簡介

本地互聯(lián)網絡 LIN（Local Interconnect Network）總線協(xié)議，是基于UART/SCI（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter/SerialCommunication Interface通用異步收發(fā)器/串行通信接口）的低成本串行通信協(xié)議。在車載電子系統(tǒng)中，相對于CAN總線而言，LIN總線協(xié)議較為簡單，對單片機的要求也并不高，基本的串口就可以實現(xiàn)，成本較低，可作為CAN總線的輔助總線。LIN總線廣泛應用于車門、車窗、車燈以及中控鎖等車身控制領域。

表x LIN總線協(xié)議大事記

最新的標準：

• ISO 17897-2016/2019
• SAE J2602-1_202110: LIN Network for Vehicle Applications - SAE International
• ISO 17987-1,Part1: General information and use case definition
• ISO 17987-2,Part2: Transport protocol and network layer services
• ISO 17987-3,Part3: Protocol specification
• ISO 17987-4,Part4: Electrical Physical Layer (EPL) specification 12V/24V
• ISO 17987-5,Part5: Application Programmers Interface (API)
• ISO 17987-6,Part6: Protocol conformance test specification
• ISO 17987-7,Part7: Electrical Physical Layer (EPL) conformance test specification
• ISO 17987-8,Part 8: Electrical physical layer (EPL) specification: LIN over DC powerline (DC-LIN)

LIN總線有如下特點：

1. 單主機同多從機通信，無需仲裁機制，所有通信過程由主機主導；
2. 低成本，基于通用UART接口，幾乎所有的微控制器都具備LIN必需的硬件；
3. 單線信號傳輸，通信協(xié)議簡單；
4. LIN具有可預測的電磁兼容性能，為了限制EMC的強度，LIN協(xié)議規(guī)定了最大傳輸速率為20kbps；
5. LIN總線提供信號的配置、處理、識別和診斷功能。

LIN總線在汽車中一般不獨立存在，通常與上層CAN網絡相連，形成CAN-LIN網關節(jié)點，通常汽車電子中整車廠會規(guī)定該“網關節(jié)點”的控制器歸屬。如圖x所示。

圖x CAN-LIN節(jié)點在CAN網絡中的角色

LIN網絡內部包括LIN Master Node（主機節(jié)點）和LIN Slave Node（從機節(jié)點），其中，主機節(jié)點可以運行一個主機任務和一個從機任務，而從機節(jié)點上僅能運行一個從機任務。整個網絡中，必須包含一個主機節(jié)點，和最多15個從機節(jié)點。如圖x所示。

圖x LIN網絡中的主機和從機

注意：LIN協(xié)議對任務進行建模，約定主機任務僅為發(fā)送幀首，從機節(jié)點處理應答數(shù)據(jù)（發(fā)送或接收）。所以，從機節(jié)點僅實現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的操作，故僅運行從機任務；主機節(jié)點的主機任務發(fā)送幀首后，還可交由主機節(jié)點的從機任務發(fā)送或者接收應答任務。其中，主機任務發(fā)送的幀ID，就包含了數(shù)據(jù)應由哪個節(jié)點發(fā)送上線、哪個節(jié)點捕獲數(shù)據(jù)的約定。由此，還可以設想一種只有主機任務的主機節(jié)點，但此時意義不大，主機任務協(xié)調網絡中的各節(jié)點，最終都是為了將本機的數(shù)據(jù)部署至網絡節(jié)點或從網絡節(jié)點中取數(shù)，如果將主機節(jié)點的主機任務同自己的從機任務分類，就需要這兩個任務做好同步，如此，還不如放在同一個節(jié)點上方便管理。

LIN信號的物理層

LIN總線僅使用一根信號線，信號線上傳輸邏輯電平信號，其中“0”為顯性電平、“1”為隱性電平（顯隱性與CAN總線是相同的）。傳輸信號在總線上實行“線-與”：

• 當總線有至少一個節(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作用。

實際上，在使用LIN總線時，相對于微控制器上集成的LIN協(xié)議控制器（LIN通信引擎外設，例如LINFlexD），還需要搭配一個LIN收發(fā)器芯片，將LIN協(xié)議控制器的Tx和Rx信號，同LIN總線上的顯性信號和隱形信號進行轉換。如圖x所示。

圖x LIN協(xié)議控制器和和LIN收發(fā)器

LIN協(xié)議控制器

協(xié)議控制器主體是一個基于UART/SCI的通信控制器，以半雙工方式工作。協(xié)議控制器既可以使用專用模塊實現(xiàn)，也可以用“UART/SCI+定時器”實現(xiàn)：

• 發(fā)送數(shù)據(jù)時，LIN協(xié)議控制器把數(shù)據(jù)以UART的數(shù)據(jù)格式（8數(shù)據(jù)位，1停止位，無校驗位）送往LIN總線收發(fā)器；
• 接收數(shù)據(jù)時，LIN總線收發(fā)器捕獲來自總線的串行信號流（顯性隱性數(shù)據(jù)），轉換成UART的數(shù)據(jù)格式，送回LIN協(xié)議控制器。

