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1 概述 自1980年起，眾多國際知名汽車公司開始積極致力于汽車網絡技術的研究及應用。汽車網絡的使用解決了點對點式車身布線帶來的問題，使車身布線（趨于）更規范化、標準化，降低了成本，增強了穩定性。迄今為止，已有Bosch的CAN、SAE的J1850、ISO的VAN、Philips的D2B和LIN協會的LIN等多種網絡標準。為方便研究和設計使用，美國汽車工程師協會(SAE)根據速率的不同，將汽車網絡劃分為A、B、C三類，如表1所列。 表1汽車網絡的劃分 綜合考慮功能和位傳輸速率等因素，現有的汽車總線還包括多媒體信息系統總線、安全總線和診斷系統總線。 2 汽車網絡標準的具體分類 2.1 A類網絡標準 從目前的發展和使用情況來看，如表2所列，A類網的主要總線是TTP/A( Time Triggered Protocol/A)和LIN(Local Interconnect Network)。 ① TTP/A協議最初由維也納工業大學制定，為時間觸發類型的網絡協議，主要應用于集成了智能變換器的實時 現場總線。它具有標準的UART，能自動識別加入總線的主節點與從節點，節點在某段已知的時間內觸發通信但不具備內部容錯功能。 ② LIN是在1999年由歐洲汽車制造商Audi、BMW、 DaimlerChrysler、 Volvo、 Volkswagen和VCT公司以及Motorola公司組成的LIN協會，共同推出的用于汽車分布式電控系統的開放式的低成本串行通信標準，從2003年開始使用。 LIN是一種基于UART的數據格式、主從結構的單線12 V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。從硬件、軟件以及電磁兼容性方面來看，LIN保證了網絡節點的互換性，極大地提高了開發速度，同時保證了網絡的可靠性。 LIN協議應用開發的熱點集中在美國、歐洲和日本。估計在未來10年，平均每輛車將有LIN節點20個左右。這樣全世界每年將生產12億個LIN節點�？梢�，LIN的應用存在著巨大的潛在市場，協議本身也會在不斷應用中得到完善。 表2 A類網絡的使用情況 總之，LIN網絡已經廣泛地被世界上的大多數汽車公司以及零配件廠商所接受，有望成為事實上的A類網絡標準。 2.2 B類網絡標準 B類網絡的使用情況如表3所列。從目前來看，主要應用的B類總線標準有三種：低速CAN、J1850和VAN。 表3 B類網絡的使用情況 ① 1994年SAE正式將J1850作為B類網絡標準協議。最早，SAE J1850用在美國Ford、GM以及Chrysler公司的汽車中；現在，J1850協議作為診斷和數據共享被廣泛應用在汽車產品中。但是，J1850并不是一個單一標準。Ford采用的J1850標準，其物理層與GM和Chrysler公司使用的不同；而GM和Chrysler公司在相同的物理層上又使用不同的數據幀格式，并且三個公司使用各自的消息協議。預計在2006年或2007年將停止使用，然后全部轉至CAN總線。 ② VAN標準是ISO于1994年6月推出的。它基于ISO115193，主要為法國汽車公司所用。但目前就動力與傳動系統而言，甚至在法國也集中在CAN總線上。 ③ CAN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問題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1 Mbps。1991年首次在奔馳S系列汽車中實現。同年，Bosch公司正式頒布了CAN技術規范，版本2 .0。該技術規范包括A和B兩部分。1993年11月，ISO正式頒布了國際標準ISO11898，為CAN的標準化、規范化鋪平了道路。此后，越來越多的北美和日本汽車公司也開始采用CAN網絡。1994年，美國汽車工程師協會卡車和巴士控制與通信子協會選擇CAN作為SAEJ1939標準的基礎。低速CAN具有許多容錯功能，一般用在車身電子控制中；而高速CAN則大多用在汽車底盤和發動機的電子控制中。 綜上所述，CAN總線憑借其突出的可靠性、實時性和靈活性已從眾多總線中突顯出來，成為世界接受的B類總線的主流協議。 