LIN Детаљан преглед

Циљеви Након завршетка овог предавања имаћете: Боље разумевање LIN магистрала: Историјат и разлог развоја Градивни елеменати: од физичког преко транспортног до апликативног Начини подешавања, оптимизације Преглед практичних ствари које ћете на вежбама пробати

ПРЕГЛЕД Структурe предавања Шта смо радили: Преглед комуникационих принципа Увод општи и специфични о (ауто) магистралама Серијске магистрале: UART, I2C, SPI Овај час: LIN Преглед Употреба и могућности Ожичење и физички слој Мрежа, Слање/пријем, формати порука Такт и усклађивање Подешавања и дијагностика Рекапитулација за крај - закључци за понети

LIN Преглед

LIN главне карактеристике Local Interconnect Network Развијено до 2002 од стране LIN конзорцијума Примене Аутомобили, Медицинска опрема, Бела техника – сензори и актуатори Иницијално развијено као подмрежа CAN: смањење оптерећења

LIN конзорцијум Удружење оформљено 1998 Структура: LIN Spec BMW Удружење оформљено 1998 Структура: 5 ауто произвођача 1 добављач полупроводника (Motorola) 1 добављач алата (VCT) Завршетак спецификација: 02.02.2000 Отворен стандард Припремљена подршка за уређаје већ у спецификацији Прве LIN компоненте доступне у јесен 2000 Volvo Daimler- Chrysler LIN Spec VW AUDI VCT LIN History: 1996: Volvo and VCT (Tool Supplier) developed SCI based protocol (Volcano Lite) for Vovo S80. Volcano lite is an integral part of the vehicle MUX communication system. 1997: Volvo, VCT & Motorola jointly defined an improved Version fo the protocol to meet the requirements of mechatronics, such as self synchronization without crystal and form an open standard that is able to support a wide range of semiconductor protucts. In December 1998 The car companies Audi, BMW, DaimlerChrysler and VW joined the activities and a workgroup was formed to set up the LIN communication protocol. Begin of Q3/1999 the LIN Protocol Spec. and the LIN Configuration Language Spec. have been released (Revision 1.0). Begin of September the LIN API specification draft has been released (Rev. 0.1) 4

LIN историјат LIN конзорцијум од почетка циља на једноставан, јефтин, свеобухватан и стандардизован начин да се аутоматизују сензори и актуатори LIN спецификација 2.2A Physical Layer Specification Protocol Specification API Specification Transport Layer Specification Node Configuration and Identification Diagnostics Specification Configuration Language Specification Node Capability Language Specification SAE J2602 as the “US variant” of LIN is based on LIN 2.0

LIN Преглед Мрежа за спајање сензора и актуатора Физички слој: само једна линија Архитектура: руководилац-подређени Карактеристике: детерминизам и посвећеност Груписање: сваки подсистем засебно

LIN (Local interconnect network) преглед Као у учионици: учитељ тражи одговор од осталих учесника Серијска комуникација: једна линија (12 V), засновано на UART Брзина: до 20 kbs уз ЕМК и Руководилац контролише медијум: нема судара + гаранција кашњења Усклађивање такта: одговорност зависних уређаји (енг. slave) (нема потребе за кварцним или керамичким резонаторима) Динамичка толологија: додавање у лету без HW/SW промена Величина мреже: типично до 12 чворова (макс 64 уз низак проток)

LIN примена Ретровизори, подизачи прозора, закључавање врата, клима, контролна табла, седишта, брисачи, светла, прекидач радија, сензори

An example of LIN Implementation

Подмреже Мотивација Генеза LIN реализација

Топологије хијерархијА и равна Flat Network In this slide we see the advantages of a hierarchical Network structure. The comunication within subnets reduce the busload of the main network. Drawback: Communication between nodes of different subnodes is delayed due to the gateways. Hierarchical Network 6

Подмреже Мотивација и примери Потреба за смањењем гужве на главној магистрали Примери решења: CAN Аутомобилски стандард Усклађено са главном магистралом Релативно скупо: Величина Број линија Serial Sub Bus нестандаризовано неусклађено јефтино Засновано на једној линији: доступно свуда Реализација преко ASIC или CPLD Могуће реализовати само у софтверу 5

Подмреже основни захтеви Стандардизована магистрала: дугорочно решење Цена као императив: мора да буде јефтиније од CAN Подређени уређаји ниске цене: Без осцилатора Једноставна имплементација Једноставне аутомати (машине стања енг. State Machines) Поузданост: сличан ниво као и CAN Усклађеност и проширење CAN Прошириво: додавање уређаја у лету Мала кашњења и реакција: макс 100 ms Предвидива горња граница кашњења

