LIN總線(高級課件)(寡人豬八戒)

LIN總線

寡人豬八戒

LIN技術(shù)規(guī)范第一節(jié)簡介第二節(jié)基本概念第三節(jié)報文傳輸?shù)谒墓?jié)報文濾波及確認第五節(jié)錯誤和異常處理第六節(jié)故障界定第一節(jié)簡介LIN起源和發(fā)展1998的十月，在德國BadenBaden召開的汽車電子會議上LIN總線的設(shè)想首次被提出1999LIN聯(lián)盟成立（最初的成員有奧迪,寶馬,克萊斯勒,摩托羅拉,博世,大眾和沃爾沃）第一節(jié)簡介LIN是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN網(wǎng)絡(luò)將價格低廉的LIN收發(fā)器掛在普通串行口，再配以LIN驅(qū)動軟件就可以構(gòu)成LIN節(jié)點。LIN總線為單主節(jié)點/多從節(jié)點模式，從節(jié)點無須價格較高的石英或瓷片振蕩器，物理總線為低成本的單線。典型的LIN總線應用是汽車的聯(lián)合裝配單元控制，如車門、方向盤、座椅、空調(diào)、照明燈、溫度傳感器和交流發(fā)電機等。LIN總線是一種輔助的總線網(wǎng)絡(luò)，在不需要CAN總線的寬帶和多功能的場合，比如智能傳感器和制動裝置之間的通訊，使用LIN總線可大大節(jié)省成本。第一節(jié)簡介LIN通信的主要特性如下：（1）低成本，基于通用UART/SCI接口，幾乎所有單片機都具備LIN必須的硬件：（2）極少的信號線即可實現(xiàn)國際標準ISO9141規(guī)定；（3）傳輸速率最高可達20Kbps;（4）單主控制其/多從設(shè)備模式，無需仲裁機制；（5）從節(jié)點不需晶振或陶瓷振蕩器就能實現(xiàn)自同步，節(jié)省了從設(shè)備的硬件成本；（6）保證信號傳輸?shù)难舆t時間；（7）不需要改變LIN從節(jié)點的硬件和軟件就可以在網(wǎng)絡(luò)上增加節(jié)點。（8）通常一個LIN網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點數(shù)目小于16個，共有64個標志符。第一節(jié)簡介這種低成本的串行通訊式和相應的開發(fā)環(huán)境已經(jīng)由LIN協(xié)會制定成標準。制定LIN規(guī)范的目的是根據(jù)ISO/OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層實現(xiàn)任何兩個LIN設(shè)備的互相兼容。LIN的標準化將為汽車制造商以及供應商在研發(fā)、應用、操作系統(tǒng)中降低成本。LIN協(xié)議標準目前已經(jīng)歷了從LIN1.0到LIN2.2多個版本。LIN標準包括傳輸協(xié)議規(guī)范、傳輸媒體規(guī)范、開發(fā)工具接口規(guī)范和用于軟件編程的接口。LIN在硬件和軟件上保證了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的互操作性并有可預測EMC的功能。第一節(jié)簡介通過比較LIN1.3和LIN2.0規(guī)范包，我們可以看到兩個最重要的改變就是對配置和診斷的標準化支持，以及規(guī)定的節(jié)點能力文件。它們的目標都是簡化現(xiàn)有節(jié)點的使用。

其它重要的改變包括：LINAPI（LIN規(guī)范包的一部分）是所有用C語言編程的節(jié)點所必需的。增加了改進型校驗和（LIN2.0的校驗和還包括PID字節(jié)）。增加了節(jié)點配置命令。標準化和必備的LIN產(chǎn)品識別符（供應商ID/功能ID/版本ID）是配置的一部分。增加了診斷和診斷API。定義了新的幀和信號類型，從而可以使用零星的幀和字節(jié)陣列信號。增加了必需的響應錯誤(Response_error)從狀態(tài)監(jiān)控。將休眠(goto_sleep)和喚醒(wake_up)信號分離。