Цифровые шины передачи данных LIN

Лекция: шина LIN (Local Interconnect Network) в системах цифровой передачи данных

1. Введение и область применения

LIN (Local Interconnect Network) — это недорогой последовательный протокол связи, разработанный для создания дешёвых локальных сетей обмена данными в автомобильных системах и промышленной автоматике.

Ключевые особенности:

• однопроводная линия передачи (экономия на кабеле);
• низкая скорость передачи (до 20 кбит/с);
• невысокая стоимость реализации;
• поддержка топологии «общая шина»;
• централизованное управление (ведущий‑ведомый).

Области применения:

• управление стеклоподъёмниками, зеркалами, замками;
• системы климат‑контроля;
• датчики положения и концевые выключатели;
• осветительные системы автомобиля;
• промышленная автоматика с невысокими требованиями к скорости.

2. Архитектура и топология сети

Структура сети

Сеть LIN состоит из:

• одного ведущего узла (Master) — инициирует передачу, управляет расписанием;
• до 15 ведомых узлов (Slave) — отвечают на запросы ведущего.

Топология

Используется топология «общая шина»:

• единый физический канал связи;
• все узлы подключены параллельно;
• терминальные резисторы на концах линии (обычно 1 кОм).

3. Физический уровень

Характеристики

• Напряжение питания: 12 В (автомобильное исполнение);
• Уровень сигналов:
  логическая «1» (рецессивное состояние): ~12 В;
  логический «0» (доминантное состояние): ~0 В;

Осцилограмма lin

• Скорость передачи: настраиваемая, стандартно 9{,}6 кбит/с, 19{,}2 кбит/с;
• Длина линии: до 40 м (зависит от скорости и нагрузки).

Линия связи

• один сигнальный провод + масса;
• защита от помех: фильтрация, экранирование (при необходимости);
• допустимые перепады напряжения: ±25 В (устойчивость к автомобильным помехам).

4. Канальный уровень (протокол)

Формат кадра

Кадр LIN состоит из:

1. Синхропоследовательность (Break) — сигнал начала кадра;
2. Синхробайт (Sync) — для синхронизации приёмников;
3. Идентификатор кадра (PID) — 6 бит данных + 2 бита контроля;
4. Данные — от 0 до 8 байт;
5. Контрольная сумма (CRC) — 8‑битная.

Идентификатор кадра (PID)

• биты 0–5: тип сообщения (64 возможных);
• биты 6–7: контрольная сумма идентификатора.

Типы кадров:

• Заголовок — отправляет ведущий;
• Ответ — отправляют ведомые.

5. Принцип работы

Цикл обмена

1. Ведущий отправляет заголовок (ID + синхробайты).
2. Ведомые анализируют ID:
   если ID предназначен им — готовят ответ;
   иначе — игнорируют.
3. Ведущий ожидает ответ от ведомого.
4. Ведомый отправляет данные (если запрошен).
5. Ведущий проверяет CRC и обрабатывает данные.

Расписание (Scheduling)

Ведущий работает по жёсткому расписанию:

• циклический опрос узлов;
• фиксированные интервалы между кадрами;
• приоритезация важных сообщений.

6. Особенности протокола

Управление ошибками

• CRC‑8 для проверки целостности данных;
• повторная передача при ошибке (на уровне приложения);
• обнаружение коллизий (ведущий контролирует линию).

Энергосбережение

• режим «сна» (Sleep Mode) — низкое потребление;
• пробуждение по сигналу (Wake‑up Frame).

Совместимость

• обратная совместимость с более ранними версиями LIN;
• интеграция с CAN‑сетями через мосты.

7. Преимущества и недостатки

Преимущества:

• низкая стоимость компонентов;
• простота реализации;
• надёжность в автомобильных условиях;
• стандартизация (ISO 17987);
• лёгкость диагностики.

Недостатки:

• низкая скорость передачи;
• ограничение по числу узлов (16 макс.);
• централизованное управление (зависимость от ведущего);
• отсутствие горячей замены узлов.

8. Стандарты и спецификации

Основные документы:

• ISO 17987 — международный стандарт LIN;
• LIN Specification Package — детализация от LIN Consortium;
• SAE J2602 — американский стандарт для LIN.

Версии:

• LIN 1.x (устаревшие);
• LIN 2.0 — актуальная базовая версия;
• LIN 2.1, 2.2 — дополнения и уточнения.

9. Пример реализации

Сценарий: управление стеклоподъёмником.

1. Ведущий (центральный блок) отправляет кадр с ID = 0x12.
2. Ведомый (блок стеклоподъёмника) распознаёт ID и готовит статус.
3. Ведомый отправляет 2 байта: положение (0–100 %) и статус двигателя.
4. Ведущий проверяет CRC и обновляет интерфейс водителя.