Шина LIN

Как устроена сеть LIN

Сеть LIN (в спецификации — кластер) состоит из одной ведущей задачи и нескольких ведомых. Ведущая задача работает в ведущем узле, который содержит ещё и ведомую задачу; остальные узлы содержат только ведомую. Ведущая задача решает, какой кадр и когда идёт по шине: она передаёт заголовок с идентификатором. Ведомая задача, которая публикует этот идентификатор, отвечает данными. Отвечать может любой узел, включая сам ведущий, а принимают ответ все узлы, которым он нужен, — подписчики.

Отсюда главные свойства LIN:

• Нет арбитража. Передатчик ответа назначен заранее, и два узла не начнут передачу одновременно. Исключение — кадры по событию, где конфликт возможен и разрешается отдельным расписанием (о них ниже).
• Предсказуемое время. Ведущий проходит таблицу расписания по кругу, поэтому период обновления каждого сигнала известен на этапе проектирования.
• Дешёвые ведомые. Байт синхронизации в каждом заголовке позволяет ведомым работать от встроенного RC-генератора, а кадр передаётся обычным UART с одним стоп-битом.

Узлы описываются файлами: описание сети (LDF, LIN Description File) задаёт скорость, кадры, сигналы и расписания, а файл возможностей узла (NCF) — свойства готового ведомого. По LDF генерируется программа ведущего, поэтому ведомые от разных производителей собираются в одну сеть без переделки.

Версии LIN и стандарты

LIN 1.0 вышел в июле 1999 года, в ноябре 2000 года — LIN 1.2, в ноябре 2002-го — LIN 1.3, в котором поправили физический уровень ради совместимости узлов разных производителей. LIN 2.0 (2003) переработал спецификацию: добавил расширенную контрольную сумму с PID, стандартные диагностику и настройку узлов, файлы возможностей узлов и автоматическое определение скорости. LIN 2.1 вышел в 2006 году, LIN 2.2 собрал исправления, а LIN 2.2A (декабрь 2010) поправил сигнал пробуждения. Её выпустили уже после закрытия консорциума LIN, и она остаётся одной из самых распространённых версий.

С 2016 года LIN — международный стандарт серии ISO 17987 из восьми частей: от протокола и транспортного уровня до физического уровня 12/24 В, тестов на соответствие и LIN по линии питания. В редакции 2025 года ведущий и ведомый называются commander и responder. В США рекомендации по применению LIN выпускает SAE: серия J2602 впервые опубликована в 2004 году, обновлена в 2012-м и основана на LIN 2.0.

Ведущий LIN 2.x работает с ведомыми LIN 1.3 в одной сети: он просто не просит у них расширенную сумму, диагностику, определение скорости и сигнал ошибки. Обратное неверно: ведущий LIN 1.3 не знает расширенной суммы, и ведомые LIN 2.x с ним не работают.

Физический уровень

Физический уровень LIN основан на стандарте ISO 9141 (K-линия диагностики) с доработками для меньших помех. Линия LIN — один провод относительно массы автомобиля. Каждый узел подключён к ней выходом с открытым коллектором: передатчик может только прижать линию к массе или отпустить её. Отпущенную линию к напряжению аккумулятора тянут подтягивающие резисторы с последовательными диодами: 1 кОм у ведущего и 30 кОм внутри трансивера каждого ведомого. Диоды обязательны: при обрыве питания узла ток с шины иначе питал бы его электронику через подтяжку.

Отсюда два состояния линии. Рецессивное — линия отпущена, напряжение близко к питанию, это логическая 1 и состояние покоя. Доминантное — хотя бы один узел прижал линию, напряжение близко к массе, это логический 0. Если один узел передаёт 1, а другой 0, на линии будет 0 — доминант побеждает.

Пороги отсчитываются не от напряжения аккумулятора, а от питания приёмника VSUP: оно ниже на падение напряжения на диодах и проводах, а масса узлов в автомобиле может «гулять» до 11,5 % напряжения аккумулятора. Основные параметры физического уровня по таблицам 6.6, 6.7 и 6.11 спецификации:

Ограничения на длину и число узлов связаны через постоянную времени: $\tau = C_\text{шины} R_\text{шины}$, где $C_\text{шины} = C_\text{вед} + n\,C_\text{узла} + C'_\text{линии} L$, а $R_\text{шины}$ — все подтяжки параллельно. Наш расчёт по типовым значениям для ведущего и 15 ведомых на 40 м: $C_\text{шины} = 220 + 15 \cdot 220 + 100 \cdot 40 = 7520$ пФ, $R_\text{шины} = 1\text{ кОм} \parallel (30\text{ кОм} / 15) \approx 667$ Ом, $\tau \approx 5{,}0$ мкс — ровно верхняя граница. Поэтому спецификация и советует не больше 16 узлов: каждый следующий снижает сопротивление шины ещё примерно на 3 %.