LIN Својства предности Комплементарно CAN Изведено преко једне линије Брзине до 20 kbs Руководилац и више подређених Засновано на UART/SCI Само усклађивање Гаранција: горња граница кашњења Проширење CAN: подмреже Смањење цене ожичења Побољшава ЕМК Нема потребе за арбитражом Смањује ризик од доступности Без спољњег кристала Детерминизам и предвидљивост The main features of the Lin are LIN is an able ally of CAN; It is intended to complement the existing CAN network leading to hierarchical sub networks within applications It is a single wire implementation thereby reducing harness costs The speed is 20 Kbps to help maintain the reliability of the network LIN is a broadcast serial network comprising one master and many (up to 16) slaves. No collision detection exists, therefore all messages are initiated by the master with at most one slave replying for a given message identifier. uses a low cost silicon implementation based on common UART/SCI interface hardware and hence almost any Microcontroller has necessary hardware on chip Self synchronization without crystal or ceramics resonator in the slave nodes and helps in a significant cost reduction of hardware platform Guaranteed latency times for signal transmission making it a predictable network.

Подмреже LIN vs. CAN Cost Factors: CAN Module Dual Wire Interface ECU & Gateway CAN SCI Satellite 1 Satellite 2 LIN phys IF Satellite 3 Satellite 4 LIN phy IF LIN Dual Wire CAN CAN phys IF CAN phy IF 5V This slide shows two solutions of connecting remote nodes to the main network: The second solution operates on CAN: All nodes need to have a CAN interface, a crystal, there is a two wire connection between the nodes. The upper solution works with a simple SCI and an enhanced ISO 9141 interface, the subnodes don't need a crystal and the connection is just one wire. Cost Factors: CAN Module Dual Wire Interface Crystal 5V supply for bus 2nd Wire / Connector 8

LIN типична мрежа Simplex 12V Operation ECU & Gateway CAN SCI Node A LIN phy IF CAN phy IF 5V Node A Node B XCVR Node C Node D Simplex 12V Operation The LIN solution works with a simple SCI and an enhanced ISO 9141 interface, the subnodes don't need a crystal and the connection is just one wire. This is unlike in CAN, where all nodes need to have a CAN interface, a crystal, there is a two wire connection between the nodes. A significant advantage with LIN protocol is that it offers message timing predictability. The number of transmitted data bytes and the distance between the beginning of two messages is known. This helps in the calculation of the minimum length and the max. message length. Each Message has length budget of 140% of it’s minimum length and therefore the maximum allowed length is known.

Мрежа тела аутомобила пример Today a typical automotive network uses CAN to connect the various ECU with each other. But we have now more and more ECUs, that need to communicate. On this page we look at a simple network. We see a hierachical structure with ECUs and their Sub-Nets We see a lot of small Mechatronic elements that only need local communications 3

LIN Стандард Слојеви Функционални детаљи

LIN стандард Преглед Tools Software Level Hardware ECU (LIN relevant functions only) Operating System Bus Transceiver Application Communication Manager Vehicle Network LIN API Specification LIN Protocol Specification LIN Physical Layer Spec. LIN Config. Language Signal Database Manager (SDM/L) Bus Analyzer (LINSpector) Network Configuration Generator (LCFG) LIN Config Language LIN Conformance Test Specification LIN Recommended Use of Messages and Identifiers

LIN уводни детаљи Слојеви: физички, протоколарни, апликативни Апликација не приступа директно линији него се преко сигнала обавља размена командии формира пакет који се прослеђује на линију

Физички слој

ФИЗИЧКИ СЛОЈ увод Коло са отвореним колектором Магистрала терминирана LIN руководиоцом (1 kOhm)

ФИЗИЧКИ СЛОЈ детаљи Vdd: између 7V и 18V на прикључцима Строги захтеви за симетријом и нагибима ивица (2V/µs) Јако осетљиво због велике толеранције осцилатора (14%) Радни циклус: мин = 39.6 %, макс = 58.1%

ФИЗИЧКИ СЛОЈ Реализација Vdd 8...18V GND recessive logic ‘1’ dominant logic ‘0’ 60% 40% Bus Voltage Time UART Rx Tx LIN Control Unit master: 1k slave: 30k Bus controlled slope ~2V/µs Example capacitances master: 2.2nF slave: 220pF Usually managed by a transceiver Most LIN implementations use a transceiver to manage the interfacing and support the higher voltage levels. Some applications have moved to reduce costs by removing the transceiver and act as “LIN-like” designs. These systems maintain the functionality and features of LIN but due to the 5V bus voltage have less range with noise immunity.

