該車門要對詢問作出應(yīng)答，當(dāng)大于等于兩個車門打開時，同時應(yīng)答會發(fā)生沖突，此時會切換到?jīng)_突解決調(diào)度表，當(dāng)然與事件觸發(fā)征關(guān)聯(lián)的無條件幀需要滿足一定的條件，包括長度相同，使用相同的校驗?zāi)Ｐ?#xff0c;數(shù)據(jù)場的第一個字節(jié)為該無條件真的pid關(guān)聯(lián)的無條件真有不同的，從節(jié)點發(fā)送，并且不能與事件觸發(fā)針處于同一個調(diào)度表中。第三種類型是偶發(fā)幀，偶發(fā)幀的特點是一個幀時系中包含多個無條件幀，主節(jié)點根據(jù)需要去進行發(fā)送，這也是為了避免發(fā)生很少的時間頻繁發(fā)送，從而占用帶寬，當(dāng)有多個無條件幀需要同時發(fā)送時，需要根據(jù)事先規(guī)定好的優(yōu)先級進行發(fā)送，優(yōu)先級較高的五條幀獲得發(fā)送權(quán)，優(yōu)先級較低的要等到下一個偶發(fā)幀的header到來時才能發(fā)送，由于主節(jié)點是唯一的發(fā)送節(jié)點，所以主節(jié)點知道各個無條件幀的優(yōu)先級，這樣就不會產(chǎn)生沖突。第四種類型是診斷幀，診斷幀的id為60和61，id等于60時用于診斷請求，id等于61式用于診斷響應(yīng)。

在這里我們可以看一個例子來加深對LIN報文類型的理解，在這個調(diào)度表中，所有報文的類型都為無條件幀，當(dāng)時機為5ms時，我們可以計算出調(diào)度表的循環(huán)周期為225ms，

如果無條見幀5~ 8相關(guān)信號發(fā)生變化的頻率較低，并且滿足于事件觸發(fā)幀關(guān)聯(lián)的條件時，那么可以將其關(guān)聯(lián)到一個事件處罰幀中，當(dāng)調(diào)度表執(zhí)行到事件觸發(fā)幀時，主節(jié)點發(fā)送該事件觸發(fā)幀的header，只有關(guān)聯(lián)的無條件幀的信號發(fā)生變化時才發(fā)送response，如果沒有任何的從節(jié)點響應(yīng)，那么該幀時系的其余部分將保持靜默，當(dāng)有多個從節(jié)點響應(yīng)時，會切換到?jīng)_突解決調(diào)度表。類似的可以將無條件幀12~15放到同一個真實系中，由此調(diào)度表的循環(huán)周期會減少為135ms，可以提高通信的靈活性。

狀態(tài)管理

狀態(tài)管理的目的是檢測各個節(jié)點運行過程中的錯誤，每個從節(jié)點在其發(fā)送的某個無條件幀中，應(yīng)包含一個名為response error的標(biāo)量信號。通過該信號向主節(jié)點報告自身的狀態(tài)，主節(jié)點負責(zé)接收這個信號，并且執(zhí)行分析，LIN協(xié)議并沒有標(biāo)準(zhǔn)化錯誤類型，用戶可以根據(jù)需要進行自行的制定，比如位錯誤校驗和錯誤無應(yīng)答錯誤等。當(dāng)然有些錯誤并不是針對所有的LIN報文類型，比如在事件觸發(fā)針中，由于沖突存在的可能性會出現(xiàn)發(fā)送的數(shù)據(jù)與回收的數(shù)據(jù)不一致的情況，這時不能認為是為錯誤，也可能發(fā)送harder，但沒有response，這時也不能認為是無應(yīng)答錯誤。

網(wǎng)絡(luò)管理主要指的是網(wǎng)絡(luò)的休眠和喚醒管理，下圖展示了從節(jié)點的三種狀態(tài)。第一種狀態(tài)是初始化狀態(tài)，當(dāng)?shù)谝淮芜B接電源復(fù)位或喚醒后進入此狀態(tài)，從節(jié)點需要進行必要的初始化，然后進入運行狀態(tài)，初始化進程需要在100ms內(nèi)完成，這里的初始化是指與令相關(guān)的初始化，復(fù)位和喚醒，可能意味著不同的初始化。第二種狀態(tài)是運行狀態(tài)，運行狀態(tài)下可以進行LIN報文的收發(fā)，在運行狀態(tài)下，當(dāng)接收到休眠命令或總線靜默4到10秒時進入總線休眠模式，此時總線將持續(xù)保持隱性電平，當(dāng)總線處于休眠狀態(tài)時，主從節(jié)點都可以向總線上發(fā)送喚醒信號，當(dāng)接收到喚醒信號或由于內(nèi)部原因喚醒后進入初始化狀態(tài)。

詳細看一下喚醒信號，LIN網(wǎng)絡(luò)中的任意一個節(jié)點都可以發(fā)送喚醒信號來請求喚醒，喚醒信號為持續(xù)250微秒到5ms的顯性電平，并在總線信號返回隱形狀態(tài)時有效。對于主節(jié)點同步間隔場也可以充當(dāng)喚醒信號，比如可以通過發(fā)送普通的header來請求喚醒，在這種情況下，主節(jié)點需要知道這個header可能不會被從節(jié)點處理，因為從節(jié)點可能還未被喚醒，如果節(jié)點發(fā)送出喚醒信號后，在150ms到250ms之內(nèi)沒有接收到總線上的任何命令，那么可以重新發(fā)送一次喚醒信號，喚醒信號最多可以發(fā)送三次，三次后必須等待至少1.5秒之后才可以再次發(fā)送喚醒信號。

最后向大家介紹休眠命令，主節(jié)點可以向總線發(fā)送休眠命令時令子網(wǎng)進入休眠模式，id為0x3C的診斷報文可用作休眠命令，要求該報文數(shù)據(jù)廠的第一個字節(jié)內(nèi)容為0x00 ，其余字節(jié)為0xff，總線上的從節(jié)點只判斷數(shù)據(jù)上的第一個字節(jié)，其余字節(jié)忽略，需要注意的是，從節(jié)點在接收到休眠命令后，不一定要進入低功耗模式，可以根據(jù)應(yīng)用層需要進行設(shè)置，另外當(dāng)總線靜默四秒到十秒時，從節(jié)點自動進入休眠狀態(tài)。