汽車計算平臺新技術(shù)綜述

        引言

　　目前，世界上有多達十多種車輛網(wǎng)絡(luò)標準，其中最主要的有：控制器局域網(wǎng)CAN-BUS（Controller Area Network），局部互聯(lián)協(xié)議LIN（Local Interconnect Protocol）；車輛多媒體網(wǎng)絡(luò)IDB1394 等，值得注意的是具有高速容錯功能的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議FlexRay，它的發(fā)展非常迅速。FlexRay 標準聯(lián)盟的出現(xiàn)，以及面向?qū)ο舐?lián)接的CANopen 標準的廣泛應(yīng)用預(yù)示著汽車電子技術(shù)向智能化邁出了重要一步。

　　國際上在汽車工業(yè)巨頭和電子信息技術(shù)公司的合力推動之下國際標準化組織于1992 年基于CAN-BUS 發(fā)布了ISO11898 標準，為日后汽車計算平臺聯(lián)盟和相關(guān)標準的出現(xiàn)奠定了工業(yè)化基礎(chǔ)。CAN-Bus 經(jīng)過20 年的發(fā)展，目前在汽車動力總成中已占據(jù)85%的市場份額。2008年全球主要汽車生產(chǎn)廠商生產(chǎn)歐III / 歐Ⅳ排放標準以上的汽車后，采用CAN-BUS 的汽車即將超過95%，基于CAN 和ISO11898 標準，美國SAE（汽車工程學(xué)會）在10 年前組織制定的SAE J1939 被認為是全球范圍內(nèi)最開放和最具響應(yīng)力的汽車網(wǎng)絡(luò)標準之一，在歐III以上的商用車型中100%采用J1939 構(gòu)造汽車計算平臺,主要用于發(fā)動機、變速箱、燃料箱和儀表等傳動系統(tǒng)的互聯(lián)。

　　在國際CAN 行業(yè)組織的CiA 的推動下2002 年國際標準化組織ISO 又發(fā)布了簡稱為ISO BUS 的國際標準ISO11783，ISO BUS、J1939 和CANopen 均是基于CAN-BUS 的網(wǎng)絡(luò)標準，這些標準的相互連接構(gòu)成了面向未來的復(fù)雜汽車系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)計算平臺，特別是CANopen 對未來主導(dǎo)市場的環(huán)保汽車（混合動力汽車、電動汽車和燃料電池汽車）多功能汽車、工程機械及客車車身控制網(wǎng)絡(luò)起著決定性的作用。2000 年起FlexRay 聯(lián)盟的成立，推動著汽車網(wǎng)絡(luò)計算平臺向車輛安全控制系統(tǒng)方面標準化的發(fā)展。

　　LIN 作為CAN 網(wǎng)絡(luò)的補充，是一種低成本的通訊標準，1998 年由國際上著名的汽車廠商和電子廠商在德國組成了LIN BUS 聯(lián)盟組織，LIN BUS 主要用于車內(nèi)燈光、后視鏡和座椅調(diào)節(jié)等非安全性部件的互聯(lián)。IDB1394 和MOST 總線則是目前為汽車多媒體網(wǎng)絡(luò)和消費類電子產(chǎn)品的互聯(lián)建立的平臺型標準。

　　上述汽車網(wǎng)絡(luò)平臺標準的制定均沒有中國企業(yè)的參與，這是我們汽車工業(yè)落后的主要原因。但特別應(yīng)引起我們注意的是UWB 無線超寬帶技術(shù)的成熟應(yīng)用將很有可能成為新一代汽車網(wǎng)絡(luò)多媒體總線的國際性標準。由中國提出的“閃聯(lián)”標準于2006 年7 月1 日已正式被國際標準化組織ISO 接納。這為中國企業(yè)為主參與新的汽車網(wǎng)絡(luò)計算平臺國際標準的制定奠定了基礎(chǔ)。

　　一、汽車安全與FlexRay 計算平臺

　　從車輛工程角度上看，CAN 的速率、可靠性和成本指標在汽車的動力系統(tǒng)總成中應(yīng)用是最為適宜的。但對于安全等級需求更高的系統(tǒng),如轉(zhuǎn)向控制和制動系統(tǒng)及安全氣囊的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問題則應(yīng)制定一個新的標準，這就是FlexRay。CAN 的成功應(yīng)用及FlexRay 的標準開發(fā)推動了新的X-by-wire 車輛系統(tǒng)設(shè)計思想的完善，也導(dǎo)致了車輛系統(tǒng)對信息傳送速度尤其是對故障容錯與時間確定性的需求的不斷增加。FlexRay 通過在確定的時間槽中傳遞信息，以及在兩個通道上的故障容錯和冗余信息的傳送，滿足了這些新增加的要求。

　　FlexRay 作為下一代汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提供了充足的帶寬、可靠性和實時響應(yīng)能力，以實現(xiàn)線控應(yīng)用，如安全氣囊、制動、轉(zhuǎn)向和車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。該標準已開始被越來越多的汽車制造商采用。

