LIN

LIN（Local Interconnect Network的简称，中译是），是应用在汽车内零组件之间通信的串列网络传输协议。由于汽车上的技术及设备渐渐增加，需要低价的串列网络，而控制器局域网路（CAN）的成本太高，无法在车上的每一个设备中都装设。欧洲汽车制造商开始使用不同的串列通信技术，因此出现彼此无法兼容的问题。

在1990年代末期，由BMW、大众集团、奥迪、富豪汽车及梅赛德斯-奔驰这五家车厂开始了LIN Consortium，也有从Volcano汽车集团及摩托罗拉而来的软件及硬件协助。第一个完全实现的新LIN协定（LIN version 1.3）是在2002年11月发布。在2003年9月发布了2.0版，增加了额外的诊断功能。若是配合特制的LIN over DC power line（DC-LIN）收发器，LIN也可以用在汽车车池的电力线通信。

  • LIN over DC power line（DC-LIN）的相关标准是ISO/AWI 17987-8[1]。
  • ISO技术管理委员会（ISO Technical Management Board，ISO TMB）已指定CAN in Automation为依照ISO 17987的LIN供应商ID的注册机构。

网络拓朴

LIN是广播串行网络，其中包括16个设备（一台主站，15台从站）[2][3][4][5]

所有的消息都是由主站开始，最多会有一台从站回复有特定识别码的消息。主站节点也可能当作一个从站，回应自己发出的消息。

因为所有的通信都是由主站开始，不需要有碰撞侦测的方案[6]。

主站和从站一般都是用单片机实现，不过为了节省成本、空间或是电源，也可以用特殊的硬件或是特殊应用集成电路来实现。

目前的应用会结合低价的LIN网络及小型传感器来建构小型网络。这些子系统之间可以用骨干网络连接（在汽车中可能是CAN）[7]。

简介

LIN是低成本的串列通信协定，可以有效支持车内网络的远程应用。

LIN特别适用在分散在汽车不同位置的机械式节点，也适用于工业应用。

LIN设计时是和CAN网络互补，组成车内的阶层式网络。

LIN Consortium是在1990代末期组成的，组成成员是五家欧洲车厂，以及明导国际（以前的Volcano车辆集团）及飞思卡尔（之前的摩托罗拉，现在已并入恩智浦半导体）。

新的LIN规范中，第一个完全实现的版本是在2002年11月发布的LIN 1.3版。在2003年9月提出了2.0版，扩充了组态能力，以及额外的诊断机能以及工具接口。


协定的主要特点如下：

  • 单一主站，最多16个从站（没有总线仲裁的过程）。这是LIN Consortium强调的特点，以达到确定性的时间反应[8]。
    • 从站节点位置侦测（Slave Node Position Detection、SNPD），可以在送电后才指定节点的地址[9]。
  • 单线通信，在长度40公尺时，可以到19.2 kbit/s[8][10]。在LIN规范2.2中[9]，速率最高可到20 kbit/s。
  • 可确保的延迟时间。
  • 可变长度的数据页框（2, 4及8字节）。
  • 可变动的组态。
  • 多播接收的时间同步。设备电路的时脉不需非常准确。不需要晶振（crystal）或是陶瓷振荡器。
  • 数据检查码以及错误检测。.
  • 可以检测故障的节点。
  • 以标准UART/SCI（串列通信接口）为基础的电路，低成本的方案。
  • 可以创建阶层式的网络
  • 工作电压为12 V[8]。

数据是通过可变长度，固定格式的消息来在网络上传播。

主站会送出标头（header）数据，其中包括同步间隔（Synchronization break）信号，之后是同步字段以及识别符（ID）字段。从站回应数据页框（frame），其中包括2个、4个或8个字节的数据，再加上3个字节的控制信息[9]。

