汽車網(wǎng)絡(luò)LIN總線協(xié)議分析

LIN協(xié)議適用于汽車內(nèi)進(jìn)行低成本、短距離、低速網(wǎng)絡(luò)通信，其用途是傳輸開關(guān)設(shè)置狀態(tài)以及對開關(guān)變化響應(yīng)。本文詳細(xì)分析了LIN總線協(xié)議的特性、消息協(xié)議的組成、檢錯機(jī)制等，并介紹如何基于PICmicro器件來實(shí)現(xiàn)LIN總線從節(jié)點(diǎn)。

LIN協(xié)議是由歐洲車輛制造商協(xié)會開發(fā)用來進(jìn)行低成本、短距離、低速網(wǎng)絡(luò)通信，其用途是傳輸開關(guān)設(shè)置狀態(tài)以及對開關(guān)變化響應(yīng)，因此通信事件是在百毫秒以上時間內(nèi)發(fā)生，而不像引擎管理等其它速度快得多的汽車應(yīng)用。此協(xié)議支持在單根線上進(jìn)行雙向通信，使用由RC振蕩器驅(qū)動的低成本微控制器，這樣可以省去晶振或陶瓷振蕩器的成本。另外，此協(xié)議實(shí)際上是以時間和軟件上的代價換取硬件上成本的節(jié)約。LIN協(xié)議的每一條消息都包含自動波特率步進(jìn)的數(shù)據(jù)，最高可以支持波特率為20k，同時低功耗睡眠模式可以關(guān)斷總線，以避免產(chǎn)生不必要的功耗。總線可以由任意一個節(jié)點(diǎn)提供電源。

LIN總線特性

LIN總線融合了I2C和RS232的特性：像I2C總線那樣，LIN總線通過一個電阻上拉到高電平，而每一個節(jié)點(diǎn)又都可以通過集電極開路驅(qū)動器將總線拉低；像RS232那樣通過起始位和停止位標(biāo)識出每一個字節(jié)，每一位在時鐘上異步傳輸。

圖1給出了典型的LIN協(xié)議配置。當(dāng)任意一個節(jié)點(diǎn)將總線拉低時，總線處于低電平，標(biāo)識著總線進(jìn)入占用狀態(tài)；而當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都使總線浮空時總線處于電池的電壓(9-18V)，則意味著總線處于非占用狀態(tài)(Recessive state)；在空閑狀態(tài)下浮空的總線通過電阻被上拉到高電平。

總線工作在9到18伏的電壓下，但所有連接到總線上的器件必須能承受40V的電壓。一般情況下，微控制器通過線路驅(qū)動器或接收器與總線隔離?？偩€在每一個節(jié)點(diǎn)上被端接到Vbat，主節(jié)點(diǎn)通過一個1kΩ的電阻端接而從節(jié)點(diǎn)則通過一個20kΩ到47kΩ的電阻端接。總線最大長度為40米。

總線上傳輸?shù)拿恳粋€字節(jié)都是與起始位和停止位一起組成幀。起始位的狀態(tài)與空閑狀態(tài)相反(即為0)，而停止位則與空閑狀態(tài)同為1。在每個字節(jié)中，首先傳輸?shù)氖亲畹陀行弧?/p>

消息協(xié)議

主節(jié)點(diǎn)控制總線的方式是輪詢各個從節(jié)點(diǎn)并與總線上其余部分共享從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。從節(jié)點(diǎn)僅在接到主節(jié)點(diǎn)的命令時才進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這樣就可以進(jìn)行雙向傳輸并且無需進(jìn)一步的仲裁。消息傳輸是以主節(jié)點(diǎn)發(fā)出一次同步中斷開始，緊接著是消息的同步字段和消息字段。通過在每條消息的起始處傳送的同步字段還設(shè)定了整個總線的時鐘，每個從節(jié)點(diǎn)用該字節(jié)來調(diào)整其波特率。

