LIN总线基础讲解之二—LIN总线网络的物理层与帧结构
目录
1 概述
2 物理层详解
2.1 拓扑结构
2.2 传输介质与电平
2.3 位速率与同步
3 LIN帧结构
3.1 同步间隔段
3.2 同步段
3.3 受保护的ID段
3.4 数据段
3.5 校验和段
4 举例说明
5 总结
1 概述
在上一篇文章里，我们认识了LIN总线，知道它成本低、结构简单，主要用在车上的舒适功能控制。今天，我们就来把它“拆开看看”，一起走进导线内部，看看电信号是怎么工作的，也学一学LIN总线自己那套独特的“语言”——也就是它的帧结构。
搞懂物理层和帧结构，是设计LIN节点、排查故障、做深度优化的基本功。就像建筑师要懂材料，程序员要懂代码一样，这是绕不开的基础。
2 物理层详解
物理层定义了在传输介质上传输原始比特流所需的技术规范。简单说，就是“信号长什么样，用什么线来传”。
2.1 拓扑结构
LIN网络采用严格的主从结构和总线型拓扑。
主节点： 有且仅有一个。它通常是网络中的“大脑”，比如一个车身控制模块。主节点控制着整个网络的通信节奏。
从节点： 最多16个。它们是执行具体任务的“手脚”，如车窗电机控制器、门锁开关等。
总线型拓扑： 所有节点（主和从）都并联在同一根总线上。这种结构简单，易于扩展。
一个形象的比喻： 主节点就像课堂上的老师，而从节点就是学生。老师负责提问（发起通信），指定某位学生来回答（从节点响应）。没有老师的允许，学生不能随意发言，这保证了课堂秩序。
2.2 传输介质与电平
线束： LIN总线仅使用两根线：
- LIN信号线： 一根，用于传输数据。
- GND： 一根，作为公共参考地。
- 省去一根信号线（对比CAN总线）是其低成本的关键之一。
电压电平（核心概念）：LIN总线通过信号线上的电压值来表示逻辑“0”和“1”。这里引入了两个非常重要的概念：显性电平 和 隐性电平。
- 显性电平： 代表逻辑‘0’。此时，总线电压被下拉至接近GND的电压（通常≤1.2V）。这个电平是“强大”的，因为它能够覆盖掉总线上的其他电压。
- 隐性电平： 代表逻辑‘1’。此时，总线通过一个上拉电阻被上拉至电池电压（通常是12V，在系统工作时，MCU端看到的通常是5V或3.3V）。这个电平是“弱小”的，默认状态。
为什么这么设计？——线与逻辑：这种显性/隐性的设计实现了一种“线与”逻辑。如果网络上任何一个节点将总线拉低到显性电平（‘0’），那么无论其他节点想输出什么，整个总线都被表现为显性电平。只有当所有节点都“放手”（输出隐性电平‘1’）时，总线才表现为隐性电平。这为错误检测和帧类型的扩展提供了基础。
2.3 位速率与同步
速率： LIN总线支持的速率范围为1 kbps 到 20 kbps。最常用的速率是19.2 kbps（在晶体振荡器精度支持下，可以达到很好的性价比）。
同步机制： 由于从节点可能使用成本较低、精度较差的RC振荡器，其自身产生的波特率可能与主节点不一致。为了解决这个问题，LIN帧中包含了同步段，专门用于从节点与主节点的波特率进行同步校准。这是LIN协议的一个精妙设计，我们稍后会详细解释。
3 LIN帧结构
LIN总线上的所有通信都以“帧”为单位进行。一帧LIN报文是承载信息的最小完整单元，就像一列火车，有车头、车厢和车尾。它由报头 和响应 两部分组成，具体的帧结构如下：
3.1 同步间隔段
- 作用： 这是一个“醒醒，注意了！”的信号。它用来唤醒处于休眠状态的从节点，并标志着一帧报文的开始。
- 形态： 它由一个持续至少13位时间的显性电平（‘0’），紧跟一个至少1位时间的隐性电平（‘1’） 的“间隔符”构成。
- 意义： 在正常的LIN通信中，不会出现如此长时间的显性位。因此，同步间隔段是一个独一无二、极易识别的“起始信号”，确保了所有从节点都能可靠地识别到一帧的开始。
3.2 同步段
（1）作用： 一个“对表”信号。用于从节点校准自己的波特率，使其与主节点保持一致。
（2）内容： 固定为 0x55（十六进制），用二进制表示是 01010101。
（3）工作原理：
- 主节点以精确的波特率发送这个0x55。
- 从节点接收到这个字节后，通过测量第一个下降沿（从‘1’到‘0’）和最后一个上升沿（从‘0’到‘1’）之间的时间，可以计算出主节点发送8个位（5个边沿）用了多少个自己的时钟周期。