LIN協(xié)議控制器需要產生和識別幀的同步間隔段。同步間隔段包含一段長度至少為13位的低電平，再加上一段長度至少為1位的高電平的同步間隔隔離段。產生和識別同步間隔段的機制，雖然增加了硬件設計的復雜度，但是從接收方的角度看，這樣做能把同步間隔段與普通的數(shù)據(jù)字節(jié)區(qū)別開，確保了同步信息的準確性。

協(xié)議控制器需要能夠發(fā)送和捕獲喚醒信號：

• 協(xié)議控制器要能執(zhí)行本地喚醒（Local Wakeup）。當需要喚醒總線時，協(xié)議控制器通過總線收發(fā)器向 LIN 總線送出喚醒信號。
• 協(xié)議控制器要能識別總線喚醒（Bus Wakeup）。當收到來自 LIN 總線的喚醒信號時，協(xié)議控制器能夠正確動作，進入規(guī)定的通信狀態(tài)。

LIN總線收發(fā)器

總線收發(fā)器的主體是一個雙向工作的電平轉換器，完成協(xié)議控制器的高-低電平與LIN總線的隱性-顯性電平之間的轉換。

LIN規(guī)范規(guī)定：LIN總線的電平，以總線收發(fā)器的供電作為參考電平。為了克服電源波動和參考點漂移的影響，LIN規(guī)范要求總線收發(fā)器要能承受±11.5%的電源波動和參考點電平波動，并且能承受電源和參考點之間8%的電位差波動。收發(fā)雙方的電平鑒別門限也設置了較大的冗余度。

總線收發(fā)器還包括一些附加的功能，例如總線阻抗匹配、壓擺率(Slew-rate)控制等。

此外，LIN規(guī)范要求總線收發(fā)器具備這樣一種特性：本地節(jié)點掉電或工作異常時，不能影響總線上其他節(jié)點工作。

一個典型的總線收發(fā)器應用電路，如圖x所示。

圖x EVB-YTM32B1M-Q144開發(fā)板上的LIN收發(fā)器電路

LIN通信協(xié)議

LIN的主機和從機

LIN報文幀由幀頭（Hearder）與應答（Response）兩部分組成。如下圖所示，傳輸過程中：

• 幀頭總是由主機任務發(fā)出。幀頭包括：一個幀間隔段、一個同步段，以及一個幀標識號
• 從機任務接收幀頭，作出解析，決定：發(fā)送應答數(shù)據(jù)？接收來自主機或別的從機的應答數(shù)據(jù)？不回復？

圖x LIN主機和從機的交互

注意，圖x中描述的是主機任務和從機任務，而不是節(jié)點。通常情況下，從機節(jié)點中僅執(zhí)行從機任務，根據(jù)主機任務發(fā)出的幀頭做出響應，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。但主機節(jié)點是包含主機任務和從機任務，主機節(jié)點把發(fā)送幀頭的工作歸到主機任務上，把數(shù)據(jù)通信的工作歸到從機任務上。即，當主機節(jié)點向從機節(jié)點送數(shù)時，先由主機節(jié)點的主機任務發(fā)出幀頭，再由主機節(jié)點的從機任務送出數(shù)據(jù)；當主機節(jié)點從從機節(jié)點要數(shù)時，先由主機節(jié)點的主機任務發(fā)出幀頭，再由主機節(jié)點的從機任務從總線上捕獲數(shù)據(jù)。由此，也可以將主機任務別稱為“幀頭任務”，對應從機任務為“數(shù)據(jù)任務”。

LIN報文幀結構

LIN報文分為幀頭和應答兩個階段，其中，由主機發(fā)送的幀頭內部包含：同步間隔段、同步段和受保護ID段；主機發(fā)送或者從機發(fā)送的應答段內部包含：最多8個字節(jié)的數(shù)據(jù)段和校驗和。

圖x LIN通信幀結構

還需要注意的是，幀頭和應答中間是允許有一定的時間間隔的，用于給從機任務捕獲和解析幀頭，并準備應答數(shù)據(jù)留足的時間。如圖x所示。

圖x LIN通信幀的響應延遲

在LINFlexD引擎中，還可以由軟件配置從幀頭結束到應答開始中間的間隔時間容限，判定超時事件。

同步間隔段（Break field）

注意 圖x LIN通信幀結構 中，幀的所有間隙均為隱性電平“1”，總線空閑時，也是保持隱性電平“1”的狀態(tài)，并且LIN通信幀中，除了同步間隔段外，任何其它字段都不會出現(xiàn)多于9位的顯性電平。同步間隔段由至少13位（通常選擇13位或14位）顯性電平組成，用于將不同的通信幀相互分隔開來。同步間隔段就用來表示一幀的開始。另外，同步間隔段的間隔符（Break Delimiter） 至少為1位隱性電平。如圖x所示。

