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串行通信協(xié)議 CAN 和 LIN
串行通信協(xié)議 CAN 和 LIN
我們將一起研究流行的 CAN 和 LIN 協(xié)議。本文是串行通信協(xié)議系列的一部分。我們希望在下次您發(fā)現(xiàn)自己將串行通信總線作為設計的一部分時，該資源將被證明是無價的。我們旨在幫助您選擇適合您情況的最佳選擇。
CAN總線
CAN代表Controller Area Network，是各種電子設備使用的通信協(xié)議。CAN 通常用于提供車輛中設備之間的通信，例如發(fā)動機管理系統(tǒng)、主動懸架、ABS、換檔控制、照明控制、空調(diào)、安全氣囊、中控鎖系統(tǒng)以及車輛中的其他系統(tǒng)。
CAN 是一種高完整性串行數(shù)據(jù)通信總線，非常適合實時應用。該總線可以以高達 1 Mbps 的數(shù)據(jù)速率運行，并具有出色的錯誤檢測和糾正能力。CAN 由 Bosh 開發(fā)，主要用于汽車應用，但現(xiàn)在也用于許多工業(yè)自動化和控制應用。
CAN 是一種多主、基于消息的協(xié)議。這意味著所有 CAN 設備都可以傳輸數(shù)據(jù)，并且多個 CAN 設備可以同時請求使用總線。CAN 網(wǎng)絡沒有尋址系統(tǒng)，而是使用優(yōu)先級消息系統(tǒng)。所有消息都分為一系列優(yōu)先級。
目前使用的 CAN 總線有多種版本，其中包括：
CAN 2.0A – 使用 11 位消息標識符
CAN 2.0B - 使用 29 位消息標識符
CAN FD - 使用靈活的數(shù)據(jù)速率
在CAN 總線中，發(fā)送設備向所有 CAN 節(jié)點發(fā)送消息，每個節(jié)點決定如何對接收到的消息做出反應。此外，如果同時發(fā)送多條消息，節(jié)點將確定每條消息的優(yōu)先級。
簡化的消息流程圖
CAN 總線有三種不同的速度類型，它們是：
低速 - 125 kbps 數(shù)據(jù)速率和 500 米最大總線長度
高速（或高速）- 1 Mbps 數(shù)據(jù)速率和 40 米最大總線長度
靈活的數(shù)據(jù)速率 - 15 Mbps 數(shù)據(jù)速率和 10 米最大總線長度
CAN 總線使用差分傳輸線，因此不需要接地連接。差分線路的每一端都使用 120 Ω 端接電阻器，如下面的電路圖所示。
末端為 120 Ω 終端電阻的簡單 CAN 接線示例
差分對傳輸線更加穩(wěn)健并且不受環(huán)境干擾和噪聲的影響。這是因為兩條信號線保持非常接近，所以當電磁干擾影響一條傳輸線時，它也會同樣影響另一條傳輸線。因為差分對中沒有參考地，所以 CAN 總線電壓是根據(jù)成對差分傳輸線之間的差異來測量的。
影響兩條差分對線的電磁干擾
在CAN差分傳輸線中，顯性邏輯電平為低或0，而隱性邏輯電平為高或1。
以下是標準 11 位消息的完整 CAN 協(xié)議幀：
CAN數(shù)據(jù)報文幀
消息以起始幀開始，指示消息的開始。通常，CAN 總線會處于空閑狀態(tài)（1），因此為了識別報文的開始，發(fā)送顯性 0 信號，它勝過隱性 1。
其后是仲裁字段，指示數(shù)據(jù)的優(yōu)先級。發(fā)送器在開始發(fā)送消息時識別消息優(yōu)先級。如果多個發(fā)送器同時發(fā)送消息，當檢測到它們正在發(fā)送隱性邏輯電平 1 但總線上的實際仲裁字段位是顯性電平 0 時，它們會檢測到這一點。這告訴受影響的發(fā)送器延遲發(fā)送，因為它不是最高優(yōu)先級。這一直持續(xù)到只剩下一個發(fā)送器來發(fā)送它的消息。發(fā)送此消息后，其他較低優(yōu)先級的發(fā)送器將重新啟動該過程。如此重復，直到所有消息按優(yōu)先級順序發(fā)送完畢，如下所示：
CAN報文優(yōu)先競爭
下一位是遠程傳輸請求。該位顯示消息幀的格式。可以是Data Frame，發(fā)送端發(fā)送信息時使用，設置為顯性邏輯0表示。或者，也可以是Remote Frame，發(fā)送端請求信息，設置為隱性表示邏輯 1。
下一位是 ID 擴展名。如果將 ID 擴展設置為顯性邏輯 0，則仲裁字段的長度將是標準的 11 位，對于 2048 種不同的標識來說足夠了。如果該位設置為隱性級別 1，則仲裁字段的長度將擴展 29 位，這對于 536870912 種不同的標識來說已經(jīng)足夠了。ID 擴展位之后的仲裁字段的附加 18 位。
