汽車網(wǎng)絡(luò)的分類及發(fā)展趨向

1 概述

自1980年起，眾多國(guó)際知名汽車公司開(kāi)始積極致力于汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究及應(yīng)用。汽車網(wǎng)絡(luò)的使用解決了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式車身布線帶來(lái)的問(wèn)題，使車身布線（趨于）更規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，降低了成本，增強(qiáng)了穩(wěn)定性。迄今為止，已有bosch的can、sae的j1850、iso的van、philips的d2b和lin協(xié)會(huì)的lin等多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。為方便研究和設(shè)計(jì)使用，美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)(sae)根據(jù)速率的不同，將汽車網(wǎng)絡(luò)劃分為a、b、c三類，如表1所列。

綜合考慮功能和位傳輸速率等因素，現(xiàn)有的汽車總線還包括多媒體信息系統(tǒng)總線、安全總線和診斷系統(tǒng)總線。

2 汽車網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的具體分類

2.1 a類網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)

從目前的發(fā)展和使用情況來(lái)看，如表2所列，a類網(wǎng)的主要總線是ttp/a( time triggered protocol/a)和lin(local interconnect network)。

① ttp/a協(xié)議最初由維也納工業(yè)大學(xué)制定，為時(shí)間觸發(fā)類型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要應(yīng)用于集成了智能變換器的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線。它具有標(biāo)準(zhǔn)的uart，能自動(dòng)識(shí)別加入總線的主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在某段已知的時(shí)間內(nèi)觸發(fā)通信但不具備內(nèi)部容錯(cuò)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(xié)會(huì)，共同推出的用于汽車分布式電控系統(tǒng)的開(kāi)放式的低成本串行通信標(biāo)準(zhǔn)，從2003年開(kāi)始使用。

lin是一種基于uart的數(shù)據(jù)格式、主從結(jié)構(gòu)的單線12 v的總線通信系統(tǒng)，主要用于智能傳感器和執(zhí)行器的串行通信。從硬件、軟件以及電磁兼容性方面來(lái)看，lin保證了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互換性，極大地提高了開(kāi)發(fā)速度，同時(shí)保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

lin協(xié)議應(yīng)用開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)集中在美國(guó)、歐洲和日本。估計(jì)在未來(lái)10年，平均每輛車將有l(wèi)in節(jié)點(diǎn)20個(gè)左右。這樣全世界每年將生產(chǎn)12億個(gè)lin節(jié)點(diǎn)?？梢?jiàn)，lin的應(yīng)用存在著巨大的潛在市場(chǎng)，協(xié)議本身也會(huì)在不斷應(yīng)用中得到完善。

總之，lin網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛地被世界上的大多數(shù)汽車公司以及零配件廠商所接受，有望成為事實(shí)上的a類網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 b類網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)

b類網(wǎng)絡(luò)的使用情況如表3所列。從目前來(lái)看，主要應(yīng)用的b類總線標(biāo)準(zhǔn)有三種：低速can、j1850和van。

① 1994年sae正式將j1850作為b類網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。最早，sae j1850用在美國(guó)ford、gm以及chrysler公司的汽車中；現(xiàn)在，j1850協(xié)議作為診斷和數(shù)據(jù)共享被廣泛應(yīng)用在汽車產(chǎn)品中。但是，j1850并不是一個(gè)單一標(biāo)準(zhǔn)。ford采用的j1850標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)據(jù)幀格式，并且三個(gè)公司使用各自的消息協(xié)議。預(yù)計(jì)在2006年或2007年將停止使用，然后全部轉(zhuǎn)至can總線。

② van標(biāo)準(zhǔn)是iso于1994年6月推出的。它基于iso115193，主要為法國(guó)汽車公司所用。但目前就動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)而言，甚至在法國(guó)也集中在can總線上。