圖x 同步間隔段與同步間隔段隔離符

同步段（Sync field）

在介紹同步段之前，先介紹一下字節(jié)段結構（Byte Field Structure）的概念，字節(jié)段結構包括：1位起始位（Start Bit，顯性）+ 8位數(shù)據(jù)位 + 1位停止位（Stop Bit，隱性），這是一種標準UART數(shù)據(jù)傳輸格式。在 LIN 的一幀當中，除了同步間隔段，后面的各段都是通過字節(jié)域的格式傳輸?shù)?。LIN 幀中的數(shù)據(jù)傳輸都是先發(fā)送LSB（Least Significant Bit，最低有效位），最后發(fā)送 MSB（Most Significant Bit，最高有效位）。LIN總線使用字節(jié)0x55（01010101b）進行同步，在從機節(jié)點上可以采用非高精度時鐘，如果存在偏差，可以通過同步段來調整。同步段中的就是一個值為0x55的字節(jié)。

圖x LIN通信幀中的同步段

受保護的幀ID（Protected Identifier field）

受保護的幀ID中包含兩部分：6個比特的ID編號和2比特的奇偶校驗位。

圖x LIN通信幀中的PID段

其中，幀ID的取值范圍為0x00~0x3F，共64個，幀ID標識了幀的類別，從機任務會根據(jù)幀頭ID作出反應（接收/發(fā)送/忽略應答）。其中，校驗位P0和P1的計算方式如下：

P0 =       ID0 xor ID1 xor ID2 xor ID4  
P1 = not ( ID1 xor ID3 xor ID4 xor ID5 )

特別注意，LIN總線的ID同CAN總線相似，標識的是消息的類型，并不是從機節(jié)點的地址（例如I2C總線）。LIN總線根據(jù)幀ID的不同，將報文分為信號攜帶幀、診斷幀、保留幀。此為應用層的約定，此處暫不展開。

應答數(shù)據(jù)段（Data field）

數(shù)據(jù)段包含1-8個字節(jié)。LIN2.x規(guī)定，可傳輸?shù)腖IN字節(jié)數(shù)為2，4，8，并不是1-8內任意一個數(shù)字。一般而言，車內會選擇統(tǒng)一字節(jié)數(shù)，最常用的是每幀傳遞8個字節(jié)。

圖x LIN通信幀中的數(shù)據(jù)段

與CAN總線（包括DLC字段）不同，LIN協(xié)議中并沒有規(guī)定數(shù)據(jù)長度的信息，數(shù)據(jù)內容和長度均由應用系統(tǒng)的設計者根據(jù)幀ID提前設計?？偩€上的數(shù)據(jù)以廣播形式發(fā)出，任何節(jié)點都可收到，但并非對每個節(jié)點有用。具體到發(fā)布與接聽是由哪個節(jié)點完成，這取決于應用層的配置。通常情況下，幀的應答，總線上只存在一個發(fā)布節(jié)點，否則會出現(xiàn)錯誤。（事件觸發(fā)幀例外，它可能出現(xiàn)0，1和多個發(fā)布節(jié)點。）

校驗和段（Checksum field）

效驗和段是為了對幀傳輸?shù)膬热葸M行效驗。校驗和段的1個字節(jié)的值，是將本幀數(shù)據(jù)段和PID段的值按照8位求和，再取反得到的。

效驗分為標準型效驗與增強型效驗：

• 經典款校驗和（Classical Checksum）僅計算數(shù)據(jù)段的部分，適用于LIN v1.3及更早期的版本。
• 增強型校驗和（Enhanced Checksum）計算數(shù)據(jù)段和PID部分，適用于LIN v2.0及以后的版本。

采用標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。

在YTM32B1ME微控制器的手冊中描述LINFlexD發(fā)送幀頭時，可以在寄存器LINFlexD_BIDR[CCS]中選擇，將發(fā)送或者檢測增強型校驗和還是經典款校驗和。

LIN總線的波形

圖x LIN總線上的波形

上圖展示了LIN總線的通訊方式，可以看出，無論什么時候幀頭都是由主機節(jié)點發(fā)布，當主機節(jié)點要發(fā)布數(shù)據(jù)時，整個幀全部由主機節(jié)點發(fā)送。當從機節(jié)點要發(fā)布數(shù)據(jù)時，幀頭部分由主機節(jié)點發(fā)布，應答部分由從機節(jié)點發(fā)布，這樣，其余節(jié)點都能收到完整的報文。所以，LIN總線的通訊都是由主機節(jié)點發(fā)起，只要合理的規(guī)定好每個節(jié)點的配置，這樣就不會存在總線沖突的情況（事件觸發(fā)幀沖突時采用沖突解決進度表）。