LIN消息页框

消息包括以下的字段[9]：

  • 同步间隔（Synchronization break）
  • 同步字节
  • 识别符（ID）字节
  • 数据字节
  • 检查码字节

页框种类
  1. 无条件页框（Unconditional frame）：识别符会在0到59(0x3b)之内。
    会带有信号，所有无条件页框的收听节点都要接收此页框，若没有错误的话，其应用程序需处理对应的内容。
  2. 事件驱动页框（Event-triggered frame）：
    其目的是增加LIN节点的反应能力，不需要为了偶尔出现的信号而用轮询的方式向各节点确认，消耗网络的带宽。
    无条件页框的第一个字节需和某个事件驱动页框的保护识别符(PID[11])相同。
    从站只有在其数值变化时才需要回应对应的无条件页框。若没有节点回应，该页框的剩余时间没有信号，会忽略该标头数据。
    若不止一个节点回复，此页框时间会出现数据碰撞，主站需处理碰撞的情形，在下一次提出事件驱动页框前需要先请求所有相关的无条件页框。
  3. 偶发页框（Sporadic frame）：
    此页框是在主站有需要时，由主站发出，因此不会有碰撞。
    只有在主站知道某页框的数据有变化时，才会在对应的页框时间区间内送出偶发页框的标头。
    偶发页框的发送者需要回应标头的数据。
  4. 诊断页框（Diagnostic frame）：识别符是60(0x3c)（主站请求页框）或61(0x3d)（从站回应页框）。
    其中包括诊断或是组态的信息，长度8字节。
    主站在产生诊断页框的标头之前，需要先问诊断模块是否应送诊断数据，以及网络上是否应有信息。
    从站也会接收这些数据，依照其诊断模块的消息回应信息，
  5. 自定页框（User-defined frame）：识别符是62(0x3e)。
    可以包括任何信息。当处理了指定给该页框的页框时间区间时，会送出指定页框的标头。
  6. 保留页框（Reserved frame）：其识别符是63(0x3f)。
    LIN 2.0 cluster不会使用。

LIN硬件

LIN规范就是为了设计在网络中很低价的硬件节点所开发。LIN设备是以ISO 9191为基础的低成本、单线网络[12]。

以现今的汽车网架构来看，会使用有UART能力，或是有专门LIN硬件的单片机。

单片机会产生通信协定、同比特等LIN通信需要的所有数据，通过LIN收发器（可能只是电压转换，再加上一些机能）

LIN的从站节点越便宜越好，因此其时脉可能不是用石英晶体谐振器或陶瓷谐振器，而是用RC振荡器产生时脉。为了确保LIN页框内波特率的稳定性，页框中会有SYNC（同步）的字段。

LIN通信协定

LIN主站会依照一个或是几个事先定义的调度表，在LIN网络上开始发送或是接收消息。调度表中至少会包括各消息开始发送的相对时序。 LIN页面由两部份组成：标头（header）及回应（response）。标头是由LIN主站送出，回应可能由特定的LIN从站送出，或是由LIN主站本身送出。

LIN是用串列的方式发送数据，一个字节中有八个比特，一个起始比特，一个结束比特，无同比特检查（break字段没有起始比特及停止比特)。比特率的范围最慢到1 kbit/s，最快到20 kbit/s。 在网络上的数据可以分为隐性(recessive，逻辑上的高准位)及显性(dominant，逻辑上的低准位) 其时间基础是由LIN主站的稳定时脉来源来决定，最小的单位是1比特时间（52 µs @ 19.2 kbit/s）。

LIN协定上,有列出两种网络上的状态：睡眠状态及活跃状态。在LIN网络上有数据时,所有的LIN节点都进入活跃状态。在一定时间的逾时时间后，节点会进入睡眠状态，若有唤醒页框(WAKEUP frame)时才会回到活跃状态。 唤醒页框可以由网络上任何一个节点发起，可以是LIN主站依照其内部时程发起。也可以是LIN从站由其固件所产生。 在所有节点都活跃之后，主站会继续下一个识别符的调度。

标头 (Header)