Протоколарни слој

LIN комуникациони принципи Архитектура са руководиоцем и подређенима Руководилац делегира комуникацију (енг. Delegated Token Principle) Слање засновано на дифузном адресирању

Временски детерминизам Приступ: временско окидање (енг. Time Triggered) Такт: стабилан извор Поруке: Позната дужина (временско трајање) Минимална и максимална дужина се лако рачуна (1:1.4) Размак између 2 поруке се лако установи

Комуникациона задужења Руководилац: Прави распоред: редослед и приоритет порука Прегледа податке: проверава сваки октет и препознаје грешке Служи као стабилан извор такта Прима прекиде за буђење (енг. Wake-Up Break) кад је неактиван Подређени: Припада групи од 2-16 уређаја Пријем и слање порука: према одговарајућем ID Слање: 1/2/4/8 октета Руководилац може да буде подређени

ПРЕНОС података 13 bit Break $55 Next 13 bit break

Пренос карактеристике Један руководилац на више подређених Временско окидање: нема арбитраже ID означава садржај поруке а не физичку адресу Слање на више адреса симултано (енг. Multicast) Синхронизација на нивоу бода Доступан штедни режим

Пренос Подређени ка руководиоцу data byte checksum synch field identifier synch break Slave Node Slave Task Trans Slave Task Rec Master Node LIN Master Task quartz

Пренос руководилац ка Подређенима Master Node LIN Master Task Slave Task Trans Slave Task Rec quartz Slave Node A Slave Node B

Пренос Подређени ка Подређеном Slave Node A Slave Task Trans Slave Task Rec Slave Node B Master Node LIN Master Task quartz

Synchronisation field Формат Оквира захтева 0 to 8 data fields checksum message response sync break  13 bit sync field identifier message header Synchronisation frame Synchronisation field Identifier byte Message

Редослед октета byte field SCI / UART format 0 to 8 data fields checksum message response synch break  13 bit synch field identifier message header start stop 1 2 3 4 5 6 7 LSB byte field SCI / UART format

Захтев (Заглавље) Увек га шаље руководилац Користи се за усклађивање и размену контролних информација Садржи идентификационо поље: јако битно за наставак

Поља у заглављу временско усклађивање Поље за предах од усклађивања(енг. Sync Break Field) Претходи усклађивању Период мировања Одвајање 2 оквира Октет за усклађивање времена(енг. Sync Byte): Служи за успостављање временске основе Претходи свим оквирима Мери се време између 2 растуће ивице

Поља у заглављу Заштићено идентификационо поље енг. Protected ID Индиректно описује поруку: Пошиљаоца Примаоца Намена Дужину Дужина 8 бита Доња 2 бита: дужина у 4 класе: 1/2/4/8 октета. Средња 4 бита: идентификатор - 16 по класи – укупно 64 Горња 2 бита: паритет – заштита осетљивог ID поља Специјалан случај: може да иницира спавање магистрале

Оквир одговора Шаље рутина на подређеном уређају Садржи: податке и контролни збир (енг. checksum) Величина: 1-8 октета за податке + 1 за контролни збир Рачунање контролног збира: зависи од верзије протокола

Контролни збир Две врсте: Оквири за дијагностику: увек класични Класични (енг. Classic Checksum) (LIN 1.1, LIN 1.2 and LIN 1.3) Побољшани (енг. Enhanced Checksum) (LIN 2.0, LIN 2.1 and LIN 2.2) Оквири за дијагностику: увек класични

Временско усклађивање Принципи Утицаји Захтеви

Временско усклађивање UART Почетни услови: прецизност +/- 4% за бодску брзину Рефенцирамо се на пошиљаоца Редовно слање захтева усклађене обе стране Stop bit Start-Bit Standard UART byte A normal UART with <4% baud rate error will read back the data correctly

Временско усклађивање LIN Почетни услови: прецизност +/- 15% за бодску брзину Референцирамо се на пошиљаоца и поље за усклађивање Поље за усклађивање: најмање 13 бита Толеранција на почетну раздешеност подређених Start-Bit Normal UART message Master sends a break (13 bits period duration or more) A slow LIN slave may see fewer bit periods 1 2 11 10 13

Иницијално усклађивање LIN Раздешеност пре употребе: линија неактивна – цена и потрошња Непостојање тактне линије: једноставност Отпорно-капацитивни резонатори: прецизност до +/-14 % Поље за предах од усклађивања: Минимално: 13 доминантних бита, 1 рецесивни бит Типично: 18 доминантних бита, 2 рецесивни бит (50% такта)