③ can是德國(guó)bosch公司從20世紀(jì)80年代初，為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1 mbps。1991年首次在奔馳s系列汽車中實(shí)現(xiàn)。同年，bosch公司正式頒布了can技術(shù)規(guī)范，版本2 .0。該技術(shù)規(guī)范包括a和b兩部分。1993年11月，iso正式頒布了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)iso11898，為can的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化鋪平了道路。此后，越來(lái)越多的北美和日本汽車公司也開(kāi)始采用can網(wǎng)絡(luò)。1994年，美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)卡車和巴士控制與通信子協(xié)會(huì)選擇can作為saej1939標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。低速can具有許多容錯(cuò)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(pán)和發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制中。

綜上所述，can總線憑借其突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性已從眾多總線中突顯出來(lái)，成為世界接受的b類總線的主流協(xié)議。

2.3 c類網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)

c類標(biāo)準(zhǔn)主要用于與汽車安全相關(guān)及實(shí)時(shí)性要求比較高的地方，如動(dòng)力系統(tǒng)，所以其傳輸速率比較高，通常在125 kbps～1 mbps之間，必須支持實(shí)時(shí)的周期性參數(shù)傳輸。表4為c類網(wǎng)絡(luò)的使用情況。

目前，c類網(wǎng)絡(luò)中的主要協(xié)議包括高速can(iso118982)、正在發(fā)展中的ttp/c和flexray等協(xié)議。

① ttp/c協(xié)議由維也納工業(yè)大學(xué)研發(fā)，基于tdma的訪問(wèn)方式。ttp/c是一個(gè)應(yīng)用于分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的完整的通信協(xié)議。它能夠支持多種容錯(cuò)策略,提供容錯(cuò)的時(shí)間同步以及廣泛的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制,同時(shí)還提供節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)和再整合功能。其采用光纖傳輸?shù)墓こ袒瘶悠匪俣葘⑦_(dá)到25 mbps。ttp/ c支持時(shí)間和事件觸發(fā)的數(shù)據(jù)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(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它是基于ftdma的確定性訪問(wèn)方式，具有容錯(cuò)功能及確定的通信消息傳輸時(shí)間，同時(shí)支持事件觸發(fā)與時(shí)間觸發(fā)通信，具備高速率通信能力。flexray采用冗余備份的辦法，對(duì)高速設(shè)備可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式與flexray總線控制器連接，構(gòu)成星型結(jié)構(gòu)，對(duì)低速網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)iso11898。總線傳輸速率通常在125 kbps~1 mbps之間。據(jù)strategy analytics公司統(tǒng)計(jì)，2001年用在汽車上的can節(jié)點(diǎn)數(shù)目超過(guò)1億個(gè)。然而，作為一種事件驅(qū)動(dòng)型總線，can無(wú)法為下一代線控系統(tǒng)提供所需的容錯(cuò)功能或帶寬，因?yàn)閤-by-wire系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性要求都很高，必須采用時(shí)間觸發(fā)的通信協(xié)議，如ttp/ c或flexray等。

就目前來(lái)說(shuō)，can協(xié)議仍為c類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的主流，但隨著下一代汽車中引進(jìn)x-by-wire系統(tǒng)，ttp/c和flexray將顯示出優(yōu)勢(shì)。它們之間的競(jìng)爭(zhēng)還要持續(xù)一段時(shí)間，在未來(lái)的線控系統(tǒng)中，到底哪一種標(biāo)準(zhǔn)更具有生命力尚難定論。

2.4 診斷系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)

故障診斷是現(xiàn)代汽車必不可少的一項(xiàng)功能。使用診斷系統(tǒng)的目的主要是為滿足obdii (on board diagnose)、 obdiii或eobd(europeanon board diagnose)標(biāo)準(zhǔn)。

obdii（on board diagnose）第2代隨車電腦診斷系統(tǒng)，由美國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)1994年提出。1994年以來(lái)，美、日、歐一些主要汽車生產(chǎn)廠為了維修方便逐漸使用obdii隨車診斷系統(tǒng)。這一系統(tǒng)集故障自診斷系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)、故障代碼、通信方式系統(tǒng)、自檢測(cè)試模式為一體，具有監(jiān)視發(fā)動(dòng)機(jī)微機(jī)和排放系統(tǒng)部件的能力。

