汽車網絡與(yu) 總線標準

   汽車作為(wei) 一種交通工具，目前承擔起了越來越多的功能。現代科技已經將網際網絡、無線連接、個(ge) 人通訊電子裝置、娛樂(le) 設備等整合到汽車內(nei) 部，與(yu) 動力係統相結合，為(wei) 乘客提供了前所未有的便利。而這一切都有賴於(yu) 汽車網絡技術，它是汽車電子發展的重要方向之一。

   過去，汽車通常采用點對點的通信方式，將電子控製單元及負載設備連接起來。隨著電子設備的不斷增加，勢必造成導線數量的不斷增多，從(cong) 而使得在有限的汽車空間內(nei) 布線越來越困難，限製了功能的擴展。同時導線質量每增加50 kg，油耗會(hui) 增加0.2 L/100 km。此外，電控單元並不是僅(jin) 僅(jin) 與(yu) 負載設備簡單地連接，更多的是與(yu) 外圍設備及其他電控單元進行信息交流，並經過複雜的控製運算，發出控製指令，這些是不能通過簡單地連接所能完成的。而單從(cong) 線束本身來說，它也是汽車電子係統中成本較高，連接複雜的部件。

   隨著汽車電子控製單元以及汽車電子裝置的不斷增多，采用串行總線實現多路傳(chuan) 輸，組成汽車電子網絡，是一種既可靠又經濟的做法。同時現代汽車基於(yu) 安全性和可靠性的要求，正越來越多地考慮使用電控係統代替原有的機械和液壓係統。

   1．汽車電子網絡結構

   在汽車內(nei) 部采用基於(yu) 總線的網絡結構，可以達到信息共享、減少布線、降低成本以及提高總體(ti) 可靠性的目的。通常的汽車網絡結構采用多條不同速率的總線分別連接不同類型的節點，並使用網關(guan) 服務器來實現整車的信息共享和網絡管理。

   車身係統的控製單元多為(wei) 低速馬達和開關(guan) 量器件，對實時性要求低而數量眾(zhong) 多。使用低速的總線連接這些電控單元。將這部分電控單元與(yu) 汽車的驅動係統分開，有利於(yu) 保證驅動係統通信的實時性。此外，采用低速總線還可增加傳(chuan) 輸距離、提高抗幹擾能力以及降低硬件成本。

   動力與(yu) 傳(chuan) 動係統的受控對象直接關(guan) 係汽車的行駛狀態，對通訊實時性有較高的要求。因此使用高速的總線連接動力與(yu) 傳(chuan) 動係統。傳(chuan) 感器組的各種狀態信息可以廣播的形式在高速總線上發布，各節點可以在同一時刻根據自己的需要獲取信息。這種方式最大限度地提高了通信的實時性。故障診斷係統是將車用診斷係統在通信網絡上加以實現。

信息與(yu) 車載媒體(ti) 係統對於(yu) 通訊速率的要求更高，一般在2 Mb/s以上。采用新型的多媒體(ti) 總線連接車載媒體(ti) 。這些新型的多媒體(ti) 總線往往是基於(yu) 光纖通信的，從(cong) 而可以充足保證帶寬。

   網關(guan) 是電動汽車內(nei) 部通信的核心，通過它可以實現各條總線上信息的共享以及實現汽車內(nei) 部的網絡管理和故障診斷功能。

   隨著新技術的不斷發展，在未來的汽車網絡中，還將會(hui) 有專(zhuan) 門用於(yu) 氣囊的安全總線係統，以及X-by-Wire係統。

   2．汽車總線標準、協議

   國際上眾(zhong) 多知名汽車公司早在20世紀80年代就積極致力於(yu) 汽車網絡技術的研究及應用，迄今為(wei) 止，已有多種網絡標準。目前存在的多種汽車網絡標準，其側(ce) 重的功能有所不同。為(wei) 方便研究和設計應用，SAE車輛網絡委員會(hui) 將汽車數據傳(chuan) 輸網劃分為(wei) A、B、C三類。

   A類是麵向傳(chuan) 感器/執行器控製的低速網絡，數據傳(chuan) 輸位速率通常小於(yu) 1O kb/s，主要用於(yu) 後視鏡調整，電動窗、燈光照明等控製；B類是麵向獨立模塊間數據共享的中速網絡，位速率在10-125 kb/s，主要應用於(yu) 車身電子舒適性模塊、儀(yi) 表顯示等係統；C類是麵向高速、實時閉環控製的多路傳(chuan) 輸網，位速率在125 kb/s-1 Mb/s之間，主要用於(yu) 牽引控製、先進發動機控製、ABS等係統。