Скорость фронтов спецификация не задаёт в вольтах на микросекунду: вместо этого она нормирует коэффициенты заполнения D1–D4 — долю рецессива в периоде из двух бит при чередовании 0 и 1, измеренную по заданным порогам приёмника при худших нагрузках шины (1 нФ и 1 кОм, 6,8 нФ и 660 Ом, 10 нФ и 500 Ом). Трансиверы формируют пологие фронты с ограничением скорости нарастания: так меньше помех. Для скоростей 10,4 кбит/с и ниже ради лучшей ЭМС действуют свои нормы — D3 и D4. Ещё два требования: узел не должен повреждаться при замыкании линии на массу или на плюс аккумулятора до 26,5 В, а при потере своей массы или питания — мешать остальной сети.

Скорость и синхронизация

Скорость шины LIN — от 1 до 20 кбит/с; конкретное значение (номинальную скорость) задаёт описание сети. В примере описания из спецификации — 19,2 кбит/с.

Генератор ведущего должен быть точным, а ведомым точность не обязательна: они подстраиваются по байту sync в начале каждого кадра. В байте 0x55 со старт- и стоп-битом уровни чередуются, и спады идут через 2, 4, 6 и 8 битовых интервалов от начала старт-бита. Измерив время между ними, ведомый вычисляет длительность бита ведущего и держит её до конца кадра. Допуски скорости по таблицам 6.1–6.3:

±14 % — точность, которой встроенный генератор достигает с заводской калибровкой. Её хватает, чтобы узнать break, а дальше синхронизация по байту 0x55 подгоняет скорость до ±2 %.

Каждый байт синхронизируется по спаду своего старт-бита. Спецификация допускает любую схему выборки, если первая выборка бита сделана не раньше 7/16, а последняя — не позже $10/16 - t_\text{BFS}$ битового интервала, где $t_\text{BFS}$ — точность обнаружения спада старт-бита, не хуже 2/16 бита. Если выборок несколько, бит определяется большинством. Пример из спецификации — UART с 16 тактами на бит: спад старт-бита обнаруживается с точностью 1/16 бита, а выборки делаются с 7/16 до 9/16 бита.

Кадр LIN

Кадр состоит из заголовка, который передаёт ведущий, и ответа от узла-издателя:

• Break — не меньше 13 битовых интервалов доминанта и разделитель не короче одного бита. Break нарушает формат байта, и ведомый узнаёт начало кадра в любой момент, даже посреди приёма. Порог обнаружения у ведомого — 11 своих битовых интервалов, у ведомого с кварцем или керамическим резонатором — 9,5.
• Sync — байт 0x55 для подстройки скорости.
• PID — защищённый идентификатор: 6 бит ID и два бита чётности.
• Данные — от 1 до 8 байт. Число байтов для каждого ID заранее известно издателю и подписчикам; многобайтные величины передаются младшим байтом вперёд.
• Контрольная сумма — последний байт ответа.

Каждое поле, кроме break, — байт UART: старт-бит 0, восемь бит данных младшим вперёд, стоп-бит 1. Между байтами могут быть паузы, а между заголовком и ответом — пауза для ответа, обе неотрицательные.

Собрать кадр из своих ID и данных или проверить байты с логического анализатора можно прямо здесь. Тот же калькулятор с таблицами и пояснениями — на странице «Кадр LIN по байтам».

Защищённый идентификатор

Идентификатор — 6 бит, значения от 0 до 63. Чтобы искажённый ID не приняли за другой, к нему добавлены два бита чётности:

$P_0$ занимает разряд 6, $P_1$ — разряд 7 байта PID. Каждый бит ID входит хотя бы в одно уравнение, поэтому ошибка в любом одном бите PID обнаруживается. Все 64 значения:

Строка — старшие разряды ID, столбец — прибавка к ним. Идентификаторы делятся на три группы:

В LIN 1.x длина ответа кодировалась прямо в идентификаторе. Например, в регистре идентификатора контроллера LIN у ATtiny167 для режима LIN 1.3 разряды ID5 и ID4 задают 2 байта (00 и 01), 4 байта (10) или 8 байт (11). В LIN 2.x длина в ID не передаётся, её задаёт описание сети.

