知っておきたいLINの基礎知識 その2：車載ネットワーク「LIN」入門（2）（1/3 ページ）

前回に引き続き、LINの基礎知識を解説。今回は「LINフレームの構造」「ネットワークマネジメント」「LIN記述ファイル」について詳しく見ていこう

[倉田正人（ベクター・ジャパン），MONOist]

　連載第1回「知っておきたいLINの基礎知識 その1」では、LINの基礎知識としてLINプロトコルの特徴やハードウェア、通信方式について解説しました。

　今回は、「LINフレームの構造」「ネットワークマネジメント」「LIN記述ファイル（LDF：LIN Description File）」について説明します。

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1.フレーム構造

　前回説明したとおり、LINは「マスター・スレーブ方式」で通信を行います。1つのLINフレームは「ヘッダー」と「レスポンス」で構成されており、ヘッダーは「マスタータスク（マスターノード）」から送信され、レスポンスは「スレーブタスク（マスターノードまたはスレーブノード）」から送信されます。

　ここでは、ヘッダーとレスポンスのフレーム構成を説明します。

ヘッダー

　ヘッダーは「Break」「Synch」「Protected ID（PID）」の3つのフィールドで構成されています（図1）。

図1　ヘッダーの構成（※ベクター・ジャパンの資料を基に作成）
※LIN1.xは、プロトコルバージョンLIN1.0〜1.3、LIN2.xはLIN2.0〜2.1を表す。BreakフィールドとPIDフィールドは、LINプロトコルバージョンによって名称が異なる

• Breakフィールド
  　Breakフィールドは、ほかのフィールドと異なり、意図的にフレーミングエラー（スタートビットから数えて10ビット目にストップビットが検出されない場合に発生）を起こすことにより、すべてのスレーブノードにLINフレームの開始を通知します。
  
  　BreakフィールドはBreakとBreak-delimiterで構成され、Breakは13ビット以上のドミナント、Break-delimiterは1ビット以上のリセッシブとなります。Break-delimiterは、Breakの終わりを表します。
  
  
• Synchフィールド
  　連載第1回の同期方法で説明した「同期信号」がSynchフィールドです。Synchフィールドは、各ノード間のクロック誤差の補正に使用し、0x55 UARTフレーム（スタートビット／ストップビットあり）を送信します。スレーブノードは、立ち下がりエッジの最初と最後の時間差を8で割ることによって算出された1ビットの時間間隔（TBit）を基に、各ノードのクロック誤差を調整します（図2）。ただし、高精度のクロック回路（許容誤差±1.5％）を使用した場合は、クロック誤差の調整は必要ありません。

図2　Synchフィールド（※ベクター・ジャパンの資料を基に作成）※Synchフィールドにより、各ノードの通信速度をマスターノードの通信速度に合わす。これにより各ノードのクロック誤差が調整される

• Protected ID（PID）フィールド
  　PIDフィールドは、LINフレームの識別情報を表す6ビット（0〜5ビット）のフレームIDと、2ビット（6、7ビット）のパリティの合計8ビットで構成されています（図3）。

図3　Protected IDフィールド （※ベクター・ジャパンの資料を基に作成）
・フレームIDの範囲は、6ビットで表現できる0〜63（0x3F）です。ただし、フレームID 60（0x3C）、61（0x3D）は診断フレームとして使用するなど、LIN仕様上、すでに役割が定義されているフレームIDもあります。
・パリティには、フレームIDから演算式によって求められた値が格納されます。ヘッダーを受信したノードは、ヘッダー内のパリティビットの値とフレームIDから演算した値を比較し、正しいフレームIDを受信したかどうかを確認します。

　LIN1.xでは、PIDフィールドを「Identifier（ID）」フィールドと呼び、5、6ビット目（図3のID4、ID5）にレスポンスのデータ長（DLC：Data Length Code）の情報を格納する場合があります。

レスポンス

　レスポンスは「データ」「チェックサム」の2つのフィールドで構成されています。データ、チェックサムともに、UARTフレーム（スタートビット／ストップビットあり）で送信します（図4）。

図4　レスポンス（※ベクター・ジャパンの資料を基に作成）

• データフィールド
  　データフィールドには、最大8バイトのデータが格納されます。
  
  
• チェックサム
  　チェックサムは、データを正確に受信できたかどうかを確認するために使用します。チェックサムには、各データ値の総和を反転した値が格納されます。ただし、総和の結果がけたあふれとなった場合、けた上がり値を演算結果に加算する必要があります（モジューロ256方式）。チェックサムには、「標準チェックサム（Classic Checksum）」「拡張チェックサム（Enhanced Checksum）」の2種類があります。

・標準チェックサム

→演算対象は、すべてのデータバイト

→LIN1.xのすべてのフレームIDに使用

→LIN2.xでは、診断フレーム（フレームID 60〜61）のみ使用

・拡張チェックサム

→演算対象は、PIDおよびすべてのデータバイト

→LIN2.xのフレームID 0〜59に使用

　このように、LINフレームの先頭部分（Synchフィールド）でクロック誤差の調整をすることで、各スレーブノードはマスターノードからフレームIDを受信し、データの送受信を行うことができます。また、フレームIDやデータが正しく送受信できたかどうかを各ノードが確認するために、LINフレームにはパリティ、チェックサムが含まれています。

時間規定

　LINフレームは、LINスケジュールによって各フレームの送信タイミングが重複しないように定義されます。その簡易的なハードウェア構成により、LINフレームの送信時間に「レスポンススペース」や「インターバイトスペース」と呼ばれる時間が含まれることを許容しており、これらの時間誤差を考慮してスケジュールを設計する必要があります（図5）。

図5　時間規定（※ベクター・ジャパンの資料を基に作成）

　LINフレームの送信に必要な時間は、以下の式で求めることができます。「公称タイミング」とはレスポンススペース、インターバイトスペースを含めず、Breakを13ビット（最小値）、Break-delimiterを1ビット（最小値）として求めたビット時間です。

　レスポンススペース、インターバイトスペースなどの許容時間は、LINフレームごとに最大40％です。そのため、LINフレームの最大時間は、以下の式で求めることができます。

　LINスケジュールの時間単位は、「タイムベース（Time_Base）」と呼ばれ、LINスケジュールを処理するための最小時間単位となります。例えば、タイムベースが5msとなっている場合、LINフレームの送信間隔は5ms単位で設定ができます。一般的にタイムベースは、5msまたは10msがよく使われています。

　また、1つのLINフレームに必要なタイムベースの合計を「フレームスロット（Frame-Slot）」と呼びます。