下一位保留，通常設置為顯性邏輯電平 0，但設置為隱性邏輯電平 1 將不起作用。
接下來的四位是數(shù)據(jù)長度代碼位，它顯示數(shù)據(jù)字段中有多少位。數(shù)據(jù)長度可以從 1 到 8 個字節(jié)不等，相當于 8 到 64 位。
接下來的 15 位是用于錯誤檢測的CRC（循環(huán)冗余校驗）字段。
下一位是 CRC 定界符，它必須設置為隱性邏輯 1。
下一位是確認槽位。發(fā)送器將此設置為隱性邏輯電平 1。如果成功接收到消息，接收器通過覆蓋該位并將其分配給顯性邏輯電平 0 來指示這一點。
下一位是確認定界符，它必須設置為隱性邏輯 1。
最后七位是幀結(jié)束指示，它標識消息已經(jīng)結(jié)束。
標準 OBD2 汽車連接器包括用于診斷或軟件控制目的的 CAN 總線差分對引腳：
LIN總線
LIN 代表本地互連網(wǎng)絡，是一種主要用于類似于 CAN 的車輛的電子通信協(xié)議。LIN 協(xié)議的出現(xiàn)是因為當汽車中的每個設備都需要通過總線進行通信時，使用 CAN 協(xié)議的總線變得過于昂貴。正因為如此，歐洲汽車制造商開始使用不同的串行通信系統(tǒng)，這導致了兼容性問題。
在火山汽車集團和摩托羅拉的幫助下，LIN 由五家汽車制造商創(chuàng)建：寶馬、大眾集團、奧迪、沃爾沃汽車和梅賽德斯-奔馳。
LIN 通信網(wǎng)絡是一種主從安排。通常，LIN 總線由 16 個節(jié)點（1 個主站和 15 個從站）組成。所有 LIN 總線消息均由單個主設備發(fā)起。同時，只有一個從站可以隨時響應使用主站發(fā)送的標識符選擇的消息。
使用可變長度的固定格式消息在連接到 LIN 總線的設備之間傳輸數(shù)據(jù)。主設備發(fā)送一個中斷信號，然后是同步和標識符字段以啟動數(shù)據(jù)傳輸。從設備可以通過發(fā)送包含 2、4 或 8 個字節(jié)的數(shù)據(jù)加上 3 個字節(jié)的控制信息的數(shù)據(jù)幀進行回復。
LIN 可用作連接到 CAN 總線的子總線。CAN 總線向其節(jié)點之一發(fā)送信號，該節(jié)點本身可以是 LIN 主機。當 LIN 物理層發(fā)送器接收到消息時，它會使用 CAN 電池電壓電平（通常為 12 V）將其在邏輯電平上轉(zhuǎn)換為 LIN 協(xié)議。LIN 發(fā)射器還包括一個限流整形驅(qū)動器，可減少電磁輻射。
LIN 和 CAN 總線集成
LIN 從接收器然后將來自 LIN 總線的高電池電平電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以發(fā)送到微控制器的低電壓電平邏輯信號。
LIN 作為串行廣播系統(tǒng)運行，使用帶接地參考的單線總線。與 CAN 或其他串行通信協(xié)議 (<20 kbps) 相比，典型的 LIN 總線速度相對較低。然而，實現(xiàn) LIN 總線的成本顯著降低，使其成為批量生產(chǎn)的理想選擇。它主要用于不太重要的非安全功能。LIN 常用于控制車窗、空調(diào)、雨刷器等。LIN 總線的最大長度為 40 米。
在 LIN 總線上，信號可以是顯性（邏輯電平低或 0）或隱性（邏輯電平高或 1）。
LIN 協(xié)議使用遵循以下六種幀類型之一的消息幀結(jié)構(gòu)：
無條件幀——這是所有訂閱者（從站）接收的消息幀（假設沒有檢測到錯誤）
事件觸發(fā)幀 - 此消息幀提高了 LIN 集群（LIN 集群 - 一個 LIN 數(shù)據(jù)總線）的響應能力，而無需使用過多的總線帶寬
零星幀 - 當需要防止與其他消息沖突時傳輸此消息幀
診斷幀 - 此消息幀攜帶診斷或配置數(shù)據(jù)，并始終包含八位
用戶自定義幀——這個消息幀可以攜帶任何類型的信息
保留幀 – 此消息幀保留用于確認 LIN 網(wǎng)絡，不應在 LIN 2.0 中使用
LIN 總線數(shù)據(jù)幀示例
LIN 總線因其標準協(xié)議、簡單性和低成本在過去十年中變得非常流行，到 2020 年將有超過 6 億個 LIN 節(jié)點安裝在汽車中。
LIN 現(xiàn)在還用于非汽車行業(yè)的應用，例如家用電器和工業(yè)自動化。
本文研究了流行的 CAN 和 LIN 協(xié)議的一些特性，并討論了它們的一些優(yōu)點和實現(xiàn)細節(jié)。