一文梳理LIN协议与应用

本文主要是介绍一文梳理LIN协议与应用，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一、LIN是什么？有什么用？

LIN 是Local Interconnect Network 的缩写，意为本地互联网络，就是通信用的。可用于大多数嵌入式开发的行业领域中，如汽车、家电、工业自动化等。

在车载领域，LIN通常做为CAN网络的一个子网络的形式存在。（CAN网络是什么，不在本文讨论范围内）

从应用层来说，LIN主要有两个作用：信号处理 和 消息分发。
在协议层，信号和消息位于帧中的数据段，是节点向其他节点传达的实质信息。
信号被包含在“信号携带帧”中，消息被包含在“诊断帧”中。会在LIN的帧类型处介绍。

二、LIN概要描述

2.1 特点

2.1.1 低成本

LIN是一个低成本的通信协议，因为在物理层LIN总线使用一根线做为介质，且实际使用中通常为一根铜线。与CAN或I2C协议的两根线相比，减少了线的长度与重量。

2.1.2 易扩展

基于UART/SCI(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter /
Serial Communication Interface，通用异步收发器/串行通信接口)，所以支持了大部分的半导体零件，从硬件角度讲，LIN网络的扩展，基本没有额外成本。

2.1.3 速率一般，不高

最高位速率限制在20kbps，物理层受电磁干扰的影响，速率不能太快。

2.2 网络形态

LIN通信以主从模式设计。
车载开发中，主机节点一般就是MCU了，从机节点例如：车门、氛围灯、雨刷器、大灯等。

主机节点包含主机任务、从机任务。从机节点只包含从机任务。

2.3 架构分层

简单画了个图，严格来说不是太准确哈，不过也够用，先简单这么理解吧，有个印象就行。
学过OSI七层网络模型的，这个就比较简单了，不想赘述。

三、应用层 4 大功能

1. 配置
2. 识别
3. 信号处理
4. 诊断

3.1 配置

LIN网络使用主从模式，通信时无外乎三种场景：
主 --> 从
从 --> 主
从1 --> 从2
不论是哪种，先要解决一个问题，当前信息持有者想发数据出去，要发给谁呢？对方怎么知道这个数据是发给它的？
简单理解，配置就是给各个节点打个标记，如下：

各个节点有了身份证以后，数据的收发就能知道目标了。
用LIN规范的话来说，上面的标号叫 NAD，也叫逻辑节点。
应用层NAD 会对应协议层的 PID（1对1或1对多）。这个关系，表示当前的NAD节点可以处理哪些信号。PID是啥后面会讲。

配置功能是指LIN 的主机节点能自动地给所有逻辑节点选择配置项，消除NAD 和PID 分配中存在的冲突，使网络正常工作。配置功能是确保各节点协调运作的内部功能，包含分配NAD、分配PID 等服务。

分配NAD、分配PID 等，使用 LIN 产品代号做为标识，判断是给哪个节点配置。
配置的目的是：给某个节点配置，它所能够处理哪种信号（哪种帧），业务分角色承担。

3.2 识别（查询功能）

识别是主机向从机查询信息用的。默认定义了两个：
识别ID = 0时，查从机的LIN产品ID
识别ID = 1时，查从机的序列号
识别ID = 32-63，用户可以自定义。

3.3 信号处理

信号处理是不经过传输层的，也就是上面说的架构图不准确的地方。
应用层直接与协议层交互，信号通过协议层的“信号携带帧”通信。

3.4 诊断

诊断功能是LIN 网络作为一个整体对外呈现的可配置、可访问的属性。应用于汽车维修，查找故障的场景。

四、协议层介绍

4.1 帧的结构

Header由主机任务发出，Response由从机任务回复。

Break：标识一帧的开始
Synch：调整从机节点的数据位速率与主机节点一致。主机的时钟需要高精度，从机节点时钟不需要高精度。
Protected identifier：受保护的ID段（8位） = 帧ID（6位） + 校验位（2位），就是上面提到的PID。
PID 标识了帧的类别和目的地。

Data1~DataN：一个Data块 占一个字节，包括两种数据类型：信号和诊断消息。
一个PID对应的数据可能包含一个或多个信号。
Checksum：校验用

4.2 帧的类型

4.2.1 信号携带帧——无条件帧(Unconditional Frame)

发送方：主机任务，单一发送节点
发送时机：帧时隙
应答方：从机任务
总线上一旦有帧头发送出去，必须有从机任务作应答(即无条件发送应答)，这个无条件更多的是指从机状态是否变化。无论从机状态变没变，只要收到了无条件帧就要回复。

4.2.2 信号携带帧——事件触发帧（Event Triggered Frame）

使用场景：主机节点查询各从机节点的状态是否发生变化时使用
事件触发帧，与无条帧不同的是：当从机节点状态没有发生变化时，不用回复帧。只有在状态发生变化时，才回复。降低了总线的负载。
举例：当前4个车门全是关闭状态，想检测哪个车门开了。需要轮询四个车门，查询开关状态：