規(guī)范中增加了自動比特率檢測。第一節(jié)簡介LIN規(guī)范包括了三個主要部分：LIN規(guī)范可以實現(xiàn)開發(fā)和設(shè)計工具之間的無縫連接并提高了開發(fā)的速度,增強網(wǎng)絡(luò)的可靠性。第一節(jié)簡介在右圖中，OSI參考模型的LIN分層結(jié)構(gòu)顯示如下：（1）物理層定義了信號如何在總線媒體上傳輸，本規(guī)范中定義了物理層的驅(qū)動器/接收器特性。（2）MAC（媒體訪問控制子層）是LIN協(xié)議的核心，它管理從LLC子層接收到的報文，也管理發(fā)送到LLC子層的報文，MAC子層由故障界定這個管理實體監(jiān)控。（3）LLC（邏輯鏈路控制子層）涉及報文濾波和恢復管理的功能。第二節(jié)基本概念1.報文在總線上發(fā)送的信息，有長度可選的固定格式。每個報文幀都包含2、4或8字節(jié)的數(shù)據(jù)以及3字節(jié)的控制、安全信息?？偩€的通訊由單個主機控制。每個報文幀都用一個分隔信號起始，接著是一個同步場和一個標識符場，這些都由主機任務(wù)發(fā)送。從機任務(wù)則是發(fā)回數(shù)據(jù)場和校驗場（見下圖）。通過主機控制單元中的從機任務(wù)，數(shù)據(jù)可以被主機控制單元發(fā)送到任何從機控制單元。相應的主機報文ID可以觸發(fā)從機-從機的通信。第二節(jié)基本概念2.信息路由LIN系統(tǒng)中，節(jié)點不使用有關(guān)系統(tǒng)配置的任何信息，除了單主機節(jié)點的命名。（1）系統(tǒng)的靈活性：不需要改變?nèi)魏纹渌麖臋C節(jié)點的軟件或硬件，就可以在LIN網(wǎng)絡(luò)中添加節(jié)點。（2）報文路由：報文的內(nèi)容由識別符命名。識別符不指出的目的地，但解釋數(shù)據(jù)的含義。最大的標識符數(shù)量是64，其中4個保留用于專用的通訊，譬如軟件升級或診斷。（3）多播：由于引入了報文濾波的概念，任何數(shù)目的節(jié)點都可以同時接收報文，病同時對此報文做出反應。第二節(jié)基本概念3.位速率最大的波特率是20Kb/s,它是由單線傳輸媒體的EMI限制決定。最小的波特率是1Kb/s,可以避免和實際設(shè)備的超時周期沖突。為使用低成本的LIN器件，建議使用下表中的位速率：4.單主機無仲裁只有包含主機任務(wù)的控制器節(jié)點可以傳輸報文頭，一個從機任務(wù)對這個報文頭做出響應，由于沒有仲裁過程，如果多于一個從機回應，則將產(chǎn)生錯誤。這種情況下的錯誤界定可由用戶按照應用要求指定。第二節(jié)基本概念5．安全性（1）錯誤檢測：①監(jiān)控，發(fā)送器比較總線“應當”的值和“現(xiàn)在”的值；②數(shù)據(jù)場的校驗和以256為模并取反，將MSB的進位加到LSB上；③標識符場的雙重奇偶校驗保護。（2）錯誤檢測的性能①發(fā)送器可以檢測到所有的本地錯誤；②對整個協(xié)議的錯誤有很高的錯誤檢出率。6.錯誤標定和恢復時間單主機的概念中不允許進行直接的錯誤標定。錯誤在本地被檢測到，并用診斷的形式請求。第二節(jié)基本概念7．故障界定LIN節(jié)點可以區(qū)分短時擾動和永久故障，它還能對故障做出合適的本地診斷和采取合適的行動。8.連接LIN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的最大數(shù)量不僅由標識符的數(shù)量限制，也由總線的物理特性限制。建議：LIN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)量不應超過16.否則，節(jié)點增加將減少網(wǎng)絡(luò)阻抗，會導致環(huán)境條件變差，禁止無錯誤的通訊。每一個增加的節(jié)點都可以減少網(wǎng)絡(luò)阻抗（約1~30kΩ）。網(wǎng)絡(luò)中總的“電”線（通訊導線）長度應少于或等于40m?？