Поновно усклађивање LIN Асинхрона метода по узору на UART Формат оквира: UART Параметри: 8N1

Поновно усклађивање битски ниво Препознавање опадајуће и растуће ивице Узорковање са 16 пута већом учестаношћу Средња 3 узорка морају да се подударају Потврда брзине Stop-Bit Start-Bit Data is sampled in the middle of the bit field: Sample Clock

Временско усклађивање захтеви (1)The pre-synchronization accuracy in rev. 1.3 is ±15%, but this is tightened to 14% in LIN 2.0 BREAK: The BREAK field is used to activate all attached LIN slaves to listen to the following parts of the header. It consists of one start bit and several dominant bits. The length is at least 11-bit times; standard use as of today are 13-bit times, and therefore differs from the basic data format. This is used to ensure that listening LIN nodes with a main-clock differing from the set bus baud rate in specified ranges will detect the BREAK as the frame starting the communication and not as a standard data byte with all values zero (hexadecimal 0x00). SYNC: The SYNC is a standard data format byte with a value of hexadecimal 0x55. LIN slaves running on RC oscillator will use the distance between a fixed amount of rising and falling edges to measure the current bit time on the bus (the master's time normal) and to recalculate the internal baud rate.

Временско усклађивање утицај помераја уземљења Препознавање напонских ивица: осетљиво на апсолутне вредности Референтне вредности: у односу на уземљење Померај уземљења: велики утицај на тачност мереног времена прагове толеранције (захтеве) Доступност битског усклађивања: смањен најгори случај 40us@20k baud Data timing Sense voltage

РАспоред ПРЕноса

Планирање распореда Руководичац организује распоред у својој груп (кластеру) Распоред: детерминизам без преоптерећења и преклапања Свако заглавље са тачним идентификатором добија почетно време Гаранција за слање сваког заглавља Пажљиво рачунање

ТРАЈАЊЕ ОКВИРА Номинално: временско трајање свих бита n – број декада| | tBit = 1/Baudrate нпр. 1/19.2kbs= 52.1μs

Маргине између поља Подређени уређаји су ниског квалитета - кашњења Временске маргине: до 40% укупног трајања

Маргина пре заглавља Осцилатор има треперење (енг. jitter) Насумична вредност: није константно Потребно на 40% маргине додати и маргину за треперење tLIN_Frame_Slot = 1.4 • tFrame_Nom + tJitter = tFrame_Max + tJitter

СТВАРНИ распоред Времена одзива варирају: различитости подређених Оптимална јединица распореда: детерминистички временски прорез Трајање прореза: могуће подешавати унапред - оптимизовано

Пример распореда Свака порука има прилагођен број прореза

Време обраде new value available for read call completion of frame trans-mission start of frame trans-mission new value available for trans-mission notional generation latency (signal) consump-tion time consumption message length (frame) scheduling notification LIN availability time (signal) maximum age (signal)

ПОБОЉШАЊЕ кашњења Basic schedule Window Status Master Command Mirror Lock Keyboard Basic schedule Alternate schedule for low latency signals from a keyboard

Променљиво распоређивање Sub Schedule Table Main Schedule Table Sub Schedule Table Alternate Msg A Msg E Msg D Msg C Msg B Msg F Decision Msg G

Врсте одговора

Врсте одговора Одговори носе податке Безусловни оквир (енг. Unconditional Frames) (ID 0-59) Дијагностички оквир (енг. Diagnostic Frames) (ID 60-61) Временски диригован оквир (енг. Event triggered frame) (ID 0-59) Спорадични оквир (енг. Sporadic frame) (ID 0-59) Остали оквири (енг. Other Frames) (ID 62-63) User-defined (ID=62, ID=0x3E) Future extensions (ID=63, ID=0x3F)

Безусловни оквир енг. Unconditional Један тачно дефинисани подређени који шаље одговор Сваки захтев (заглавље) се шаље у посебном прорезу Потребно обезбедити довољно велик прорез за одговор

Безусловни пакет Пакет се углавном шаље сваког циклуса распореда Могуће слати више пута у току истог циклуса, зависи од аплик Пријем одговора доступан свим подређенима и руководиоцу

Дијагностички оквир Две подврсте: Захтев (енг. Master Request Frame) (ID=60, ID=0x3C) Заглавље и одговор шаље руководилац Употреба: захтев за дијагностиком и подешавањем Одговор (енг. Slave Response Frame) (ID=61, ID=0x3D) Заглавље шаље руководилац а одговор одговарајући подређени Употреба: одговор на захтев за дијагностиком и подешавањем Могуће слати сегментирано: више заредом без заглавља

