LIN总线之LIN总线调度表和帧格式详解

如果在一个有十几个从节点的LIN网络里，主节点只是漫无目的地向总线发送报头，整个网络就会乱成一团：重要的信号（比如开车门）可能没法及时送达，而不太紧急的信号（比如温度微调）却反复占用资源，导致整个系统反应慢、效率低。

为了避免这种情况，LIN协议引入了两个关键设计：调度表和帧类型。它们就像LIN网络的“行车规则”和“调度员”，把原本可能混乱的通信，变得像一场井然有序、配合默契的协奏。

2.1 什么是调度表

调度表是LIN主节点内部运行的一个时间计划。它严格定义了：在什么时间点、发送哪一个LIN帧的报头、以及该帧在总线上出现的先后顺序。

我们可以将调度表类比为：

• 乐队的指挥： 指挥家决定什么时候该小提琴部演奏，什么时候该铜管部进入。

• 公交车的时刻表：时刻表规定了1路车、2路车在几点几分发车，确保车辆有序运行，不会全部挤在一起。

• 操作系统的任务调度器：它决定在哪个时间片执行哪个任务。

对于LIN网络而言，主节点就是这个“指挥”，它忠实地执行调度表，依次将不同标识符的报头发送到总线上，从而发起通信。

2.2 调度表的核心构成

一个调度表本质上是一个由多个调度表条目 组成的列表。每个条目至少包含两个信息：

• 所要调度的帧： 指向一个具体的LIN帧（通过其标识符）。

• 该帧的延时： 从当前帧传输结束到下一帧报头开始之间的时间间隔。这个延时被称为 “Slot”。

下图展示了调度表在时间轴上的执行过程，0x10,0x14,0x15是报文ID，一个调度表的时间周期是40ms。

2.3 调度表的运行模式

循环运行：主节点会周而复始地执行同一个调度表。当一个调度表执行完毕后，它会立即从头开始再次执行。

确定性：这是调度表带来的最大好处。由于通信顺序和时间是预先规划好的，整个网络的通信行为是可预测、可复现的。这对于汽车电子的控制逻辑至关重要，因为工程师可以精确地知道某个信号最快多久会被更新一次。

灵活性：主节点可以根据车辆的不同状态（如点火、运行、休眠）切换不同的调度表。

• 正常模式调度表： 包含所有帧， Slot延时较短，保证系统响应灵敏。

• 低功耗模式调度表： 只包含少数关键帧（如唤醒帧）， Slot延时很长，大部分时间总线静默，以节省电量。

2.4 调度表的实现(LDF视角)

调度表的具体定义是在LDF文件中完成的。这里我们提前看一下LDF中的语法，让大家有更直观的认识：

在这个例子中，主节点会不断地依次发送VIUL_Measured_Data、EBS_Measured_Data_1、EBS_Measured_Data_2的报头，并在帧之间插入规定的延时。整个网络的通信节奏就被这个简单的计划牢牢控制着。

如果说调度表规定了“何时说话”，那么帧类型就规定了“谁来说话”以及“如何说话”。LIN协议定义了多种帧类型，以优雅地解决不同场景下的通信需求。理解帧类型是理解LIN通信灵活性的关键。

3.1 无条件帧

（1）描述： 这是LIN总线中最常用、最基础的帧类型。它的通信模式非常直接：主节点发送某标识符的报头，然后由唯一的一个指定从节点来回复响应（数据段+校验和）。

（2）标识符： 0x00 ~ 0x3B（大部分普通数据帧都使用这个区间的ID）。

（3）通信模型：

• 主任务 -> 报头 (Header)

• 从任务 -> 响应 (Response)

（4）典型应用： 所有需要定期、周期性查询或控制的信号。例如：

• 主节点请求读取传感器数据（温度、光照）。

• 主节点发送指令控制执行器（升降车窗、调节电机）。

（5）特点： 简单、可靠，但效率相对较低，因为每一帧都必然会发生一次请求和响应，即使数据没有变化。

3.2 事情触发帧

（1）设计动机： 为了优化总线利用率。在某些场景下，多个从节点可能产生同一类“事件”，但这些事件并不经常发生。如果为每个节点都分配一个无条件帧，主节点需要不断地轮询它们，而大部分时间得到的都是“无事件”的响应，这造成了总线资源的浪费。

（2）描述： 事件触发帧将多个从节点的响应机会“打包”到一个帧标识符下。这些从节点都配置为监听同一个事件触发帧的标识符。

（3）通信流程：

主节点发送事件触发帧的报头。

所有相关的从节点都在“听”。

规则： 在一个时隙内，有且仅有一个从节点允许响应。

1. 情况A（理想）： 只有一个从节点有事件发生（有数据要上报）。那么该节点正常回复响应。

2. 情况B（冲突）： 两个或以上从节点同时有事件发生。它们会同时尝试响应，导致数据碰撞。此时，主节点检测到碰撞（通过校验和错误或非期望数据），它会立即终止当前调度表，并转而依次查询每个相关的无条件帧，从而找出到底是哪些节点发生了事件。