同步中斷使總線進(jìn)入占用狀態(tài)，該狀態(tài)保持時間為13位數(shù)據(jù)的傳輸時間，緊接著是一個停止位(非占用狀態(tài))，這告知從節(jié)點(diǎn)即將有消息傳輸。主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)的時鐘漂移最大允許在15%，因此從節(jié)點(diǎn)接收的同步中斷可能只有11位或長達(dá)15位數(shù)據(jù)位的傳輸時間。

每一條消息的第二個字節(jié)是標(biāo)示字節(jié)，用來告知總線在該字節(jié)后面?zhèn)鬏數(shù)氖鞘裁磾?shù)據(jù)和哪一個節(jié)點(diǎn)應(yīng)該應(yīng)答，以及應(yīng)答的長度(標(biāo)示字段如圖2所示)。一條命令僅會有一個從節(jié)點(diǎn)對其進(jìn)行響應(yīng)，從節(jié)點(diǎn)僅在主節(jié)點(diǎn)的指示下才發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)只要出現(xiàn)在總線上，每一個節(jié)點(diǎn)都可以接收到。因此，無須主節(jié)點(diǎn)專門控制從節(jié)點(diǎn)之間的通信。

由于設(shè)計中采用廉價的RC振蕩器，從節(jié)點(diǎn)必須在每一次傳輸時檢測主節(jié)點(diǎn)的波特率并調(diào)整其自身當(dāng)前的波特率。因此，每一次通信都由一個由交替的“0”和“1”組成的同步字節(jié)開始。標(biāo)識字段緊跟在同步字段的后面，它告知總線后面?zhèn)鬏數(shù)膬?nèi)容是什么。標(biāo)識字段又分為三個子字段，最低4位(0-3位)是尋址總線上的器件，中間兩位(4-5位)是后面?zhèn)鬏數(shù)南⒌拈L度，最高兩位(6-7)用作奇偶校驗(yàn)位。

除了睡眠命令，LIN協(xié)議并沒有定義每一條消息的內(nèi)容。其它命令是由具體應(yīng)用來定義的。

檢錯機(jī)制

下面描述的錯誤必須被檢測出，并且在每個節(jié)點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行計數(shù)。

位錯誤-傳輸節(jié)點(diǎn)必須將它認(rèn)為應(yīng)該傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位與總線上實(shí)際出現(xiàn)的數(shù)據(jù)位進(jìn)行比較。由于總線需要響應(yīng)時間，控制器必須在檢測數(shù)據(jù)位之前等待足夠長的時間。假設(shè)最小的電壓翻轉(zhuǎn)速率為1V/μs，而總線最高電壓為18V，則發(fā)送器必須等待18μs才能檢測總線上的數(shù)據(jù)位是否正確。

校驗(yàn)和錯誤-每一條消息的內(nèi)容都是由校驗(yàn)和字節(jié)進(jìn)行保護(hù)。

奇偶校驗(yàn)錯-命令字節(jié)的6個數(shù)據(jù)位由兩個奇偶校驗(yàn)位進(jìn)行保護(hù)，需要重新進(jìn)行計算這些位并比較。如果錯誤出現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)忽略當(dāng)前命令并且記錄下錯誤。LIN協(xié)議中沒有直接的錯誤報告機(jī)制，但每一個從節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)跟蹤其自身的錯誤，主節(jié)點(diǎn)可以要求從節(jié)點(diǎn)將錯誤狀態(tài)作為正常消息協(xié)議的一部分來傳輸。

LIN總線與CAN總線

LIN協(xié)議并不直接與CAN總線兼容，但人們期望兩者進(jìn)行相互操作。CAN總線可能用在整個汽車內(nèi)來實(shí)現(xiàn)通信，而LIN總線僅用在汽車的局部電路內(nèi)，如車門。為了連接兩種總線，需要采用CAN-LIN協(xié)議接口節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)從LIN總線節(jié)點(diǎn)收集信息然后傳送到CAN總線上。