2.3 C類網絡標準 C類標準主要用于與汽車安全相關及實時性要求比較高的地方，如動力系統，所以其傳輸速率比較高，通常在125 kbps～1 Mbps之間，必須支持實時的周期性參數傳輸。表4為C類網絡的使用情況。 表4 C類網絡的使用情況 目前，C類網絡中的主要協議包括高速CAN(ISO118982)、正在發展中的TTP/C和FlexRay等協議。 ① TTP/C協議由維也納工業大學研發，基于TDMA的訪問方式。TTP/C是一個應用于分布式實時控制系統的完整的通信協議。它能夠支持多種容錯策略,提供容錯的時間同步以及廣泛的錯誤檢測機制,同時還提供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25 Mbps。TTP/ C支持時間和事件觸發的數據傳輸。TTP管理組織TTAGroup成員包括奧迪、SA、Renault、NEC、TTChip、Delphi等。 ② FlexRay是BMW、Daimler Chrysler、Motorola和Philips等公司制定的功能強大的通信網絡協議。它是基于FTDMA的確定性訪問方式，具有容錯功能及確定的通信消息傳輸時間，同時支持事件觸發與時間觸發通信，具備高速率通信能力。FlexRay采用冗余備份的辦法，對高速設備可以采用點對點方式與FlexRay總線控制器連接，構成星型結構，對低速網絡可以采用類似CAN總線的方式連接。 ③ 歐洲的汽車制造商基本上采用高速CAN總線標準ISO11898。總線傳輸速率通常在125 kbps"1 Mbps之間。據Strategy Analytics公司統計，2001年用在汽車上的CAN節點數目超過1億個。然而，作為一種事件驅動型總線，CAN無法為下一代線控系統提供所需的容錯功能或帶寬，因為X-by-Wire系統實時性和可靠性要求都很高，必須采用時間觸發的通信協議，如TTP/ C或FlexRay等。 就目前來說，CAN協議仍為C類網絡協議的主流，但隨著下一代汽車中引進X-by-Wire系統，TTP/C和FlexRay將顯示出優勢。它們之間的競爭還要持續一段時間，在未來的線控系統中，到底哪一種標準更具有生命力尚難定論。 2.4 診斷系統總線標準 故障診斷是現代汽車必不可少的一項功能。使用診斷系統的目的主要是為滿足OBDII (On Board Diagnose)、 OBDIII或EOBD(EuropeanOn Board Diagnose)標準。 OBDII（On Board Diagnose）第2代隨車電腦診斷系統，由美國汽車工程學會1994年提出。1994年以來，美、日、歐一些主要汽車生產廠為了維修方便逐漸使用OBDII隨車診斷系統。這一系統集故障自診斷系統軟硬件結構、故障代碼、通信方式系統、自檢測試模式為一體，具有監視發動機微機和排放系統部件的能力。 2004年，美國GM、Ford、DC三大汽車公司對乘用車采用基于CAN的J2480診斷系統通信標準。在歐洲，以往診斷系統中使用的是ISO9141。它是一種基于UART的通信標準。從2000年開始，歐洲汽車廠商就已經開始使用一種基于CAN總線的診斷系統通信標準ISO15765。 ISO15765是遵照ISO142303及ISO150315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。表5為診斷系統協議標準的使用情況。 表5 診斷系統協議標準的使用情況 目前，除了CAN網絡，LIN協議也已經成為汽車診斷的總線標準。2.5 多媒體信息系統總線標準汽車信息娛樂和遠程信息設備，特別是汽車導航系統，需要功能強大的操作系統和連接能力。目前主要應用的幾種總線協議如表6所列。 表6多媒體信息系統總線使用情況 ① MOST網絡是由德國Oasis Silicon System公司開發的。MOST技術針對塑料光纖媒體而優化，采用環形拓撲結構，在器件層提供高度可靠性和可擴展性。它可以傳送同步數據（音頻信號、視頻信號等流動型數據）、非同步數據（訪問網絡及訪問數據庫等的數據包）和控制數據（控制報文及控制整個網絡的數據）。MOST得到包括BMW、Daimler Chrysler、Harman／Becker和Oasis公司的支持，已應用在多款車型上，如BMW7系列、Audi A8、Mercedes E系列等。 ② IDBC和IDB1394總線以及標準接口由IDB論壇負責管理。