2004年，美國(guó)gm、ford、dc三大汽車公司對(duì)乘用車采用基于can的j2480診斷系統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)。在歐洲，以往診斷系統(tǒng)中使用的是iso9141。它是一種基于uart的通信標(biāo)準(zhǔn)。從2000年開(kāi)始，歐洲汽車廠商就已經(jīng)開(kāi)始使用一種基于can總線的診斷系統(tǒng)通信標(biāo)準(zhǔn)iso15765。 iso15765是遵照iso142303及iso150315中有關(guān)診斷服務(wù)的內(nèi)容來(lái)制定的，因此，iso15765對(duì)于iso14230應(yīng)用層的服務(wù)和參數(shù)完全兼容，但并不限于只用在這些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的場(chǎng)合。表5為診斷系統(tǒng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的使用情況。

目前，除了can網(wǎng)絡(luò)，lin協(xié)議也已經(jīng)成為汽車診斷的總線標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 多媒體信息系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)

汽車信息娛樂(lè)和遠(yuǎn)程信息設(shè)備，特別是汽車導(dǎo)航系統(tǒng)，需要功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)和連接能力。目前主要應(yīng)用的幾種總線協(xié)議如表6所列。

① most網(wǎng)絡(luò)是由德國(guó)oasis silicon system公司開(kāi)發(fā)的。most技術(shù)針對(duì)塑料光纖媒體而優(yōu)化，采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在器件層提供高度可靠性和可擴(kuò)展性。它可以傳送同步數(shù)據(jù)（音頻信號(hào)、視頻信號(hào)等流動(dòng)型數(shù)據(jù)）、非同步數(shù)據(jù)（訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)及訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)等的數(shù)據(jù)包）和控制數(shù)據(jù)（控制報(bào)文及控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)）。most得到包括bmw、daimler chrysler、harman／becker和oasis公司的支持，已應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)接口由idb論壇負(fù)責(zé)管理。idbc基于can總線，目前已成為sae的標(biāo)準(zhǔn)，即sae2366；而idb1394則針對(duì)高速多媒體應(yīng)用而設(shè)計(jì)。idb1394網(wǎng)絡(luò)采用光纖技術(shù)，允許1394兼容的便攜式消費(fèi)電子設(shè)備能夠連接到汽車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)互操作。例如，zayante公司就為消費(fèi)者市場(chǎng)提供1394物理層設(shè)備。最近與ford公司聯(lián)合進(jìn)行的一項(xiàng)演示包括數(shù)碼視頻相機(jī)和sony play station tm2游戲機(jī)，以及2種視頻顯示器和一種dvd播放機(jī)的即插即用。與most相比，idb1394則最大限度地利用民用設(shè)備市場(chǎng)，通過(guò)將現(xiàn)有的部件應(yīng)用到車載設(shè)備上，解決了成本問(wèn)題。

③ d2b是針對(duì)多媒體數(shù)據(jù)通信的一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可集成數(shù)字音頻、視頻和其他高數(shù)據(jù)速率同步或異步信號(hào)，主要使用smart wiretm非屏蔽雙絞線對(duì)或單光纖。這種通信網(wǎng)絡(luò)由英國(guó)c&celectronics公司推動(dòng)，并得到j(luò)aguar和mercedesbenz公司的支持。d2b旨在保持后向兼容的情況下與新技術(shù)一起演進(jìn)。d2b基于一種開(kāi)放式架構(gòu)，僅使用一條聚合物光纖來(lái)處理車內(nèi)多媒體數(shù)據(jù)和控制信息，簡(jiǎn)化了擴(kuò)展，當(dāng)在光纖環(huán)中增加一種新設(shè)備或功能時(shí)并不需要改變連接線纜。

④ 藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)是一種用于移動(dòng)設(shè)備和wan／lan接入點(diǎn)的低成本、低功耗的短距離射頻技術(shù)。藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)描述了手機(jī)、計(jì)算機(jī)和pda如何方便地實(shí)現(xiàn)彼此之間的互連，以及與家庭和商業(yè)電話和計(jì)算機(jī)設(shè)備的互連。藍(lán)牙特殊興趣組的成員包括amic、bmw、daimler chrysler、 ford、 gm、 toyota和volkswagen。作為藍(lán)牙在汽車中應(yīng)用的一個(gè)例子，johnson controls公司的免提手機(jī)系統(tǒng)“blue connect”，允許司機(jī)在雙手扶住方向盤(pán)的情況下，通過(guò)支持藍(lán)牙功能的手機(jī)保持聯(lián)系。