Контрольная сумма

Контрольная сумма — инвертированная восьмибитная сумма с переносом: байты складываются, и каждый раз, когда сумма достигает 256, из неё вычитают 255. Классическая сумма считается только по данным — так считали все кадры в версиях до LIN 1.3 включительно. Расширенная, введённая в LIN 2.0, начинает с PID, поэтому защищает и идентификатор. Какую сумму использовать, ведущий знает для каждого ID: классическую — с ведомыми LIN 1.x, расширенную — с LIN 2.x. Диагностические кадры 0x3C и 0x3D всегда используют классическую сумму.

Пример из спецификации, данные 4A 55 93 E5: 0x4A + 0x55 = 0x9F; + 0x93 = 0x132, после переноса 0x33; + 0xE5 = 0x118, после переноса 0x19; инверсия даёт 0xE6. Приёмник складывает тем же способом все байты вместе с контрольной суммой и должен получить 0xFF. Расширенная сумма для того же кадра с ID 0x10 (PID 0x50) — 0x96.

/* LIN checksum: the enhanced model starts with the PID, the classic one sums the data only. */
uint8_t lin_checksum(uint8_t pid, const uint8_t *data, uint8_t n, int enhanced)
{
    uint16_t sum = enhanced ? pid : 0;
    for (uint8_t i = 0; i < n; i++) {
        sum += data[i];
        if (sum > 0xFF)
            sum -= 0xFF;
    }
    return (uint8_t)~sum;
}

Длина кадра и расписание

Номинальное время кадра — его биты без пауз: break с разделителем — 14 бит, sync и PID — по 10, каждый байт ответа — тоже 10:

где $N$ — число байт данных. Паузы между байтами разрешены, но всё вместе не должно удлинять заголовок и ответ больше чем на 40 %: $T_\text{max} = 1{,}4\,T_\text{ном}$. Узлы обязаны принимать кадр без пауз, а соблюдение максимума проверяют инструменты и тесты; приёмник принимает ответ до следующего break, даже если тот затянулся.

Время ведущий отмеряет базовыми интервалами $T_\text{base}$ — обычно 5 или 10 мс. Каждый кадр занимает в таблице расписания слот из целого числа таких интервалов, и слот должен вмещать максимальное время кадра вместе с задержкой начала заголовка от такта (джиттером):

Кадр с 8 байтами на 19 200 бит/с длится до 9,04 мс, поэтому в слот 10 мс он помещается, если джиттер ведущего меньше 0,96 мс (наш расчёт). Сменить расписание ведущий может только в начале слота. Новые значения сигналов ведомый должен успеть записать до приёма идентификатора своего кадра, а принятые получает сразу после проверки контрольной суммы.

Типы кадров

• Безусловный кадр (ID 0–59) — основной: заголовок передаётся в каждом своём слоте, издатель отвечает всегда.
• Кадр по событию (event triggered) — общий заголовок для нескольких ведомых, каждый отвечает, только если его сигналы изменились. Первый байт данных такого ответа — PID собственного безусловного кадра узла, чтобы ведущий знал, от кого пришли данные. Если ответили двое, ответы столкнутся. Тогда ведущий сам переключается на расписание разрешения конфликта и опрашивает узлы по отдельности. Пример из спецификации — кнопки замков четырёх дверей: нажимают их редко, и опрашивать каждую в каждом цикле расточительно.
• Спорадический кадр — несколько кадров ведущего делят один слот: передаётся тот, чьи сигналы изменились, а если не изменилось ничего, слот пустует.
• Диагностические кадры — запрос ведущего 0x3C и ответ ведомого 0x3D, всегда по 8 байт данных и с классической суммой. Заголовок 0x3D ведущий посылает безусловно, а отвечает на него ведомый, которому есть что ответить на предыдущий запрос.

Сигналы внутри кадров — скаляры от 1 до 16 бит или массивы от 1 до 8 байт, передаются младшим битом вперёд и могут пересекать границы байтов. Неиспользуемые биты кадра передаются единицами. Кроме того, каждый ведомый LIN 2.x публикует в одном из своих кадров однобитный сигнал response_error: он выставляется, если в ответе кадра, который узел передавал или принимал, была ошибка, и сбрасывается после успешной передачи. Так ведущий узнаёт о сбоях, которые видит только ведомый.