包括五部份：

间隔（BREAK）
间隔字段会活化所有的LIN从站，预备接收后续标头的内容。其字段包括一个启始比特以及数个显性比特，长度至少是11个比特时间，目前使用的标准，其长度是13个比特时间，和基本的数据格式不同。间隔字段是在主时脉可以和各LIN节点时脉不同时（但差异在一定范围内时），确保所有接收的LIN节点可以侦测到表示开始通信的间隔字段，这不是标准的数据格式，其数值均为0。
同步（SYNC）
同步字段是标准的数据格式字节，数值是十六进制的0x55（高比特及低比特轮流变化） 。使用RC振荡器的LIN从站可以用一定数量上升缘及下降缘的时间差，计算网站上的比特时间（主站的time normal），并且重新计算内部的比特率。
字节间隔（INTER BYTE SPACE）
字节间隔是用来调整网络上的 jitter，是LIN规范中可选择的项目。若启动的话，所有LIN模块都要支持此一机能。字节间隔出现在间隔字段和同步字段之间、同步字段和识别符字段之间、同步字段和识别符字段之间、酬载（不考虑通信协定，实际要传输的数据）字段和检查码字段之间。在酬载字段的每一个字节之间也要有字节间隔。
识别符（IDENTIFIER）
识别符定义一个到多个LIN从站节点要进行的动作。网络设计者需在设计阶段实现故障树的机能。
  • 识别符再加上二比特的检查比特，即为 受保护的识别符（PID[11]）。
回应间隔（RESPONSE SPACE）
是识别符字段和LIN回应消息中第一个字节之间的间隔时间。当特定的LIN页框(标头及回应)由LIN主站发送完毕，LIN主站会用完整的回应间隔间来计算何时要再送出回应数据。若回应是由另外一个LIN从站送出，主站及从站点会在其逾时时间的计算上，各自处理50%的回应间隔。


  • 若识别符（IDENTIFIER）让一个LIN从站(Slave Node)发送回应消息，此识别符称为Rx识别符。若识别符让LIN从站送出任务消息，此识别符称为Tx识别符。
  • 在一个页框时间内，只允许一个从站发送回复数据。
  • 标头（header）必定由Master Node 发起。

回应

回应是由LIN从站任务产生（可能是从站，也可能是主站的从站任务）[13]，分为数据及校验和[9]。

数据
回应的从站可以送零个到八个字节到网络上，数据数量由应用编程者决定，对应LIN从站应用程序中相关的数据。
检查码（CHECKSUM）
LIN有二种检查码模式：一种检查码只包括数据字段（V1.3 之前的规范），又名classic checksum；另一种也包括识别符（V2.0之后的规范)，又名enhanced checksum[14]。由应用程序的设计者事先定义要用的检查码模式。
  • 诊断消息(ID=0x3C & 3D)使用classic checksum
  • 回应 Tx识别符的 又称为 Publisher 或 Sender，发布者，发送端，寄件者。
  • 回应 Rx识别符的 又称为 Subscriber 或 Receiver，订阅者，接收端，收件者。


从站节点位置侦测试（SNPD）或自动寻址

从站节点位置侦测试（Slave node position detection, SNPD）或自动寻址（autoaddressing）的技术可以侦测LIN网络上各从站节点的位置顺序，并给予节点不重复的节点地址（unique node address、NAD）[15]，好处是可以让同一类或是类似的设备可以直接连接到网络，不需要另外修改程序

限制：

  • 所有需要自动寻址的从站，需要在同一条网络在线（若是不需要自动寻址的标准从站，接线就不受限制）。
SNPD方法 SNPD方法ID 公司
外部接线菊花链（Extra wire daisy chain） 0x01 恩智浦半导体（以前的菲利浦）
总线分流法（Bus shunt method） 0x02 Elmos Semiconductor
保留 0x03 还不确定
保留 0x04 还不确定
保留 0xFF 还不确定

