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   汽車網絡與總線標準

   汽車作為一種交通工具，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、個人通訊電子裝置、娛樂設備等整合到汽車內部，與動力系統相結合，為乘客提供了前所未有的便利。而這一切都有賴于汽車網絡技術，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，將電子控制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，從而使得在有限的汽車空間內布線越來越困難，限制了功能的擴展。同時導線質量每增加50 kg，油耗會增加0.2 L/100 km。此外，電控單元并不是僅僅與負載設備簡單地連接，更多的是與外圍設備及其他電控單元進行信息交流，并經過復雜的控制運算，發出控制指令，這些是不能通過簡單地連接所能完成的。而單從線束本身來說，它也是汽車電子系統中成本較高，連接復雜的部件。

   隨著汽車電子控制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。同時現代汽車基于安全性和可靠性的要求，正越來越多地考慮使用電控系統代替原有的機械和液壓系統。

   1．汽車電子網絡結構

   在汽車內部采用基于總線的網絡結構，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，并使用網關服務器來實現整車的信息共享和網絡管理。

   車身系統的控制單元多為低速馬達和開關量器件，對實時性要求低而數量眾多。使用低速的總線連接這些電控單元。將這部分電控單元與汽車的驅動系統分開，有利于保證驅動系統通信的實時性。此外，采用低速總線還可增加傳輸距離、提高抗干擾能力以及降低硬件成本。

   動力與傳動系統的受控對象直接關系汽車的行駛狀態，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傳動系統。傳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。故障診斷系統是將車用診斷系統在通信網絡上加以實現。

信息與車載媒體系統對于通訊速率的要求更高，一般在2 Mb/s以上。采用新型的多媒體總線連接車載媒體。這些新型的多媒體總線往往是基于光纖通信的，從而可以充足保證帶寬。

   網關是電動汽車內部通信的核心，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，還將會有專門用于氣囊的安全總線系統，以及X-by-Wire系統。

   2．汽車總線標準、協議

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

   A類是面向傳感器/執行器控制的低速網絡，數據傳輸位速率通常小于1O kb/s，主要用于后視鏡調整，電動窗、燈光照明等控制；B類是面向獨立模塊間數據共享的中速網絡，位速率在10-125 kb/s，主要應用于車身電子舒適性模塊、儀表顯示等系統；C類是面向高速、實時閉環控制的多路傳輸網，位速率在125 kb/s-1 Mb/s之間，主要用于牽引控制、先進發動機控制、ABS等系統。

   在今天的汽車中，作為一種典型應用，車體和舒適性控制模塊都連接到CAN總線上，并借助于LIN總線進行外圍設備控制。而汽車高速控制系統，通常會使用高速CAN總線連接在一起。遠程信息處理和多媒體連接需要高速互連，視頻傳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年里，TTP(Time Trigger Protocol)和Flex Ray將使汽車發展成百分之百的電控系統，完全不需要后備機械系統的支持。

   但是，至今仍沒有一個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，汽車制造商和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，預計在今后幾年中將會逐步在汽車通信系統中被停止使用。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公司制定的一種通信協議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是用于汽車分布式電控系統的一種新型低成本串行通信系統，它是一種基于UART的數據格式、主從結構的單線12V的總線通信系統，主要用于智能傳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。由于目前尚未建立低端多路通信的汽車標準，因此LIN正試圖發展成為低成本的串行通信的行業標準。

   LIN的標準簡化了現有的基于多路解決方案的低端SCI，同時將降低汽車電子裝置的開發、生產和服務費用。LIN采用低成本的單線連接，傳輸速度最高可達20kb/s，對于低端的大多數應用對象來說，這個速度是可以接受的。它的媒體訪問采用單主/多從的機制，不需要進行仲裁，在從節點中不需要晶體振蕩器而能進行自同步，這極大地減少了硬件平臺的成本。

   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 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：智能傳感器  控制、診斷  控制、診斷  診斷  數據流控制  電傳控制  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
   媒體訪問：主/從  競爭 競爭 TESTER/SLAVE  TOKEN RING  FTDMA  主/從

   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  無限制 無限制 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20世紀80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀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、循環冗余檢驗、優先級判別等項工作。CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼，最多可標識2048(2.OA)個或5億(2.OB)多個數據塊。采用這種方法的優點可使網絡內的節點個數在理論上受限制。數據段長度最多為8個字節，不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協議采用CRC檢驗并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，傳輸速率在lOOkb/s左右。對于歐洲的各大汽車公司從1992年起，一直采用ISO11898，所使用的傳輸速率范圍從47.6-500kb/s不等。近年來，基于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。與此同時，以往廣泛適用于美國車型的J1850正逐步被基于CAN總線的標準和協議所取代。

   （3）高速總線系統標準、協議

   由于高速總線系統主要用于與汽車安全相關，以及實時性要求比較高的地方，如動力系統等，所以其傳輸速率比較高。根據傳統的SAE的分類，該部分屬于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輸。目前，隨著汽車網絡技術的發展，未來將會使用到具有高速實時傳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系統總線標準和用于安全氣囊控制和通訊的總線標準、協議。

   ①C類總線標準、協議。在C類標準中，歐洲的汽車制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、建筑設備似及農業設備使用，是用來支持分布在車輛各個不同位置的電控單元之間實現實時閉環控制功能的高速通信標準，其數據傳輸速率為250kb/s。在美國，GM公司已開始在所有的車型上使用其專屬的所謂GMLAN總線標準，它是一種基于CAN的傳輸速率在500kb/s的通信標準。