   在今天的汽車中，作為(wei) 一種典型應用，車體(ti) 和舒適性控製模塊都連接到CAN總線上，並借助於(yu) LIN總線進行外圍設備控製。而汽車高速控製係統，通常會(hui) 使用高速CAN總線連接在一起。遠程信息處理和多媒體(ti) 連接需要高速互連，視頻傳(chuan) 輸又需要同步數據流格式，這些都可由D2B(Domestic Digital Bus)或MOST(Media Oriented Systems Transport) 協議來實現。無線通信則通過Blue tooth技術加以實現。而在未來的5-10年裏，TTP(Time Trigger Protocol)和Flex Ray將使汽車發展成百分之百的電控係統，完全不需要後備機械係統的支持。

   但是，至今仍沒有一個(ge) 通信網絡可以完全滿足未來汽車的所有成本和性能要求。因此，汽車製造商和OEM(Original Equipment Manufacture)商仍將繼續采用多種協議(包括LIN、CAN和MOST等),以實現未來汽車上的聯網。

   （1）A類總線標準、協議

   A類的網絡通信大部分采用UART(Universal Asynchronous Reveiver/Transmitter)標準。UART使用起來既簡單又經濟，但隨著技術的發展，預計在今後幾年中將會(hui) 逐步在汽車通信係統中被停止使用。而GM公司所使用的E&C(Entertainment and Comfor)、Chrysler公司所使用CCD(Chrysler Collision Detection)和Ford公司使用的ACP(Audio Control Protocol)，現在已逐步停止使用。Toyota公司製定的一種通信協議BEAN(Body Electronics Area Network)目前仍在其多種車型(Clesior、Aristo、Prius和Celica)中加以應用。

   A類目前首選的標準是LIN。LIN是用於(yu) 汽車分布式電控係統的一種新型低成本串行通信係統，它是一種基於(yu) UART的數據格式、主從(cong) 結構的單線12V的總線通信係統，主要用於(yu) 智能傳(chuan) 感器和執行器的串行通信，而這正是CAN總線的帶寬和功能所不要求的部分。由於(yu) 目前尚未建立低端多路通信的汽車標準，因此LIN正試圖發展成為(wei) 低成本的串行通信的行業(ye) 標準。

   LIN的標準簡化了現有的基於(yu) 多路解決(jue) 方案的低端SCI，同時將降低汽車電子裝置的開發、生產(chan) 和服務費用。LIN采用低成本的單線連接，傳(chuan) 輸速度最高可達20kb/s，對於(yu) 低端的大多數應用對象來說，這個(ge) 速度是可以接受的。它的媒體(ti) 訪問采用單主/多從(cong) 的機製，不需要進行仲裁，在從(cong) 節點中不需要晶體(ti) 振蕩器而能進行自同步，這極大地減少了硬件平台的成本。

   在表1中，給出了LIN總線以及下列其他各類典型汽車總線標準、協議特性和參數。

   類別：A類B類C類診斷 多媒體(ti) X-by-Wire 安全

   名稱：LIN  ISO11519-2  ISO11898（SAE J1939）ISO15765  D2B（MOST）Flexray  Safety bus
   所屬機構：Motorola  ISO/SAE  ISO/TMC-ATA  ISO  PHILIPS  BMW&DC  Delphi
   用途：智能傳(chuan) 感器  控製、診斷  控製、診斷  診斷  數據流控製  電傳(chuan) 控製  氣囊
   介質：單根線 雙絞線 雙絞線 雙絞線 光纖 雙線 雙線
   位編碼：NRZ  NRZ-5  NRZ-5  NRZ  Biphase  NRZ  RTZ
   媒體(ti) 訪問：主/從(cong)   競爭(zheng) 競爭(zheng) TESTER/SLAVE  TOKEN RING  FTDMA  主/從(cong)

   錯誤檢：8位CS  CRC  CRC  CRC  CRC  CRC  CRC
   數據長度：8字節  0~8字節 8字節 0~8字節 12字節 24~39字節
   位速率20kb/s  10~1250kb/s  1Mb/s（250kb/s）250kb/s  12Mb/s（25Mb/s）5Mb/s  500kb/s
   總線最大長度40m  40m（典型） 40m  40m  無限製 無限製 未定
   最大節點數：16  32 30（STP）10（UTP）32 24 64 64
   成本：低 中 中 中 高 中 中