⑤ zigbee tm無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在汽車上應(yīng)用的解決方案是針對(duì)藍(lán)牙技術(shù)受車內(nèi)電磁噪聲影響的問(wèn)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(yīng)用范圍包括工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化、消費(fèi)類應(yīng)用以及潛在的汽車應(yīng)用。日前，zigbee聯(lián)盟發(fā)布了首批成功完成互操作性測(cè)試的四款平臺(tái)。這些平臺(tái)將用來(lái)測(cè)試未來(lái)數(shù)月內(nèi)推出的zigbee產(chǎn)品，為zigbee在各領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用鋪平道路。

2.6 安全總線和標(biāo)準(zhǔn)

安全總線主要用于安全氣囊系統(tǒng)，以連接加速度計(jì)、安全傳感器等裝置，為被動(dòng)安全提供保障。目前已有一些公司研制出了相關(guān)的總線和協(xié)議，包括delphi公司的safetybus和bmw公司的byteflight。

byteflight協(xié)議是由bmw、motorola、 elmos、 infineon等公司共同開(kāi)發(fā)的，試圖用于安全保障系統(tǒng)。此協(xié)議基于靈活的時(shí)分多路tdma協(xié)議、以10 mbps的速率傳送數(shù)據(jù)，光纖可長(zhǎng)達(dá)43 m。其結(jié)構(gòu)能保證以一段固定的等待時(shí)間專門(mén)用于來(lái)自安全元件的高優(yōu)先級(jí)信息，而允許低優(yōu)先級(jí)信息使用其余的時(shí)段。這種決定性的措施對(duì)安全是至關(guān)重要的。

byteflight不僅可用于安全氣囊系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，還可用于x-by-wire系統(tǒng)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(tǒng)，它是由14個(gè)傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，利用byteflight來(lái)連接和收集前座保護(hù)氣囊、后座保護(hù)氣囊以及膝部保護(hù)氣囊等安全裝置的信號(hào)。在緊急情況下，中央電腦能夠更快、更準(zhǔn)確地決定不同位置的安全氣囊的施放范圍與時(shí)機(jī)，發(fā)揮最佳的保護(hù)效果。

3 汽車網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨向

x-by-wire，即線控操作，是未來(lái)汽車的發(fā)展方向。該技術(shù)來(lái)源于飛機(jī)制造，基本思想就是用電子控制系統(tǒng)代替機(jī)械控制系統(tǒng)，減輕重量，提高可靠性，如steer-by-wire, brake-by-wire等。由于整個(gè)設(shè)計(jì)思想涉及動(dòng)力、制動(dòng)、方向控制等關(guān)鍵功能，對(duì)汽車網(wǎng)絡(luò)也就提出了不同要求。在未來(lái)的5～10年里，x-by-wire技術(shù)將使傳統(tǒng)的汽車機(jī)械系統(tǒng)變成通過(guò)高速容錯(cuò)通信總線與高性能cpu相連的電氣系統(tǒng)。在一輛裝備了綜合駕駛輔助系統(tǒng)的汽車上，目前存在相互競(jìng)爭(zhēng)的幾種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括前文提到的ttp、byteflight和flexray以及ttcan(時(shí)間觸發(fā)的can)。

至于哪一種總線網(wǎng)絡(luò)會(huì)成為今后的標(biāo)準(zhǔn)，目前還尚難定論，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,車載網(wǎng)絡(luò)還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到成熟階段。信息與電子技術(shù)發(fā)展很快,車輛上的應(yīng)用又有比較大的滯后,所以車上信息與電子技術(shù)的應(yīng)用還有很大的發(fā)展空間。它們將對(duì)車上通信與控制網(wǎng)絡(luò)提出一些新的需求,同時(shí)為新的車上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供技術(shù)支持?！?/p>