偩€端電阻典型值：主機節(jié)點是1kΩ，從機節(jié)點是30kΩ。第二節(jié)基本概念9.單通道總線有一個傳送位的單通道。從這里數(shù)據(jù)可以獲得數(shù)據(jù)的重新同步信息。10.物理層物理層是一條單線，每個節(jié)點通過上拉電阻線于總線，電源從汽車電源網(wǎng)獲得（VBAT），和上拉電阻串聯(lián)的二極管可以防止電子控制單元（ECU）在本地電池掉電的情況下通過總線上電，如下圖。信號的波形由EMI和時鐘同步的要求定義。11.總線值總線有兩個互補的邏輯值：“顯性”或“隱形”。第二節(jié)基本概念12.應答正確接收報文后的應答過程在LIN協(xié)議中沒有定義。主機控制單元檢查由主機任務(wù)初始化的報文和由它自己的從機任務(wù)接收的報文的一致性。如果不一致，主機任務(wù)可以改變報文的進度表。如果從機檢測到不一致，從機控制器將保持這個信息并將它用診斷信息的形式向主機控制單元請求。診斷信息可按普通報文幀的形式進行發(fā)送。13.命令幀和擴展幀4個8字節(jié)響應的標識符被保留用作特殊的報文幀：兩個命令幀和兩個擴展幀。兩個命令幀都包括8字節(jié)響應，可以用于從主機向從機節(jié)點（或相反）上載和下載數(shù)據(jù)。保留兩個擴展幀標識符，用于將用戶定義的報文格式和以后的LIN格式嵌入到現(xiàn)在的LIN協(xié)議中，而不需要改變當前的LIN規(guī)范。第二節(jié)基本概念14.睡眠模式/喚醒為了減少系統(tǒng)的功耗，LIN節(jié)點可以進入沒有任何內(nèi)部活動和被動總線驅(qū)動器的睡眠模式。睡眠模式時，總線呈隱性。任何總線活動或任何總線節(jié)點的內(nèi)部條件都將結(jié)束（喚醒）睡眠模式。一旦節(jié)點被內(nèi)部喚醒，基于喚醒符號的過程將給主機通報這一消息，喚醒幀是一個不變的顯性位序列。喚醒后內(nèi)部的活動將重新啟動，MAC子層將等待系統(tǒng)振蕩器穩(wěn)定。從機節(jié)點則在重新參與總線通訊前等待，直到（自己）和總線活動同步（等待顯性的同步間隔）。第二節(jié)基本概念15.時鐘恢復和SCI同步每個報文幀都由一個同步間隔起始，接著是同步場，這個同步場在幾倍的位定時長度中包含了5個下降沿。這個長度可以測量，而且可以用于計算從機節(jié)點內(nèi)部定時。同步間隔幀將使能丟失了同步的從機節(jié)點識別同步場。16.振蕩器容差位定時的要求允許在有容差的從機節(jié)點上使用預設(shè)定的在片振蕩器（參看下表）。主機節(jié)點的時鐘由石英或陶瓷諧振器發(fā)生，而且是“頻率中心點”。第三節(jié)報文傳輸一、報文幀報文傳輸是由報文幀的格式形成和控制。報文幀由主機任務(wù)向從機任務(wù)傳送同步和標識符信息，并將一個從機任務(wù)的信息傳送到所有其他從機任務(wù)。主機任務(wù)位于主機節(jié)點內(nèi)部，它負責報文的進度表、發(fā)送報文頭（HEADER）.從機任務(wù)位于所有的（即主機和從機）節(jié)點中，其中一個（主機節(jié)點或從機節(jié)點）發(fā)送報文的響應（RESPONSE）.第三節(jié)報文傳輸一個報文幀是由一個主機節(jié)點發(fā)送的報文頭和一個主機或從機節(jié)點發(fā)送的響應組成。報文幀的報文頭包括一個同步間隔場（SYNCHBREAKFIELD）、一個同步場（SYNCHFIELD和一個標識符場。報文幀的響應（RESPONSE）則由3個到9個字節(jié)場組成：2、4或8字節(jié)的數(shù)據(jù)場（DATAFIELD）和一個校驗和場（CHECKSUMFIELD）.字節(jié)場由字節(jié)間空間分隔，報文幀的報文頭和響應是由一個幀內(nèi)響應空間分隔。最小的字節(jié)間空間和幀內(nèi)響應空間是0.第三節(jié)報文傳輸1字節(jié)場（BYTEfileds）字節(jié)場的格式（如圖）就是通常的“SCI”或”“UART”串行(8N1編碼)。每個字節(jié)場的長度10個定時（BITTIME）.