   （2）B類總線標準、協議

   B類中的國際標準是CAN總線。CAN總線是德國BOSCH公司從(cong) 20世紀80年代初為(wei) 解決(jue) 現代汽車中眾(zhong) 多的控製與(yu) 測試儀(yi) 器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1Mb/s。CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗餘(yu) 檢驗、優(you) 先級判別等項工作。CAN協議的一個(ge) 最大特點是廢除了傳(chuan) 統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼，最多可標識2048(2.OA)個(ge) 或5億(yi) (2.OB)多個(ge) 數據塊。采用這種方法的優(you) 點可使網絡內(nei) 的節點個(ge) 數在理論上受限製。數據段長度最多為(wei) 8個(ge) 字節，不會(hui) 占用總線時間過長，從(cong) 而保證了通信的實時性。CAN協議采用CRC檢驗並可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。

   B類標準采用的是ISO11898，傳(chuan) 輸速率在lOOkb/s左右。對於(yu) 歐洲的各大汽車公司從(cong) 1992年起，一直采用ISO11898，所使用的傳(chuan) 輸速率範圍從(cong) 47.6-500kb/s不等。近年來，基於(yu) ISO11519的容錯CAN總線標準在歐洲的各種車型中也開始得到廣泛的使用，ISO11519-2的容錯低速2線CAN總線接口標準在轎車中正在得到普遍的應用，它的物理層比ISO11898要慢一些，同時成本也高一些，但是它的故障檢測能力卻非常突出。與(yu) 此同時，以往廣泛適用於(yu) 美國車型的J1850正逐步被基於(yu) CAN總線的標準和協議所取代。

   （3）高速總線係統標準、協議

   由於(yu) 高速總線係統主要用於(yu) 與(yu) 汽車安全相關(guan) ，以及實時性要求比較高的地方，如動力係統等，所以其傳(chuan) 輸速率比較高。根據傳(chuan) 統的SAE的分類，該部分屬於(yu) C類總線標準，通常在125kb/s-1Mb/s之間，必須支持實時的周期性的參數傳(chuan) 輸。目前，隨著汽車網絡技術的發展，未來將會(hui) 使用到具有高速實時傳(chuan) 輸特性的一些總線標準和協議，包括采用時間觸發通訊的X by Wire係統總線標準和用於(yu) 安全氣囊控製和通訊的總線標準、協議。

   ①C類總線標準、協議。在C類標準中，歐洲的汽車製造商基本上采用的都是高速通信的CAN總線標準IS011898。而J1939供貨車及其拖車、大客車、建築設備似及農(nong) 業(ye) 設備使用，是用來支持分布在車輛各個(ge) 不同位置的電控單元之間實現實時閉環控製功能的高速通信標準，其數據傳(chuan) 輸速率為(wei) 250kb/s。在美國，GM公司已開始在所有的車型上使用其專(zhuan) 屬的所謂GMLAN總線標準，它是一種基於(yu) CAN的傳(chuan) 輸速率在500kb/s的通信標準。

   ISO11898針對汽車(轎車)電子控製單元(ECU)之間，通信傳(chuan) 輸速率大於(yu) 125kb/s，最高1Mb/s時，使用控製器局域網絡構建數字信息交換的相關(guan) 特性進行了詳細的規定。

   J1939使用了控製器局域網協議，任何ECU在總線空閑時都可以發送信息，它利用協議中定義(yi) 的擴展幀29位標識符實現一個(ge) 完整的網絡定義(yi) 。29位標識符中的前3位被用來在仲裁過程中決(jue) 定消息的優(you) 先級。對每類消息而言，優(you) 先級是可編程的。這樣原始設備製造商在需要時可以對網絡進行調整。J1939通過將所有11位標識符消息定義(yi) 為(wei) 專(zhuan) 用，允許使用11位標識符的CAN標準幀的設備在同一個(ge) 網絡中使用。這樣，11位標識符的定義(yi) 並不是直接屬於(yu) J1939的一個(ge) 組成部分，但是也被包含進來。這是為(wei) 了保證其使用者可以在同一網絡中並存而不出現衝(chong) 突。