1. 如果使用无条件帧的话，主机节点下发一次查询，即使当前4个车门全部都是关的，每个车门都要回复一下，总线上就跑了4帧回复数据。如果4个车门一直没有变化，这种情况将持续下去。
2. 如果使用事件触发帧，主机节点下发一次查询，当前4个车门全部都是关的，无变化，那么就不会回复。事件触发帧允许一帧中只有帧头无应答；，此时总线只有一帧主机节点下发的事件触发帧，还只有帧头。这样在轮询过程中，此种场景下，将大大减少总线的负载。

适用的场景：从机节点状态变化频率低，主机节点需要查询状态变化时。

当多个从机节点，同时回复时，会产生冲突，为了解决冲突，引用了【与“事件触发帧”相关联的无条件帧】这个概念：

4.2.2.1 与“事件触发帧”相关联的无条件帧：

比如，原来用一个无条件帧A 来询问前左车门的开关状态，
现在，主机使用一个事件触发帧B 来查询前左车门车门状态。
那么，对于前左车门来说，原来用于回复无条件帧A的那段数据，和现在用于回复这个事件触发帧B的数据，它们是一样的。（即事件触发帧的应答部分是与其关联的无条件帧所提供的应答的。）
此时我们称这个“无条件帧A”，是与B关联的无条件帧。

4.2.2.2 事件触发帧发生冲突时，如何解决？

考虑场景：主机发送一事件触发帧查询4个车门的开关情况，此时左前和右前两个从机都开门了，信号发生变化，同时应答，发生冲突了。
此时，LIN启用冲突解决调度表，按序给4个车门发送【与“事件触发帧”相关联的无条件帧】，4个车门再依次重新进行应答（类似轮询）。

可能存在疑问，这不就退回为无条件帧的轮询了吗？

不一样。原因如下：

• 一、事件触发帧的针对场景是，从机节点发生变化频率较低时，也意味着 事件触发帧发生冲突的概率是比较低的。
• 二、通过使用冲突解决调度表来处理冲突，LIN协议能够在保持简单性的同时，提供一定的可靠性和鲁棒性。
• 三、可能会牺牲一点点效率，以确保数据的正确传输。但是它只进行一次对与冲突相关的节点的轮询，当解决了此次的冲突后，就会恢复正常工作。与无条件帧轮询方案相比，这点小牺牲可以忽略不计了。

需要轮询的从机节点越多时，从机节点变化的频率越低，事件触发帧的优势越明显。

4.2.3 信号携带帧——偶发帧（Sporadic Frame）

发送方：只能主机节点
发送时机：同一帧时隙，自身发生变化时
当主机有多个因素，或状态发生变化时，按照事先定义好的优先级进行发送应答（使用主机的从机任务）。优先级高的先发送应答，优先级低的，在下一个偶发帧的帧头到来时，才能发送。

事件触发帧主要侧重于从机节点的变化信息发送，当从机节点发生某种特定事件时，会触发帧的发送，以传递该事件的相关信息。而偶发帧则主要侧重于主机节点的变化，当主机节点状态发生变化时，会发送偶发帧来通知其他节点。

4.2.4 诊断帧（Diagnostic Frame）

包括主机请求帧和从机应答帧，主要用于配置、识别和诊断用。主机请求帧(Master Request Frame，
MRF)，帧ID = 0x3C，应答部分的发布节点为主机节点；从机应答帧(Slave Response Frame，SRF)，帧ID = 0x3D，
应答部分的发布节点为从机节点。

4.2.5 保留帧(Reserved Frame)

备用

4.3 调度表

五、硬件

5.1 物理介质

总线介质：市场上主流使用铜线。
总线收发器也是针对铜线的。

全双工：两根线，同时收发数据
半双工：一根线，同一时刻只能收或发，同一时刻是单向的
单工：一根线，一直是单向的，只能收或发。

协议控制器是基于UART/SCI 的通信控制器，工作方式是半双工（LIN一根线）

5.2 EMI 控制

EMI 指电磁干扰

压摆率（Slew Rate），也称为转换速率，是衡量放大器对信号变化速度适应能力的参数。它指的是运算放大器输出电压的转换速率，单位通常有V/s、V/ms和V/μs三种。压摆率的大小反映了放大器对信号变化速度的快慢，即放大器在单位时间内输出电压的变化量。

在处理高速信号时，压摆率是一个非常重要的指标。如果放大器的压摆率不够高，那么当输入信号变化速度较快时，放大器可能无法及时跟随输入信号的变化，导致输出信号失真。因此，对于需要处理高速信号的放大器，压摆率是一个需要特别关注的参数。

位速率、压摆率越高，EMI越显著。
LIN协议可以控制EMI：协议控制器可以控制位速率，总线收发器可以控制压摆率。
20Kbps的最高位速率限制，是数据速率与EMI 权衡的结果。

ESD(Electrostatic Discharge)指静电危害

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缩写	全称	解释
LDF	LIN Description File	LIN描述文件
NCF	Node Capability File	节点性能文件

本文完。

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