簡介

本地互聯網絡 LIN（Local Interconnect Network）總線協議，是基于UART/SCI（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter/SerialCommunication Interface通用異步收發器/串行通信接口）的低成本串行通信協議。在車載電子系統中，相對于CAN總線而言，LIN總線協議較為簡單，對單片機的要求也并不高，基本的串口就可以實現，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協議規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網關節點，通常汽車電子中整車廠會規定該“網關節點”的控制器歸屬。如圖x所示。

圖x CAN-LIN節點在CAN網絡中的角色

LIN網絡內部包括LIN Master Node（主機節點）和LIN Slave Node（從機節點），其中，主機節點可以運行一個主機任務和一個從機任務，而從機節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點，和最多15個從機節點。如圖x所示。

圖x LIN網絡中的主機和從機

注意：LIN協議對任務進行建模，約定主機任務僅為發送幀首，從機節點處理應答數據（發送或接收）。所以，從機節點僅實現發送數據和接收數據的操作，故僅運行從機任務；主機節點的主機任務發送幀首后，還可交由主機節點的從機任務發送或者接收應答任務。其中，主機任務發送的幀ID，就包含了數據應由哪個節點發送上線、哪個節點捕獲數據的約定。由此，還可以設想一種只有主機任務的主機節點，但此時意義不大，主機任務協調網絡中的各節點，最終都是為了將本機的數據部署至網絡節點或從網絡節點中取數，如果將主機節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點發送顯性電平時，總線呈現顯性電平；
• 所有節點均發送隱性電平或者不發送信息時，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協議控制器（LIN通信引擎外設，例如LINFlexD），還需要搭配一個LIN收發器芯片，將LIN協議控制器的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協議控制器和和LIN收發器

LIN協議控制器

協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。協議控制器既可以使用專用模塊實現，也可以用“UART/SCI+定時器”實現：

• 發送數據時，LIN協議控制器把數據以UART的數據格式（8數據位，1停止位，無校驗位）送往LIN總線收發器；
• 接收數據時，LIN總線收發器捕獲來自總線的串行信號流（顯性隱性數據），轉換成UART的數據格式，送回LIN協議控制器。

LIN協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據字節區別開，確保了同步信息的準確性。

協議控制器需要能夠發送和捕獲喚醒信號：

• 協議控制器要能執行本地喚醒（Local Wakeup）。當需要喚醒總線時，協議控制器通過總線收發器向 LIN 總線送出喚醒信號。
• 協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，協議控制器能夠正確動作，進入規定的通信狀態。

LIN總線收發器

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

LIN規范規定：LIN總線的電平，以總線收發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規范要求總線收發器要能承受±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。收發雙方的電平鑒別門限也設置了較大的冗余度。

總線收發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規范要求總線收發器具備這樣一種特性：本地節點掉電或工作異常時，不能影響總線上其他節點工作。

一個典型的總線收發器應用電路，如圖x所示。

圖x EVB-YTM32B1M-Q144開發板上的LIN收發器電路

LIN通信協議

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：發送應答數據？接收來自主機或別的從機的應答數據？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，而不是節點。通常情況下，從機節點中僅執行從機任務，根據主機任務發出的幀頭做出響應，發送數據和接收數據。但主機節點是包含主機任務和從機任務，主機節點把發送幀頭的工作歸到主機任務上，把數據通信的工作歸到從機任務上。即，當主機節點向從機節點送數時，先由主機節點的主機任務發出幀頭，再由主機節點的從機任務送出數據；當主機節點從從機節點要數時，先由主機節點的主機任務發出幀頭，再由主機節點的從機任務從總線上捕獲數據。由此，也可以將主機任務別稱為“幀頭任務”，對應從機任務為“數據任務”。

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；主機發送或者從機發送的應答段內部包含：最多8個字節的數據段和校驗和。

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，并準備應答數據留足的時間。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，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，先介紹一下字節段結構（Byte Field Structure）的概念，字節段結構包括：1位起始位（Start Bit，顯性）+ 8位數據位 + 1位停止位（Stop Bit，隱性），這是一種標準UART數據傳輸格式。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域的格式傳輸的。LIN 幀中的數據傳輸都是先發送LSB（Least Significant Bit，最低有效位），最后發送 MSB（Most Significant Bit，最高有效位）。LIN總線使用字節0x55（01010101b）進行同步，在從機節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。

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，從機任務會根據幀頭ID作出反應（接收/發送/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，并不是從機節點的地址（例如I2C總線）。LIN總線根據幀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。

應答數據段（Data field）

數據段包含1-8個字節。LIN2.x規定，可傳輸的LIN字節數為2，4，8，并不是1-8內任意一個數字。一般而言，車內會選擇統一字節數，最常用的是每幀傳遞8個字節。

圖x LIN通信幀中的數據段

與CAN總線（包括DLC字段）不同，LIN協議中并沒有規定數據長度的信息，數據內容和長度均由應用系統的設計者根據幀ID提前設計。總線上的數據以廣播形式發出，任何節點都可收到，但并非對每個節點有用。具體到發布與接聽是由哪個節點完成，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布節點，否則會出現錯誤。（事件觸發幀例外，它可能出現0，1和多個發布節點。）

校驗和段（Checksum field）

效驗和段是為了對幀傳輸的內容進行效驗。校驗和段的1個字節的值，是將本幀數據段和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）僅計算數據段的部分，適用于LIN v1.3及更早期的版本。
• 增強型校驗和（Enhanced Checksum）計算數據段和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點管理，發布節點和收聽節點根據幀ID來判斷采用哪種效驗和。

在YTM32B1ME微控制器的手冊中描述LINFlexD發送幀頭時，可以在寄存器LINFlexD_BIDR[CCS]中選擇，將發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點發布，當主機節點要發布數據時，整個幀全部由主機節點發送。當從機節點要發布數據時，幀頭部分由主機節點發布，應答部分由從機節點發布，這樣，其余節點都能收到完整的報文。所以，LIN總線的通訊都是由主機節點發起，只要合理的規定好每個節點的配置，這樣就不會存在總線沖突的情況（事件觸發幀沖突時采用沖突解決進度表）。