   ②安全總線和標準。安全總線主要是用於(yu) 安全氣囊係統，以連接加速度計、安全傳(chuan) 感器等裝置，為(wei) 被動安全提供保障。目前已有一些公司研製出了相關(guan) 的總線和協議，包括Delphi公司的Safety Bus和BMW公司的Byteflight等。

   Byteflight主要以BMW公司為(wei) 中心製訂。數據傳(chuan) 輸速率為(wei) 10 Mb/s，光纖可長達43m。Byteflight不僅(jin) 可以用於(yu) 安全氣囊係統的網絡通信，還可用於(yu) X by Wire係統的通信和控製。BMW公司在2001年9月推出的新款BMW 7係列車型中，采用了一套名為(wei) ISIS(Intelligent Safety Integrated System)的安全氣囊控製係統，它是由14個(ge) 傳(chuan) 感器構成的網絡，利用Byteflight來連接和收集前座保護氣囊、後座保護氣囊以及膝部保護氣囊等安全裝置的信號。在緊急情況下。中央電腦能夠更快更準確地決(jue) 定不同位置的安全氣囊的施放範圍與(yu) 時機，發揮最佳的保護效果。

   ③X by Wire總線標準、協議。X by Wire最初是用在飛機控製係統中，稱為(wei) 電傳(chuan) 控製，現在已經在飛機控製中得到廣泛應用。由於(yu) 目前對汽車容錯能力和通信係統的高可靠性的需求日益增長，X by Wire開始應用於(yu) 汽車電子控製領域。在未來的5-10年裏，X by Wire技術將使傳(chuan) 統的汽車機械係統(如刹車和駕駛係統)變成通過高速容錯通信總線與(yu) 高性能CPU相連的電氣係統。在一輛裝備了綜合駕駛輔助係統的汽車上，諸如Steer by Wire、Brake by Wire和電子閥門控製等特性將為(wei) 駕駛員帶來全新駕駛體(ti) 驗。為(wei) 了提供這些係統之間的安全通信，就需要一個(ge) 高速、容錯和時間觸發的通信協議。目前，這一類總線標準主要有TTP、Byteflight和Flex Ray。

   TTP(時間觸發協議)是由維也納理工大學的H.Kopetz教授開發的。時間觸發係統和事件觸發係統的工作原理大不相同。對時間觸發係統來說，控製信號起源於(yu) 時間進程；而在事件觸發係統中，控製信號起源於(yu) 事件的發生(如一次中斷)。這項開發工作後來作為(wei) 一個(ge) 被歐洲委員會(hui) 資助的項目，進一步發展成為(wei) 一種汽車自動駕駛應用係統。TTP創立了大量汽車X by Wire控製係統，如駕駛控製和製動控製。TTP是一個(ge) 應用於(yu) 分布式實時控製係統的完整的通信協議.它能夠支持多種的容錯策略，提供了容錯的時間同步以及廣泛的錯誤檢測機製，同時還提供了節點的恢複和再整合功能。其采用光纖傳(chuan) 輸的工程化樣品速度將達到25Mb/s。

   如前所述BMW公司的By teflight可用於(yu) X by Wire係統的網絡通信。Byteflight的特點是既能滿足某些高優(you) 先級消息需要時間觸發，以保證確定延遲的要求，叉能滿足某些消息需要事件觸發，需要中斷處理的要求。但其它汽車製造商目前並無意使用Byteflight，而計劃采用另一種規格——Flexray。這是一種新的特別適合下一代汽車應用的網絡通信係統，它采用FTDM(Flexible Time Division Multiple Access)的確定性訪問方式，具有容錯功能和確定的消息傳(chuan) 輸時間，能夠滿足汽車控製係統的高速率通信要求。BMW、Daimler-Chrysler、Motorola和Philips聯合開發和建立了這個(ge) FlexRay標準，GM公司也加入了FlexRay聯盟，成為(wei) 其核心成員，共同致力於(yu) 開發汽車分布式控製係統中高速總線係統的標準。該標準不僅(jin) 提高了一致性、可靠性、競爭(zheng) 力和效率，而且還簡化了開發和使用，並降低了成本。