Сон и пробуждение

Ведущий усыпляет сеть командой: кадр запроса ведущего 0x3C с первым байтом данных 0x00 и остальными 0xFF. Его классическая контрольная сумма — 0x00 (наш расчёт). Ведомый засыпает и сам, если шина не меняла уровень от 4 до 10 с.

Разбудить сеть может любой узел: он переводит линию в доминант на время от 250 мкс до 5 мс. Остальные узлы должны распознать доминантный импульс длиннее 150 мкс с последующим подъёмом и быть готовы к работе через 100 мс. Если за 150–250 мс после сигнала ведущий так и не начал опрос, узел повторяет сигнал; после трёх неудачных попыток он ждёт не меньше 1,5 с перед четвёртой. Ведущий может будить сеть просто заголовком — break сам по себе работает как сигнал пробуждения, но ответа на первый заголовок ждать не стоит.

Диагностика и настройка узлов

Диагностические кадры несут транспортный уровень: блок из 8 байт начинается с адреса узла NAD и байта PCI, за ними идут номер службы SID и данные. Короткое сообщение помещается в один кадр, длинное передаётся первым кадром и продолжениями — всего до 4095 байт. Незаполненные байты передаются как 0xFF.

Службы с SID 0xB0–0xB7 настраивают узлы: присвоить NAD (0xB0), прочитать идентификацию узла (Read by Identifier, 0xB2, обязательная), сохранить настройку (0xB6), назначить PID кадрам узла (Assign frame identifier range, 0xB7, обязательная). Положительный ответ приходит с RSID = SID + 0x40. Так одинаковые готовые ведомые от разных производителей получают свои идентификаторы в конкретной сети.

Трансивер LIN: MCP2003B

Трансивер переводит логические уровни UART микроконтроллера в уровни шины и обратно. Пример — Microchip MCP2003B: совместим с LIN 1.3–2.2, SAE J2602 и ISO 17987, работает на скоростях до 20 кбит/с, питается от 5,5 до 30 В и защищён от сброса нагрузки до 60 В. Подтяжка шины к питанию 30 кОм (20–60 кОм) с диодом встроена и включается только в рабочем режиме.

• TXD и RXD. Низкий уровень на TXD — доминант на шине, высокий — рецессив. RXD повторяет состояние шины, поэтому микроконтроллер слышит и свои собственные байты. Выход RXD — с открытым стоком, и подтяжка к питанию логики обязательна: трансивер проверяет, что RXD в единице при рецессивной шине, и без подтяжки не перейдёт в рабочий режим.
• CS включает передатчик. Внутри — подтяжка к массе, поэтому пока микроконтроллер стартует, передатчик выключен и мусор на шину не уходит. Держать CS в единице постоянно производитель не советует.
• Защита от зависания. Если TXD или сама шина в доминанте дольше примерно 25 мс, передатчик отключается, чтобы неисправный узел не заблокировал сеть.
• VBB и VREN. Питание трансивера — от аккумулятора через диод защиты от переполюсовки. Выход VREN включает стабилизатор узла во всех режимах, кроме режима сна, поэтому узел может полностью обесточиваться и просыпаться от активности на шине или по входу WAKE.
• Шина. На выводе LBUS — конденсатор 220 пФ на массу. Ведущий узел добавляет подтяжку 1 кОм от VBAT через диод.

У предшественников MCP2003 и MCP2004 максимальное сопротивление встроенной подтяжки — 47 кОм вместо 60, а сам производитель советует для новых разработок MCP2003B или ATA663211.

LIN на микроконтроллере

Кадр LIN — это байты UART в формате 8N1, поэтому узел строится на любом UART. Отдельного внимания требуют только break и синхронизация у ведомого.

STM32: режим LIN в USART

USART в STM32F1 переходит в режим LIN битом LINEN регистра USART_CR2. В этом режиме бит SBK посылает break из 13 нулевых бит и единичный бит за ним, а приёмник обнаруживает break длиной 10 или 11 бит (бит LBDL) независимо от приёма данных и выставляет флаг LBD. В HAL это функции HAL_LIN_Init() и HAL_LIN_SendBreak(). Последняя только выставляет SBK и не ждёт конца break, поэтому перед передачей байтов ждём, пока аппаратура сбросит бит:

#include <string.h>
#include "stm32f1xx_hal.h"