外部接线菊花链

外部接线菊花链（Extra wire daisy chain，XWDC）的方案中，每一个从站设备需要多提供一个输入脚D1，以及一个输出脚D2。

  • 第一个SNPD节点的输入脚D1接到GND，或是接到主站的输出脚。
  • 第一个SNPD节点的输出脚D2，接到第二个SNPD节点的输入脚D1，以及类推。

每一个组态脚Dx（x=1-2）有以下额外的机能来进行位置侦测：

  1. 可以切换的上拉电阻，电阻另一端连接Vbat
  2. 下拉到GND
  3. 有比较器，电压准位是Vbat/2

总线分流法

总线分流法（Bus shunt method，BSM）的从站设备中，有二个LIN节点

  1. bus_in
  2. bus_out

每一个节点需增加以下电路，进行位置侦测的机能。

  1. 可以切换的上拉电阻。
  2. 可以切换的，从Vbat提供的2 mA电流源。
  3. 分流电阻
  4. 差动放大器
  5. 模拟—数字转换器

在EP 1490772 B1及US 7091876的专利中，有提到BSM的自动寻址技术。

LIN的优点
  • 方便使用
  • 组件容易取得
  • 比CAN或其他的通信网络要便宜
  • 减少线束
  • 可以让车辆更可靠
  • 网络延伸很容易
  • 不需通信协定的权利金

LIN的目的不是为了完全取代CAN网络。不过若价格是主要考量，较没有速度及带宽上的需求时，LIN是很适合的替代方案。一般来说，LIN会用在车辆中对性能或安全性较不要求的子系统，以下是一些例子。

应用
应用场合LIN应用的例子
车顶传感器、光传感器、光线控制、天窗
方向盘巡航控制、刮水器、方向灯、温湿度控制、收音机，方向盘锁
座椅座椅调整马达、乘员传感器、控制面板
引擎传感器、小马达、冷却风扇马达
温湿度小型马达、控制面板
门后视镜、中控ECU、后视镜开关、车窗升降器、座椅控制开关、门锁
照明 窗台板的RGB LED照明

地址

LIN网络中的地址是通过NAD（Node ADdress、节点地址）来实现，NAD是PID（protected identifier、受保护识别码[11]）的一部份。NAD的值有7比特，其范围从1到127 (0x7F)

开发工具

在开发LIN网络或是调试时，硬件信号的检查格外的重要。逻辑分析仪及通信分析仪可以搜集、分析、解码通信信号并加以保存，方便开发及调试使用。

相关条目
  • 网络串列协定列表
  • SAE J3068（LIN-CP）

参考数据
  1. "ISO/AWI 17987-8" （页面存档备份，存于）
  2. Mary Tamar Tan, Brian Bailey, Han Lin. "Microchip AN2059: LIN Basics and Implementation of the MCC LIN Stack Library on 8-Bit PIC Microcontrollers" （页面存档备份，存于）.
  3. "ATAN0049: Two-wire LIN Networking" （页面存档备份，存于）.
  4. Steve Winder. "Power Supplies for LED Driving" （页面存档备份，存于）. p. 284
  5. "The LIN Short Story" （页面存档备份，存于）.
  6. . LIN Overview. LIN Administration. [28 October 2011]. （原始内容存档于2011-10-05）.
  7. . LIN Overview. LIN Administration. [28 October 2011]. （原始内容存档于2011-10-05）.
  8. . [2009-01-14]. （原始内容存档于2012-04-14）. 090114 cvel.clemson.edu
  9. . [2020-04-22]. （原始内容存档于2008-04-26）.
  10. . [2020-04-22]. （原始内容存档于2021-01-05）. 090114 interfacebus.com
  11. . [2023-12-06]. （原始内容存档于2021-04-17）.
  12. . [2020-04-22]. （原始内容存档于2011-07-19）.
  13. . [2023-12-06]. （原始内容存档于2021-09-25）.
  14. . [2023-12-06]. （原始内容存档于2021-04-17）.
  15. Anand Gopalan, Akeem Whitehead. "Automatic Slave Node Position Detection (SNPD)".

外部链接
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