3. 情况C（无事件）： 没有任何从节点有事件发生。那么就没有响应，总线静默。这节省了总线时间。

（4）标识符： 0x00 ~ 0x3B，但它关联到多个从节点的数据。

（5）典型应用：

• 多个车门上的“开锁”或“关锁”按钮。 大部分时间没人按按钮，使用事件触发帧可以高效监听。一旦有冲突（两个人同时按），系统也能通过后续查询处理。

• 多个报警/状态标志。

（6）优势与代价：

• 优势： 在事件发生率低的场景下，极大地提高了总线效率。

• 代价： 在发生冲突时，会引入额外的延迟来处理冲突。

3.3 零星帧

（1）设计动机： 让主节点能够在自己有新数据需要下发时，才主动发起通信，而不是固定在每个周期都发送。

（2）描述： 零星帧的标识符与主节点的一个数据缓冲区相关联。仅当主节点自身的数据发生变化时，它才会在调度表中为该帧分配的时隙内，发送该帧的报头，并紧接着自己既作为发送方，发送响应部分。

（3）通信流程：

• 主节点数据未更新 -> 在调度表的该时隙内，主节点什么都不做，总线静默。

• 主节点数据已更新 -> 在调度表的该时隙内，主节点发送报头，并立即自行发送数据段和校验和。

（4）标识符： 0x00 ~ 0x3B，但其响应由主节点提供。

（5）典型应用：

• 主节点将来自CAN总线的信号（如“车速信号”）转发到LIN网络。

• 主节点下发一个全局性的配置参数。

（6）优势： 避免了周期性发送不变的数据，减少了不必要的数据传输，优化了带宽。

3.4 诊断帧

（1）描述： 诊断帧用于对LIN节点进行配置、查询状态、固件升级等管理操作。它拥有固定的、保留的标识符。

（2）固定标识符：

• 主请求帧： ID = 0x3C。由主节点发送，用于向某个从节点发出诊断指令。

• 从响应帧： ID = 0x3D。由从节点发送，用于回复主节点的诊断请求。

（3）数据长度： 固定为8个字节。

（4）通信模型：

• 主节点发送报头(0x3C) + 8字节诊断请求数据。

• 被寻址的从节点回复报头(0x3D) + 8字节诊断响应数据。

（5）典型应用：

• 读取从节点的版本号、序列号。

• 配置从节点的NAD（节点地址）。

• 读取/清除诊断故障码。

• 进入编程模式，进行固件更新。

（6）特点： 它是LIN网络中实现复杂管理功能的“后门”，遵循一定的诊断协议（如ISO 14229-1/UDS on LIN）。

让我们通过一个简化的智能车门模块例子，将调度表和帧类型融会贯通。

4.1 网络节点定义

网络主从节点定义如下表所示：

4.2 帧设计

报文帧设计如下表所示：

4.3 调度表设计

调度表设计如下所示：

Schedule_tables_Normal_Schedule {

Schedule {//调度表的名字是Schedule

Window_Control delay 10 ms ; // 定期查询车窗状态

Window_Status delay 20 ms ; // 高效监听所有开关（事件触发）

DoorLock_Cmd delay 50 ms ; // 控制门锁（频率较低）

Mirror_Adjust delay 50 ms ; // 控制后视镜（频率较低）

Switch_Status delay 100 ms ; // 下发车速（零星帧，无变化则跳过）

Vehicle_Speed delay 10 ms ; // 控制车窗（响应开关或自动功能）

  }

}

4.4 运行场景分析

（1）无操作时：调度表循环运行。Window_Status定期上报状态；Switch_Status因无按键，无人响应，总线静默，节省时间；Vehicle_Speed若无变化，也静默。

（2）驾驶员按下“左前窗下降”开关：

• 当调度到 Switch_Status 帧时，开关从节点4检测到事件，回复响应数据，数据中包含“左前窗下降”的标识。

• 主节点DCU收到后，在下一个 Window_Control 帧的时隙，向车窗电机从节点1发送“下降”指令。

（3）同时按下“开锁”和“关锁”按钮（冲突）：

• 在 Switch_Status 帧时隙，门锁开关从节点5和另一个开关同时响应，导致数据碰撞和校验和错误。

• 主节点DCU检测到冲突，立即启动冲突解决机制，依次查询与 Switch_Status 关联的各个开关的无条件帧，最终确定是两个按钮被按下，并执行相应的逻辑（如安全策略可能定义为执行开锁）。

调度表和帧类型，是LIN协议灵魂的两面。调度表提供了网络的时间骨架，带来了确定性和秩序；而帧类型则赋予了网络灵活的通信模式，使其能够智能地应对数据更新、事件响应和诊断管理等多样化需求。

通过将无条件帧、事件触发帧、零星帧和诊断帧巧妙地组合在调度表中，系统架构师可以设计出既高效又可靠的LIN子系统，在保证功能实现的前提下，最大限度地优化总线负载和系统功耗。

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