低功耗睡眠模式

主節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送標(biāo)識碼0x80指示所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠模式，睡眠命令后面跟隨的數(shù)據(jù)字節(jié)的內(nèi)容沒有定義。收到睡眠命令的從節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)對本身進(jìn)行設(shè)置，以便當(dāng)總線發(fā)生改變時能喚醒，并關(guān)閉自身的電壓以使電流消耗最低。當(dāng)處于睡眠模式時總線將處于高電平并且不消耗電流。

任意一個節(jié)點(diǎn)都可以通過發(fā)送喚醒信號來喚醒總線。當(dāng)收到喚醒信號后，一般情況下所有的節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)激活并等待主節(jié)點(diǎn)開始總線輪詢。

硬件示例

圖3給出了有兩個按鈕和三個LED組成的硬件示例。每按動十下按鈕1 LED1改變一次狀態(tài)。同樣，每按動十下按鈕2，LED2改變一次狀態(tài)。作為標(biāo)識為ID1的響應(yīng)，按鈕的按動次數(shù)被傳送到總線上。作為標(biāo)識為ID4的響應(yīng)，按鈕的按動次數(shù)的刷新被傳送到總線上。

軟件操作

LIN協(xié)議程序工作在由RB0觸發(fā)的中斷下以實(shí)現(xiàn)總線的睡眠/喚醒。在觸發(fā)中斷時，程序?qū)Φ碗娖綌?shù)據(jù)位的長度進(jìn)行計數(shù)，然后讀同步字節(jié)并確定數(shù)據(jù)位時間，最后再將其與最初的數(shù)據(jù)位時間進(jìn)行比較，以確定最初的低電平時間是否大于10個數(shù)據(jù)位的時間，大于10為同步中斷，小于10為喚醒信號。如果是喚醒信號，程序退出并繼續(xù)等待同步中斷；如果是同步中斷，程序就讀取命令字節(jié)，檢查奇偶位并檢查動作表(action table)來確定接下來的動作。動作表定義了總線上數(shù)據(jù)的來源或目的地。

為了初始化LIN協(xié)議的從節(jié)點(diǎn)句柄(Slavehandler)，用戶必須調(diào)用InitLinSlave程序，這個程序初始化RB0中斷引腳和TMR0寄存器。TMR0寄存器用來測量數(shù)據(jù)位的長度并生成波特率。初始化完成之后，用戶可以執(zhí)行自己的程序。一旦檢測到RB0引腳上的下降沿，用戶程序就將被中斷。當(dāng)檢測到下降沿時，程序就跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序。必須禁止除了TMR0和RB0中斷之外所有的中斷源，以便對同步字段進(jìn)行精確測量。計算出波特率之后，中斷服務(wù)程序就退出執(zhí)行。

在下一次RB0中斷發(fā)生時，LIN協(xié)議Slavehandler自動進(jìn)入接收模式，以接收標(biāo)識字段或數(shù)據(jù)字節(jié)。如果檢測到標(biāo)識字段的起始位，就對標(biāo)識字段進(jìn)行接收和解碼。然后，根據(jù)收到的標(biāo)識執(zhí)行相應(yīng)的代碼，例如存儲數(shù)據(jù)或點(diǎn)亮LED?？偩€上一個幀傳輸完成之后，標(biāo)志FCOMPLETE被置位。這個標(biāo)志指示所有的數(shù)據(jù)都已正確接收完畢并可以進(jìn)行后續(xù)的處理。此標(biāo)志由用戶固件清除。

LIN協(xié)議從節(jié)點(diǎn)句柄Slavehandler最高可以工作在20K的波特率下，需要420字的程序存儲空間以及23字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲空間。

由于其低成本，LIN協(xié)議具有在汽車應(yīng)用中廣泛采用的潛力?？梢允褂脙?nèi)置的RC振蕩器并且運(yùn)行在4MHz的時鐘頻率下的諸如Microchip的各種器件的微處理器，使得設(shè)計師們能以最低的可能成本設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)