起始位（STARTBIT）是一個“顯性”位，它標志著字節(jié)場的開始。接著是8個數(shù)據(jù)位，首先發(fā)送最低位，停止位（STOPBIT）是一個“隱形”位，它標志著字節(jié)場的結(jié)束。2.報文頭場（HEADERFILELDS）(1)同步間隔（SYNCHRONISATIONBREAK）.為了能清楚楚識別報文幀的開始，報文幀的第一個是一個同步間隔（Synchbreak）.同步間隔場是由主機任務(wù)發(fā)送。它使所有的從機任務(wù)與總線時鐘信號同步。第三節(jié)報文傳輸同步間隔場有兩個不同的部分（如圖）。第一個部分是由一個持續(xù)TSYNBRK或更長時間（即最小是TSYNBRK，不需要很嚴格）的顯性總線電平。接著的第二部分是最少持續(xù)TSYNDEL時間的隱性電平作為同步界定符。第二個場允許用來檢測下一個同步場（SYNCHFIELD）的起始位。最大的間隔和界定符時間沒有精確的定義，但必須符合整個報文頭THEAD_MAX的總體時間預算。同步間隔場（SYNCHBREAKFIELD）的位定時規(guī)范以及從機控制單元對此的估計值是考慮LIN網(wǎng)絡(luò)中允許的時鐘容差而得出的結(jié)果。第三節(jié)報文傳輸如果顯性電平持續(xù)的時間比在協(xié)議中定義的普通顯性位序列（這里是0x00場有9個顯性位）還要長，此時認為這是一個同步間隔場（SYNCHBREAKFIELD）.如果這個間隔超出了用從機位定時測量的間隔TSBRKTS,則從機節(jié)點將檢測到一個間隔（見表）。這個“閥值”是由從機節(jié)點的最大本地時鐘頻率得楚。基于精確的本地時基，閥值TSBRKTS被指定了兩個值。同步間隔場（SYNCHBREAKFIELD）的顯性電平長度至少為TSYNBRK(可以更長)，這個時間是用主機位定時來測量。最小值應根據(jù)連接從機節(jié)點指定的最小本地時鐘頻率所要求的閥值而得出。第三節(jié)報文傳輸（2）同步場（SYNCHFIELD）.同步場包含了時鐘的同步信息，同步場的格式是“0x55”,表現(xiàn)在8個位定時中有5個下降沿（即“隱形”跳變到“顯性”的邊沿）（見左下圖）。（3）標識符場（IDENTIFIERFIELD）.標識符場定義了報文的內(nèi)容和長度。其中，內(nèi)容是由6個標識符位和兩個ID奇偶校驗位（IDPARITYbit）表示，如圖下右。第三節(jié)報文傳輸3.響應場（RESPONSEFIELD）根據(jù)應用，如果信息和控制單元無關(guān)，則報文的響應場（數(shù)據(jù)、校驗和）可以不需要處理，如不知道或錯誤的標識符。在這種情況下，校驗和的計算可以忽略。（1）數(shù)據(jù)場（DATAFIELD）.數(shù)據(jù)場通過報文幀傳輸，由多個8位數(shù)據(jù)的字節(jié)場組成。傳輸由LSB開始。（2）校驗和場（CHECKSUMFIELD）.校驗和場是數(shù)據(jù)場所有字節(jié)的和的反碼，如圖下所示。校驗和按“帶進位加”(ADDC)方式計算，每個進位都被加到本次結(jié)果的最低位（LSB）.這就保證了數(shù)據(jù)字節(jié)的可靠性。所有數(shù)據(jù)字節(jié)的和的補碼與校驗和字節(jié)和必須是“0xFF”.第三節(jié)報文傳輸二、保留的標識符1、命令幀標識符（Commandframeindentifier）保留的兩個命令幀標識符用于主機向所有總線成元服務(wù)廣播普通命令請求。它的幀結(jié)構(gòu)和普通的8位報文幀（見圖）相同，只由保留的標識符來區(qū)別?！?x3C”ID場=0x3C;ID0,1,6,7=0;ID2,3,4,5=1是一個主機請求幀，和“0x3D”ID場=0x7D;ID1,7=0;ID0,2,3,4,5,6=1是一個從機響幀。第三節(jié)報文傳輸2.睡眠模式命令睡眠模式命令用于將睡眠模式廣播到所有的總線節(jié)點。在完成這個報文后，一直到總線上出現(xiàn)喚醒信號結(jié)束睡眠模式前，將沒有總線活動。