Временски диригован оквир Служи за груписање више повремених безусловних оквира Логика: уштеда у циклусу - кратки одговори без заузимања распореда Одговори: садрже очитавања уколико су се променила Последица: више подређених могуће одговара на исто заглавље Велика већина времена: само један одговор Веома ретки случајеви: могућност појаве судара Судари се избегавају паметним осмишљавањем мреже Евентуалне сударе решава руководилац

Спорадични оквир Служи за груписање више повремених безусловних оквира Логика: уштеда у циклусу - кратки одговори без заузимања распореда Руководилац шаље захтев кад претпоставља да се вредост променила Уштеда: смањење трајања циклуса Предности: реактивније – бржи одговори

Пример дириговани и спорадични

Извештај о грешкама LIN даје могућност препознавања грешака: паритет и контролна сума LIN не пружа решавање грешака LIN одбацује поруке са грешком Подређени надгледа и евидентира своје стање и грешке у извештај Извештај се периодично шаље руководиоцу (LIN 2.0) Руководилац захтева, анализира и реагује на извештаје Корисник може додатно да дефинише како се решавају грешке

Захтев за буђењем Шаље се уколико подређени „ухвати“ руководиоца на спавању Понавља се уколико није имао ефекта

Циклус активности

Подешавање и дијагностика Подређени

Дијагностика Постоје 3 начина да се изврши дијагностика: Мерењем сигнала осцилоскопом Анализом размене пакета (базирано на CAN ISO15765-2) Кориснички дефинисан начин

Подешавање Доступни алати од произвођача(нпр. Vector) Могуће почевши од верзије LIN2.0 Оквири за подешавање су несегментирани (један за један) Следећи сервиси су доступно за подешавање: 0xB0 - Assign NAD (додељивање идентификатора уређаја) 0xB1 - Assign Frame ID (LIN 2.0) (додељивање опсега оквира) 0xB2 – Read by Identifier (читање према идентификатору) 0xB3 – Conditional change NAD (not part of ISO17987 anymore) 0xB4 – Data Dump (извлачење свих подешавања) 0xB5 – Assign NAD via SNPD (Slave Node Position Detection) 0xB6 – Save Configuration (since LIN2.1) (снимање ) 0xB7 – Assign Frame ID Range (since LIN2.1)

Пример подешавања са

Пример подешавања

Пример подешавања

Подешавање Мреже

РАзвојни ток Database Manager Database LIN Configuration Description File LIN Configuration Tool User provided Information (Target-Hardware- Information) LIN Application & Configuration Code ECU Application Code LIN Bus-Analyzer Target Image Compiler / Linker LIN API LIN-Bus ECU LIN Bus-Emulator

Конигурациона датотека Садржи информације о: Мрежним сигналима Трајањима циклуса Распореду Мрежним чворовима на које се примењује подешавање Сачињава се на основу произвођачких докумената о уређају Подређене уређаје праве добављачи OEM (енг. Original Equipement Manufacturer) саставља кластере и прави подешавања Даје улазе за LIN Application Generator LIN-Emulator LIN Analyser

ТОК подешавања Улазни подаци Размена података Излазна подешавања Описивање уређаја, њихових подешавања и својстава Описивање односа између уређаја Размена података Паковање оквира и сигнала (Frame Editor/Frame Compiler) Временска анализа Прављење оптималног распореда Излазна подешавања Снимање подешавања Могућност додатних користичких захвата

закључци за понети Шта смо радили

LIN vs CAN Wrapping up the session in which we have completed a high level overview of CAN & LIN, I would like to summarize the differences…. Let us look at some of the reasons when LIN is chosen over CAN Size of network is 16 nodes or less When lower speed (2-20 kbit/s) is acceptable When EMI/EMS characteristics are important When guaranteed latency times for signal transmissions needed Single Master with multiple Slaves When bandwidth of another main bus should be freed Need a protocol without licensing fees

КВИЗ Који су разлози за стварање LIN? Now time for another question… Let us look at some of the reasons when LIN is chosen over CAN Size of network is 16 nodes or less When lower speed (2-20 kbit/s) is acceptable When EMI/EMS characteristics are important When guaranteed latency times for signal transmissions needed Single Master with multiple Slaves When bandwidth of another main bus should be freed Need a protocol without licensing fees

закључци за понети LIN направљен као компатибилна алтернатива CAN Покрива подмреже Јефтин, једноставан, једна линија Смањује тежину ожичења возила Робустан и детерминистички Мање брзине и кратке поруке: читања сензора, команде за актуаторе Препознавање грешака Подешавање кроз датотеку