汽車的智能神經(jīng)網(wǎng)絡如何構建

在汽車智能化的進程中，除了車載CPU、顯示屏以及傳感器的升級外，還有一個不可或缺的組成部分：總線系統(tǒng)。汽車解碼之前在介紹特斯拉底盤時，曾涉及過Model S內部的總線設計。

本文，我們來了解下總線到底是什么?以及它為何對汽車智能化如此重要?簡單來講，如人的大腦要發(fā)號指令，需要神經(jīng)系統(tǒng)去傳遞信息一樣，汽車也有自己的“神經(jīng)網(wǎng)絡”。

ECU無處不在

最常見的“神經(jīng)網(wǎng)絡”叫做CAN Bus，Bus即總線的意思。CAN總線是目前最常見，也是最普及的一種汽車內部通訊協(xié)議，它最早由博世集團制定。目前，除了一些非常低端的車型，大部分量產(chǎn)車都采用了CAN作為通訊標準通訊協(xié)議。

CAN本身并不是所謂的“神經(jīng)網(wǎng)絡”，它只是這個網(wǎng)絡內部各個節(jié)點之間對話的語言，就如同兩臺遠程計算機之間，可以通過HTTP或FTP進行對話一樣。在一輛現(xiàn)代化的汽車上，大致有100~300個、甚至更多個ECU，即電子控制單元(Electric Control Unit)，來作為“神經(jīng)節(jié)點”。

一輛汽車能否正常運營，就要看這些ECU之間是否配合融洽;而ECU數(shù)量的多少，也代表著汽車數(shù)字化程度的高低?，F(xiàn)在，越來越多的機械零部件，被電控零部件所取代。比較典型的例子有轉向助力：液壓助力、電子液壓助力、電子助力，再到線控轉向。ECU已經(jīng)被應用到了汽車的核心功能上。

這數(shù)百個ECU，在汽車內部組成了一個局域網(wǎng)。與外網(wǎng)不同，局域網(wǎng)的信息傳輸特點是，一個ECU發(fā)出的數(shù)據(jù)包，所有的節(jié)點都會接收到，但只有承擔該數(shù)據(jù)包任務的節(jié)點，才會去執(zhí)行命令。

舉個例子，比如剎車燈。當監(jiān)控剎車踏板的ECU，監(jiān)測到踏板行程有變動時，就會通知監(jiān)測尾燈的ECU。此時，該ECU控制尾燈，并將其通電點亮。這一個簡單的操作，其實背后有至少2個ECU的配合。

此外，由于汽車模塊化設計，ECU也分為了不同模塊。比如，發(fā)動機有一個單獨的ECU體系，叫做ECM(Engine Control Module )。這個模組由多個控制發(fā)動機不同功能的ECU組成，比如節(jié)氣門的開合、燃油噴射劑量、渦輪介入時機等。

CAN負責組建局域網(wǎng)

要讓所有的這些ECU之間相互配合，需要一個數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議來作為“傳令者”。CAN協(xié)議是其中之一，它的全稱叫做Controllers Area Network。該協(xié)議誕生于1983年，是全球最大汽車零部件集團博世的獨家專利。

CAN協(xié)議存在的意義是，它為汽車的電子化、數(shù)字化進程起到了巨大推動作用。借助CAN協(xié)議，汽車內部的數(shù)百個ECU，可以在沒有主機(也就是車載CPU)的情況下組建一個局域網(wǎng)。1986年，SAE(汽車工程師協(xié)會)正式發(fā)表CAN協(xié)議標準。

其實，CAN總線是汽車產(chǎn)業(yè)與計算機產(chǎn)業(yè)有效配合的一個成功典范：在CAN標準被公布后的第二年，也就是1987年，英特爾與飛利浦開發(fā)出了全球第一款CAN總線適用的芯片(即ECU)。1988年發(fā)布的寶馬8系，是全球第一款搭載CAN總線的量產(chǎn)車型。

CAN協(xié)議的普及，讓汽車大幅度數(shù)字化，其意義不僅體現(xiàn)在汽車電子化程度的提升，也對于車輛的故障檢修帶來了革命性的變化。要知道，一輛現(xiàn)代化的汽車正常行駛，其需要的代碼數(shù)量，要遠超于一架波音747客機所需的。