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

   J1939使用了控制器局域網協議，任何ECU在總線空閑時都可以發送信息，它利用協議中定義的擴展幀29位標識符實現一個完整的網絡定義。29位標識符中的前3位被用來在仲裁過程中決定消息的優先級。對每類消息而言，優先級是可編程的。這樣原始設備制造商在需要時可以對網絡進行調整。J1939通過將所有11位標識符消息定義為專用，允許使用11位標識符的CAN標準幀的設備在同一個網絡中使用。這樣，11位標識符的定義并不是直接屬于J1939的一個組成部分，但是也被包含進來。這是為了保證其使用者可以在同一網絡中并存而不出現沖突。

   ②安全總線和標準。安全總線主要是用于安全氣囊系統，以連接加速度計、安全傳感器等裝置，為被動安全提供保障。目前已有一些公司研制出了相關的總線和協議，包括Delphi公司的Safety Bus和BMW公司的Byteflight等。

   Byteflight主要以BMW公司為中心制訂。數據傳輸速率為10 Mb/s，光纖可長達43m。Byteflight不僅可以用于安全氣囊系統的網絡通信，還可用于X by Wire系統的通信和控制。BMW公司在2001年9月推出的新款BMW 7系列車型中，采用了一套名為ISIS(Intelligent Safety Integrated System)的安全氣囊控制系統，它是由14個傳感器構成的網絡，利用Byteflight來連接和收集前座保護氣囊、后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定不同位置的安全氣囊的施放范圍與時機，發揮最佳的保護效果。

   ③X by Wire總線標準、協議。X by Wire最初是用在飛機控制系統中，稱為電傳控制，現在已經在飛機控制中得到廣泛應用。由于目前對汽車容錯能力和通信系統的高可靠性的需求日益增長，X by Wire開始應用于汽車電子控制領域。在未來的5-10年里，X by Wire技術將使傳統的汽車機械系統(如剎車和駕駛系統)變成通過高速容錯通信總線與高性能CPU相連的電氣系統。在一輛裝備了綜合駕駛輔助系統的汽車上，諸如Steer by Wire、Brake by Wire和電子閥門控制等特性將為駕駛員帶來全新駕駛體驗。為了提供這些系統之間的安全通信，就需要一個高速、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。時間觸發系統和事件觸發系統的工作原理大不相同。對時間觸發系統來說，控制信號起源于時間進程；而在事件觸發系統中，控制信號起源于事件的發生(如一次中斷)。這項開發工作后來作為一個被歐洲委員會資助的項目，進一步發展成為一種汽車自動駕駛應用系統。TTP創立了大量汽車X by Wire控制系統，如駕駛控制和制動控制。TTP是一個應用于分布式實時控制系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制，同時還提供了節點的恢復和再整合功能。其采用光纖傳輸的工程化樣品速度將達到25Mb/s。

   如前所述BMW公司的By teflight可用于X by Wire系統的網絡通信。Byteflight的特點是既能滿足某些高優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。但其它汽車制造商目前并無意使用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系統，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輸時間，能夠滿足汽車控制系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FlexRay標準，GM公司也加入了FlexRay聯盟，成為其核心成員，共同致力于開發汽車分布式控制系統中高速總線系統的標準。該標準不僅提高了一致性、可靠性、競爭力和效率，而且還簡化了開發和使用，并降低了成本。

   （4）診斷系統總線標準、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，許多汽車生產廠商都采用ISO14230(Keyword Protocol 2000)作為診斷系統的通信標準，它滿足OBD-Ⅱ和OBD-Ⅲ的要求。在歐洲，以往診斷系統中使用的是ISO9141，它是一種基于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)作為滿足OBD-Ⅱ的診斷系統的通信標準。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于CAN的J2480診斷系統通信標準，它滿足OBD-Ⅲ的通信要求。從2000年開始，歐洲汽車廠商已經開始使用一種基于CAN總線的診斷系統通信標準ISO315765，它滿足E-OBD的系統要求。

   目前，汽車的故障診斷主要是通過一種專用的診斷通信系統來形成一套較為獨立的診斷網絡，ISO9141和ISO14230就是這類技術上較為成熟的診斷標準。而ISO15765適用于將車用診斷系統在CAN總線上加以實現的場合，從而適應了現代汽車網絡總線系統的發展趨勢。ISO15765的網絡服務符合基于CAN 的車用網絡系統的要求，是遵照ISO14230-3及ISO15031-5中有關診斷服務的內容來制定的，因此，ISO15765對于ISO14230應用層的服務和參數完全兼容，但并不限于只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）多媒體系統總線標準、協議

   汽車多媒體網絡和協議分為三種類型，分別是低速、高速和無線，對應SAE的分類相應為:IDB-C(Intelligent Data BUS-CAN)、IDB-M(Multimedia)和IDB-Wireless,其傳輸速率250kb/s-1OOMb/s。

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

   高速主要用于實時的音頻和視頻通信，如MP3、DVD和CD等的播放，所使用的傳輸介質是光纖，這一類里主要有D2B、MOST和IEEE1394。

   D2B是用于汽車多媒體和通信的分布式網絡，通常使用光纖作為傳輸介質，可連接CD播放器、語音控制單元、電話和因特網。D2B技術已使用于Mercedes公司1999年款的S-Class車型。

   Damiler-Chrysler等公司計劃與BWM公司一樣使用MOST。MOST是車輛內LAN的接口規格，用于連接車載導航器和無線設備等。數據傳轉速度為24Mbp/s。其規格主要由德國Oasis Silicon System公司制訂。

   在無線通信方面，采用Bluethootn規范，它主要是面向下一代汽車應用，如聲音系統、信息通信等。目前已有一些公司研制出了基于Bluethooth技術的處理器，如美國德州儀器公司(TI)不久前宣布推出一款新型基于ROM的藍牙基帶處理器，可用于通訊及娛樂或PC外設等方面。

   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。