- 从而，从节点可以调整自己的波特率分频器，使得在接下来的通信中，自己的位定时与主节点同步。
- 这个过程对于使用低成本RC振荡器的从节点至关重要，确保了通信的可靠性。
3.3 受保护的ID段
（1）作用： LIN报文的“身份证”和“指令牌”。它告诉从节点两件事：
- 这帧数据是什么意思？ （即帧的身份）
- 谁应该来响应（回复数据）或者谁应该来收听？
（2）长度： 6位（实际标识符） + 2位奇偶校验位 = 8位。
（3）标识符编码：
- ID[5:4] 通常表示帧的类型（我们在后续文章会深入讲解）。
- ID[3:0] 与 ID[5:4] 共同决定了帧的具体含义。
（4）奇偶校验： 后两位是前六位的奇偶校验位，用于保护标识符在传输中不发生错误，计算公式如下：
- P0 = ID0 XOR ID1 XOR ID2 XOR ID4
- P1 = NOT (ID1 XOR ID3 XOR ID4 XOR ID5)
（5）关键点：
- 标识符并不代表节点的地址，而是代表这帧数据内容的含义。
- 从节点通过监听标识符来判断自己是否需要响应或接收。例如，一个控制左前车窗的从节点，它会“订阅”标识符为“车窗控制”的帧。当主节点发出这个标识符的报头后，该从节点就知道：“轮到我了，我要回复当前车窗的状态数据”；而其他节点则会忽略这帧。
3.4 数据段
（1）作用： 承载实际传输的数据。
（2）长度： 可包含 2、4或8个字节 的数据。8字节是最常用的格式。
（3）内容： 数据段可以包含一个或多个“信号”。信号是LIN总线中最基本的数据单元，比如“车窗开关状态”、“电机电流值”、“温度值”等。这些信号按照LDF文件中的定义，被“打包”进数据段的各个字节的特定位置。
3.5 校验和段
（1）作用： 保证数据在传输过程中的完整性，确保数据没有因干扰而出错。
（2）类型：
- 经典校验和： 仅对数据段的内容进行计算（LIN 1.3）。
- 增强型校验和： 对标识符段和数据段的内容一同进行计算（LIN 2.0及以上）。这是目前的主流方式，提供了更好的保护。
（3）计算方法： 将所有需要保护的字节相加，然后取256的补码（即求和后，反转所有位，再加1，最后只取低8位）。
（4）工作流程： 发送方计算校验和并附在数据段之后。接收方按照同样的规则计算接收到的数据的校验和，并与接收到的校验和字节进行比较。如果一致，则认为数据正确；否则，丢弃该帧。
4 举例说明
让我们以一个“主节点查询车内温度”的实例，将整个帧结构串联起来：
（1）主节点决定要读取温度值。它在调度表中查到，温度数据对应的帧标识符是 0x23。
（2）主节点在LIN总线上发送报头：
- 先拉低总线至少13位时间（同步间隔段），再拉高1位时间（间隔符）。
- 然后发送
0x55（同步段），让所有从节点校准波特率。 - 最后发送
0x23这个字节（标识符段），其中包含了6位标识符和2位奇偶校验位。
（3）温度传感器（从节点） 一直在监听总线。它识别出标识符 0x23 是自己负责响应的帧。
（4）温度传感器开始发送响应：
- 它将测量到的温度值（例如25°C）打包成1个或2个字节的数据段。
- 它根据增强型校验和规则，对
0x23和温度数据字节进行计算，得到校验和字节。 - 它将数据段和校验和段依次发送到总线上。
（5）主节点接收到完整的帧后，验证校验和是否正确。如果正确，它就提取出温度值，可以自己使用，或者通过CAN总线转发给其他需要这个信息的模块（如空调控制器）。
（6）网络中的其他从节点（如车窗控制器）也听到了这个标识符，但它们发现与自己无关，于是忽略这帧数据的响应部分。
5 总结
通过本次的讲解，我们清晰地看到了LIN总线通信的物理基础和报文骨架。从显性/隐性电平的“线与”逻辑，到精妙的同步机制，再到通过标识符来寻址内容的通信模式，每一个设计都体现了其“低成本、高可靠性”的核心思想。
理解帧结构是理解LIN通信的基石。在下一篇文章中，我们将更进一步，探讨LIN网络的 “交通规则”——调度表 和帧类型，看看主节点如何高效地管理多个从节点之间的通信，以及LIN总线如何应对不同类型的数据传输需求。我们下次再见！