OBD接口便是最直接的受益者，這個在1996年被美國政府強制推行的檢修接口，通過采集CAN總線的各種數(shù)據(jù)，可以對車輛的運行狀況做一個更精確的評估。甚至在逆向破解后，黑客通過CAN總線可以遠程控制車輛。

但是，CAN并非是唯一的車用通訊協(xié)議。為了彌補CAN協(xié)議在某些方面的不足，汽車工業(yè)還研發(fā)出了很多其他協(xié)議，比如LIN協(xié)議。相比CAN，LIN的帶寬要更小、承載的數(shù)據(jù)量更少，但同時成本也更低，適合應用于一些簡單的ECU中，比如車窗升降等。

隨著技術進步，汽車內部的數(shù)據(jù)量暴增。尤其是大屏幕的普及和流媒體技術的介入，讓CAN總線在某些時候“力不從心”，已無法勝任工作。于是，更高級的通訊協(xié)議問世了，比如MOST、FlexRay、以太網(wǎng)等。

這些協(xié)議標準，擁有更大的帶寬與更強的穩(wěn)定性。其中，MOST是一種高速多媒體傳輸接口，專門為汽車內部的一些高碼率音頻、視頻提供傳輸。FlexRay 也是一種高速協(xié)議，但不僅限于多媒體傳輸。在自動駕駛的奧迪A7中，位于后備箱的車載CPU(奧迪稱之為zFAS)模組，就是依靠FlexRay協(xié)議來讀取前置攝像頭捕捉的數(shù)據(jù)。

至于以太網(wǎng)，這本不是專用于汽車技術的，而是計算機局域網(wǎng)的標準協(xié)議。與上述多種協(xié)議相比，以太網(wǎng)的傳輸速度是最快的。按照帶寬劃分，以太網(wǎng)可以分為標準以太網(wǎng)(10Mbit/s)、快速以太網(wǎng)(100Mbit/s)，以及10G(10Gbit/s)以太網(wǎng)。注意，與HTTP等超文本傳輸協(xié)議不同，以太網(wǎng)是物理層的標準。

目前總線協(xié)議最發(fā)達的車型，當屬特斯拉Model S，該車采用了CAN、LIN，以及以太網(wǎng)三種標準，分別處理不同級別的數(shù)據(jù)。注意，雖然特斯拉有兩個車載CPU(Nvidia Tegra處理器)，但其總線依然是局域網(wǎng)架構。

除上述這些總線協(xié)議外，汽車工業(yè)使用的局域網(wǎng)標準，還有諸如Byteflight、D2B、DC-Bus、IEBus、SPI，以及VAN等多種。這些協(xié)議由不同機構研發(fā)，打破了博世CAN協(xié)議的壟斷。目前已經(jīng)被部分汽車品牌應用到旗下車型，但都不如CAN協(xié)議普及。

其實，CAN協(xié)議不僅應用到汽車內部，某些外部場景也需要CAN協(xié)議的支持。最典型的就是OBD接口。通過這個接口，檢修員可以讀取到車輛的發(fā)動機運行狀況、機油余量、里程數(shù)等信息。

通用、沃爾沃、特斯拉等車型支持遠程控制，其原理就是手機發(fā)出的指令先到達服務器，然后被轉發(fā)到車載通訊模塊。車載通訊模塊接收到指令后，再通過CAN總線將指令傳達到各個ECU。

在電動車領域，充電接口其實也需要CAN總線的支持。無論是歐標還是美標的接口，其中有一項是CAN協(xié)議通訊接口。這一項的作用，是告訴充電樁電池目前有多少電，這個數(shù)據(jù)將從電池組的監(jiān)控ECU上讀取。

隨著汽車智能化的提升，CAN總線將更多的暴露到外網(wǎng)中，因此汽車信息安全成為了新的課題。比如特斯拉，就不只一次被車主和黑客成功破解。此外，隱私問題也因此而升級，當車輛這個局域網(wǎng)接入物聯(lián)網(wǎng)時，你的一舉一動都受到監(jiān)控。這就要求，不僅車聯(lián)網(wǎng)服務器提升安全級別，CAN總線也要從基本層面做好加密、認證、防偽等工作。