睡眠模式命令是第一個數(shù)據(jù)字節(jié)0x00的下載命令。3.擴展幀標識符保留的兩個擴展幀標識符允許在不改變現(xiàn)有LIN規(guī)范的情況下，在LIN協(xié)議中嵌入用戶定義的報文格式或以后的LIN格式。這就保證了LIN從機可以向上兼容以后的LIN協(xié)議修訂辦。第三節(jié)報文傳輸三、報文幀的長度和總線睡眠檢測報文幀用一個同步間隔場作為起始，用校驗和場作為結(jié)束。報文幀中的字節(jié)場用字節(jié)間空間和幀內(nèi)響應空間分隔。字節(jié)間空間和幀內(nèi)響應空間的長度沒有定義，只限制了整個報文幀的長度。最小的幀長度TFRAME_MIN是傳輸一個幀所需要的最小時間（字節(jié)間空間和幀間響應空間是0）。最大的幀長度TFRAME_MAX是允許傳輸一個幀的最大時間。它們由數(shù)據(jù)場字節(jié)NDATA的數(shù)量決定，并不包括系統(tǒng)固有的（如物理上）信號延時。如果從機檢測到總線在TTIME_OUT中沒有活動，它會假設(shè)總線處于睡眠模式。第三節(jié)報文傳輸四、喚醒信號總線的睡眠模式可以通過任何節(jié)點發(fā)生一個喚醒信號來中。喚醒信號可以通過任何從機任務(wù)發(fā)送，但只有總線以前處于睡眠模式且節(jié)點內(nèi)部請求被掛起時才有效。喚醒信號是字符“0x80”.當從機不和主機節(jié)點同步時，信號可以比精確的時鐘源信號拉長15%或縮短15%。主機可以檢測到字符“0x80”,并作為一個有效的數(shù)據(jù)字節(jié)，“0Xc0”、“0x80”或0x00”都可以。第一個場由TWUSIG的顯性位序列給出，即8個顯性位（包括起始位）。接著的第二個場是持續(xù)了至少TWUDEL的隱性喚醒界定符，即至少4個位定時（包括停止位和一個隱性暫停位）如圖所示。第三節(jié)報文傳輸在喚醒信號發(fā)送到總線上后，所有的節(jié)點都運行啟動過程，并等待主機任務(wù)發(fā)送一個同步間隔和同步場。如果在喚醒信號超時（TIME-OUTAFTERWAKEUPSIGNAL）時間內(nèi)沒有檢測到同步場，請求第一個喚醒信號的節(jié)點將再一次發(fā)送一個新的喚醒信號，但這種情況將不超過3次，然后喚醒信號的傳輸將被3個間隔超市(TIMEOUTAFTERTHREEBREAKS)掛起，見下表。只有內(nèi)部喚醒請求掛起的節(jié)點才允許重新發(fā)送喚醒信號，在3個間隔超時后再重新發(fā)送3個喚醒信號，此后就可以決定是否要停止重新發(fā)送。如果沒有其他的節(jié)點，位定時Tbit

參照主機節(jié)點的SCI波特率。第四節(jié)報文濾波及確認一、報文濾波報文濾波是基于整個標識符。必須通過網(wǎng)絡(luò)配置來確認：每一個從機任務(wù)對應一個傳送標識符。二、報文確認

如果直到幀的結(jié)尾都沒有檢測到錯誤，這個報文對發(fā)送器和接收器都有效。如果報文發(fā)生錯誤，則主機和從機任務(wù)都認為報文沒有發(fā)送。注意：主機和從機任務(wù)在發(fā)送和接收到一個錯誤報文時所采取的行動并沒有在協(xié)議規(guī)范中定義。像主機重新發(fā)送或從機的后退操作都由應用的要求來決定，而且要在應用層中說明。在總線上傳送的事件信息也可能丟失，而且這個丟失不能被檢測到。第五節(jié)錯誤和異常處理一、錯誤檢測這里共定義了5個不同的報文錯誤類型。1.位錯誤向總線發(fā)送一個位的單元同時也在監(jiān)控總線。當監(jiān)控到的位的值和發(fā)送的位的值不同時，則在這個位定時檢測到一個位錯誤。2.校驗和錯誤所有數(shù)據(jù)字節(jié)的和的補碼與校驗和字節(jié)之和不是“0xFF”時，則檢測到一個校驗和錯誤。第五節(jié)錯誤和異常處理3.標識符奇偶錯誤標識符的奇偶錯誤（即錯誤的標識符）不會被標出。通常，LIN從機節(jié)點不能區(qū)分一個未知但有效的標識符和一個錯誤的標識符。然而，所有的從機節(jié)點都能區(qū)分ID