   （4）診斷係統總線標準、協議

   故障診斷是現代汽車必不可少的一項功能，使用排放診斷的目的主要是為(wei) 了滿足OBD-Ⅱ (ON Board Diagnose).OBD-Ⅲ或E-OBD(European-On Board Diagnose)標準。目前，許多汽車生產(chan) 廠商都采用ISO14230(Keyword Protocol 2000)作為(wei) 診斷係統的通信標準，它滿足OBD-Ⅱ和OBD-Ⅲ的要求。在歐洲，以往診斷係統中使用的是ISO9141，它是一種基於(yu) UART的診斷標準，滿足OBD-Ⅱ的要求。美國的GM、Ford、DC公司廣泛使用J1850(不含診斷協議)作為(wei) 滿足OBD-Ⅱ的診斷係統的通信標準。但隨著CAN總線的廣泛應用，預計到2004年，美國三大汽車公司將對乘用車采用於(yu) CAN的J2480診斷係統通信標準，它滿足OBD-Ⅲ的通信要求。從(cong) 2000年開始，歐洲汽車廠商已經開始使用一種基於(yu) CAN總線的診斷係統通信標準ISO315765，它滿足E-OBD的係統要求。

   目前，汽車的故障診斷主要是通過一種專(zhuan) 用的診斷通信係統來形成一套較為(wei) 獨立的診斷網絡，ISO9141和ISO14230就是這類技術上較為(wei) 成熟的診斷標準。而ISO15765適用於(yu) 將車用診斷係統在CAN總線上加以實現的場合，從(cong) 而適應了現代汽車網絡總線係統的發展趨勢。ISO15765的網絡服務符合基於(yu) CAN 的車用網絡係統的要求，是遵照ISO14230-3及ISO15031-5中有關(guan) 診斷服務的內(nei) 容來製定的，因此，ISO15765對於(yu) ISO14230應用層的服務和參數完全兼容，但並不限於(yu) 隻用在這些國際標準所規定的場合，因而有廣泛的應用前景。

   （5）多媒體(ti) 係統總線標準、協議

   汽車多媒體(ti) 網絡和協議分為(wei) 三種類型，分別是低速、高速和無線，對應SAE的分類相應為(wei) :IDB-C(Intelligent Data BUS-CAN)、IDB-M(Multimedia)和IDB-Wireless,其傳(chuan) 輸速率250kb/s-1OOMb/s。

   低速用於(yu) 遠程通信、診斷及通用信息傳(chuan) 送，IDE-C按CAN總線的格式以250kb/s的位速率進行消息傳(chuan) 送。由於(yu) 其低成本的特性，IDB-C有望成為(wei) 汽車類產(chan) 品的標準之一，並有可能於(yu) 2004年前在OEM方式的車輛中推行。GM公司等美國汽車製造商計劃使用POF(Plastic Optical Fiber)在車中安裝以IEEE1394為(wei) 基礎的IDE-1394，預計Toyota等日本汽車製造商也將跟進采用POF。由於(yu) 消費者手中已經有許多1394標準下的設備，並與(yu) IDE-1394相兼容，因此，IDE-1394將隨著IDE產(chan) 品進入車輛的同時而成為(wei) 普遍的標準。

   高速主要用於(yu) 實時的音頻和視頻通信，如MP3、DVD和CD等的播放，所使用的傳(chuan) 輸介質是光纖，這一類裏主要有D2B、MOST和IEEE1394。

   D2B是用於(yu) 汽車多媒體(ti) 和通信的分布式網絡，通常使用光纖作為(wei) 傳(chuan) 輸介質，可連接CD播放器、語音控製單元、電話和因特網。D2B技術已使用於(yu) Mercedes公司1999年款的S-Class車型。

   Damiler-Chrysler等公司計劃與(yu) BWM公司一樣使用MOST。MOST是車輛內(nei) LAN的接口規格，用於(yu) 連接車載導航器和無線設備等。數據傳(chuan) 轉速度為(wei) 24Mbp/s。其規格主要由德國Oasis Silicon System公司製訂。

   在無線通信方麵，采用Bluethootn規範，它主要是麵向下一代汽車應用，如聲音係統、信息通信等。目前已有一些公司研製出了基於(yu) Bluethooth技術的處理器，如美國德州儀(yi) 器公司(TI)不久前宣布推出一款新型基於(yu) ROM的藍牙基帶處理器，可用於(yu) 通訊及娛樂(le) 或PC外設等方麵。

   隨著電子技術和大規模集成電路的迅速發展，網絡技術在汽車上的廣泛應用使汽車的動力性、操作穩定性、安全性等都上升到了新的高度，給汽車技術的發展注入了新的活力。