IDBC基于CAN總線，目前已成為SAE的標準，即SAE2366；而IDB1394則針對高速多媒體應用而設計。IDB1394網絡采用光纖技術，允許1394兼容的便攜式消費電子設備能夠連接到汽車內網絡并實現互操作。例如，Zayante公司就為消費者市場提供1394物理層設備。最近與Ford公司聯合進行的一項演示包括數碼視頻相機和Sony Play Station TM2游戲機，以及2種視頻顯示器和一種DVD播放機的即插即用。與MOST相比，IDB1394則最大限度地利用民用設備市場，通過將現有的部件應用到車載設備上，解決了成本問題。 ③ D2B是針對多媒體數據通信的一種網絡協議，可集成數字音頻、視頻和其他高數據速率同步或異步信號，主要使用Smart WireTM非屏蔽雙絞線對或單光纖。這種通信網絡由英國C&CElectronics公司推動，并得到Jaguar和MercedesBenz公司的支持。D2B旨在保持后向兼容的情況下與新技術一起演進。D2B基于一種開放式架構，僅使用一條聚合物光纖來處理車內多媒體數據和控制信息，簡化了擴展，當在光纖環中增加一種新設備或功能時并不需要改變連接線纜。 ④ 藍牙無線技術是一種用于移動設備和WAN／LAN接入點的低成本、低功耗的短距離射頻技術。藍牙標準描述了手機、計算機和PDA如何方便地實現彼此之間的互連，以及與家庭和商業電話和計算機設備的互連。藍牙特殊興趣組的成員包括AMIC、BMW、Daimler Chrysler、 Ford、 GM、 Toyot a和Volkswagen。作為藍牙在汽車中應用的一個例子，Johnson Controls公司的免提手機系統“Blue Connect”，允許司機在雙手扶住方向盤的情況下，通過支持藍牙功能的手機保持聯系。 ⑤ ZigBee TM無線網絡在汽車上應用的解決方案是針對藍牙技術受車內電磁噪聲影響的問題而提出的。ZigBee可以工作在低于1 GHz與2.45 GHz的頻帶范圍，傳輸速率為250 kbps，主要應用范圍包括工業控制、家庭自動化、消費類應用以及潛在的汽車應用。日前，ZigBee聯盟發布了首批成功完成互操作性測試的四款平臺。這些平臺將用來測試未來數月內推出的ZigBee產品，為ZigBee在各領域的實際應用鋪平道路。 2.6 安全總線和標準 安全總線主要用于安全氣囊系統，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SafetyBus和BMW公司的Byteflight。 Byteflight協議是由BMW、Motorola、 Elmos、 Infineon等公司共同開發的，試圖用于安全保障系統。此協議基于靈活的時分多路TDMA協議、以10 Mbps的速率傳送數據，光纖可長達43 m。其結構能保證以一段固定的等待時間專門用于來自安全元件的高優先級信息，而允許低優先級信息使用其余的時段。這種決定性的措施對安全是至關重要的。 Byteflight不僅可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公司在其2001年9月推出的BMW 7系列車型中，采用了一套名為ISIS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。 3 汽車網絡的發展趨向 X-by-Wire，即線控操作，是未來汽車的發展方向。該技術來源于飛機制造，基本思想就是用電子控制系統代替機械控制系統，減輕重量，提高可靠性，如Steer-by-Wire, Brake-by-Wire等。由于整個設計思想涉及動力、制動、方向控制等關鍵功能，對汽車網絡也就提出了不同要求。在未來的5～10年里，X-by-Wire技術將使傳統的汽車機械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，目前存在相互競爭的幾種網絡技術，包括前文提到的TTP、Byteflight和FlexRay以及TTCAN(時間觸發的CAN)。 至于哪一種總線網絡會成為今后的標準，目前還尚難定論，但長遠來看,車載網絡還遠沒有達到成熟階段。信息與電子技術發展很快,車輛上的應用又有比較大的滯后,所以車上信息與電子技術的應用還有很大的發展空間。它們將對車上通信與控制網絡提出一些新的需求,同時為新的車上網絡技術提供技術支持。 |