/* Protected identifier: P0 = ID0^ID1^ID2^ID4, P1 = !(ID1^ID3^ID4^ID5). */
static uint8_t lin_pid(uint8_t id)
{
    uint8_t b0 = id & 1, b1 = (id >> 1) & 1, b2 = (id >> 2) & 1;
    uint8_t b3 = (id >> 3) & 1, b4 = (id >> 4) & 1, b5 = (id >> 5) & 1;
    uint8_t p0 = b0 ^ b1 ^ b2 ^ b4;
    uint8_t p1 = !(b1 ^ b3 ^ b4 ^ b5);
    return (uint8_t)((id & 0x3F) | (p0 << 6) | (p1 << 7));
}

/* Master publishes a frame: break, sync, PID, data and checksum. */
void lin_master_send(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t id, const uint8_t *data, uint8_t n)
{
    uint8_t buf[11];
    uint8_t pid = lin_pid(id);
    int enhanced = id != 0x3C && id != 0x3D;

    buf[0] = 0x55;
    buf[1] = pid;
    memcpy(&buf[2], data, n);
    buf[2 + n] = lin_checksum(pid, data, n, enhanced);

    HAL_LIN_SendBreak(huart);
    while (READ_BIT(huart->Instance->CR1, USART_CR1_SBK)) {
        /* SBK is cleared by hardware during the stop bit of the break */
    }
    HAL_UART_Transmit(huart, buf, 3 + n, 10);
}

Функция lin_checksum() — из примера выше. USART настраивается вызовом HAL_LIN_Init(&huart1, UART_LINBREAKDETECTLENGTH_11B) на скорость шины, 8 бит без чётности. Чтобы запросить данные у ведомого, ведущий передаёт только break, 0x55 и PID, а затем принимает N + 1 байт ответа. Не забудьте, что через трансивер на RX вернутся и собственные байты заголовка.

AVR: аппаратный LIN в ATtiny167 и программный в остальных

У ATtiny87 и ATtiny167 есть контроллер LIN/UART, который выполняет LIN 2.1 и 1.3 аппаратно: формирует и принимает заголовок, считает контрольную сумму, следит за временем кадра и сообщает об ошибках флагами. Break он принимает длиной от 10,5 до 28 бит, а в роли ведомого подстраивает скорость по байту 0x55: допускает отклонение генератора до ±20 % и выравнивает скорость с точностью ±2 %.

У остальных AVR и у Arduino только обычный UART, который не умеет посылать break. Простой приём (наш расчёт): передать байт 0x00 на скорости $F \cdot 9/13$. Старт-бит и восемь нулей — 9 бит доминанта на пониженной скорости — длятся ровно 13 номинальных битовых интервалов, а стоп-бит на той же скорости даёт разделитель около 1,44 бита. На 19 200 бит/с это скорость 13 292 бит/с; после байта UART возвращают на номинальную скорость и передают остальные байты заголовка. Ведомому на AVR без кварца нужно ещё подстроить делитель UART: измерить таймером спады байта 0x55 после break.

LIN и CAN

LIN не конкурирует с CAN, а дополняет его: спецификация отводит LIN нижний уровень иерархической сети автомобиля — там, где не нужны пропускная способность и гибкость CAN. Узлу LIN хватает UART, трансивера и встроенного генератора, тогда как узлу CAN нужны контроллер CAN и кварц.

Типичные ошибки и отладка

• Не та контрольная сумма. Узел LIN 2.x ждёт расширенную сумму, а программа считает классическую, или наоборот — для диагностических кадров 0x3C и 0x3D. Калькулятор кадра в режиме проверки покажет, с какой суммой совпал байт.
• ID вместо PID. В заголовке передают 6-битный ID без битов чётности, и ведомые не узнают свой кадр. Для ID 0x10 на шину должен уйти байт 0x50.
• Нет подтяжки ведущего. Без 1 кОм у ведущего шину тянут только 30 кОм ведомых: постоянная времени шины уходит далеко за 5 мкс, фронты подъёма затягиваются, и на высоких скоростях приёмники начинают ошибаться.
• Трансивер не включается. У MCP2003B нет подтяжки на RXD или CS в нуле: передатчик выключен, а микроконтроллер видит только тишину.
• Короткий break. UART без функции break передаёт 0x00 — это лишь 9 бит доминанта, меньше порога 11 бит у ведомого.
• Масса. Сигнал LIN отсчитывается от массы каждого узла, поэтому плохая масса сдвигает пороги приёмника. Проверяйте разницу масс узлов под нагрузкой.
• Логический анализатор. Подключайте его к выводам RXD и TXD трансивера, а не к шине на 12 В, и используйте декодер LIN (например, декодер sigrok в PulseView): он показывает break, PID с проверкой чётности, данные и контрольную сумму.