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一文梳理LIN协议与应用

创作时间:

作者:

@小白创作中心

一文梳理LIN协议与应用

引用

CSDN

https://m.blog.csdn.net/brillian_green/article/details/136300380

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，主要用于嵌入式开发领域的通信，如汽车、家电、工业自动化等。在车载领域，LIN通常作为CAN网络的一个子网络存在。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。

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总线使用一根线作为介质，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（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

配置
识别
信号处理
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：当前信息持有者把发数据发到总线上后，接收方如何判断自己是否要处理此数据？

这个问题翻译一下：数据发到总线上，就是主机节点发送了一个帧头，其中包含了一个PID，PID是此帧的标识。从机节点需要判断此PID我是否关心、是否需要处理，也就是需要一个从机节点与要处理的PID的对应关系。

简单来说，配置就是建立从机节点与要处理的帧（PID）的对应关系。

配置功能总体说明图：

对于一个物理从机节点来说，其中有一个从机任务（软件层面），一个接口（硬件层面）。
收到总线上的帧头（PID）后由逻辑节点来进行处理，一个节点中可以有多个逻辑节点。
逻辑节点由NAD进行标识。
一个逻辑节点(NAD)可以配置多个PID
一个PID—>NAD配对，叫一个配置项
网络运行时，一个逻辑节点中只有一个配置项生效。也就是，运行时一个NAD只能处理一个PID的帧。

配置就是配置：NAD与PID的对应关系。

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），也就是业务分角色承担。

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：

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。
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。