　　FlexRay 是一種用于汽車的高速可確定性的，具備故障容錯的總線系統(tǒng)，它的基礎(chǔ)源于戴姆勒·克萊斯勒公司（奔馳公司）的典型應(yīng)用以及BMW 公司（寶馬公司）byteflight 通信系統(tǒng)開發(fā)的成功經(jīng)驗。Byteflight 是BMW 公司專門為被動安全系統(tǒng)（氣囊）而開發(fā)的，為了同時能夠滿足主動安全系統(tǒng)的需要，在Byteflight 協(xié)議基礎(chǔ)之上，被FlexRay 協(xié)會進一步開發(fā)成了一個與確定性和故障容錯有密切關(guān)系的，更可靠的高速汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。今天，BMW，Daimler· Chrysler，General Motors，F(xiàn)ord，Volkswagen 和一些半導(dǎo)體公司如Bosch，F(xiàn)reescale，Philips 等組成了FlexRay 聯(lián)盟。2006 年應(yīng)用FlexRay 技術(shù)的汽車將進入市場。

　　1、FlexRay 的傳輸介質(zhì)和訪問

　　FlexRay 符合TDMA（Time Division Multiple Access）的原則，部件和信息都被分配了確定的時間槽，在此期間它們可以唯 一的訪問總線。時間槽有固定的重復(fù)周期。信息在總線上的時間是完全可以預(yù)測出來的，因而對總線的訪問是確定性的。

　　不過，通過為部件和信息分配時間槽的方法來固定的分配總線帶寬，其不利因素是導(dǎo)致總線的帶寬沒有被完全的利用。出于這個考慮，F(xiàn)lexRay 把周期分成了靜態(tài)段（Static Seg.）和動態(tài)段（Dynamic Seg.），確定的時間槽適用于位于信息開始的靜態(tài)段。在動態(tài)段，時間槽是動態(tài)分配的。每種情況下都只有一小段時間是允許唯一的總線訪問的（這段時間稱為 “mini-slots”），如果在mini-slot 中出現(xiàn)了總線訪問，時間槽就會按照需要的時間來擴展。因此總線帶寬是動態(tài)可變的。

圖1 FlexRay 的通信周期、幀的靜態(tài)、動態(tài)部分的結(jié)構(gòu)示意

　　2、FlexRay 的數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡(luò)拓撲

　　FlexRay 在物理上通過兩條分開的總線通信，每一條的數(shù)據(jù)速率是10MBit/s。這兩條線主要是用于冗余和故障容錯的信息傳輸，但也可以傳遞不同的信息，后者的數(shù)據(jù)吞吐量是翻倍的。

　　FlexRay 也可以在2.5MBits/s 和5MBits / s 低數(shù)據(jù)率下工作，并且為 數(shù)據(jù)傳輸定義了主動星型、被動星型或是兩者混合的總線拓撲結(jié)構(gòu)，因此FlexRay 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的連接是非常靈活的。

圖2 FlexRay 的主動星型網(wǎng)絡(luò)拓撲示意

圖3 FlexRay 的星型、總線型混合網(wǎng)絡(luò)拓撲示意

　　3、FlexRay 節(jié)點的同步和協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

　　為了實現(xiàn)功能的同步和通過兩條信息間的短距離來優(yōu)化帶寬，該通信網(wǎng)絡(luò)中的分布組件都要有一個共同的時基（全局時間）。為了時鐘同步，同步信息是在周期的靜態(tài)段傳輸?shù)?。通過增添一個特殊的算法，部件的本地時鐘被修正為所有的本地時鐘與全局時鐘同步。

圖4 FlexRay 協(xié)議幀的靜態(tài)、動態(tài)部分的結(jié)構(gòu)示意

　　4、FlexRay 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的結(jié)構(gòu)

　　FlexRay 的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是由主處理器（Host）、FlexRay 通信控制器（Communication Controller）、可選的總線監(jiān)控器（BG）和總線驅(qū)動器（BD）組成的。主處理器提供和產(chǎn)生數(shù)據(jù)，并通過FlexRay 控制器傳送出去。

　　總線驅(qū)動器連接著通信控制器和總線，或是連接總線監(jiān)控器和總線。主處理器把FlexRay控制器分配的時間槽通知給總線監(jiān)視器，然后總線監(jiān)視器就允許FlexRay 控制器在這些時間槽中來傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以在任何時候被接收。

                                                  圖5 FlexRay 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　二、未來發(fā)展最快的技術(shù)是什么？

　　未來發(fā)展最快的技術(shù)是汽車電子與信息產(chǎn)業(yè)、智能交通相互融合發(fā)展而產(chǎn)生的新興技術(shù)。這些新技術(shù)主要用于解決與安全、環(huán)保有關(guān)的系統(tǒng)性問題，如：轉(zhuǎn)向控制、制動控制、安全氣囊、OBD 偵測及更廣義上的汽車故障診斷技術(shù)和遠程服務(wù)等。

        現(xiàn)代汽車的剎車和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其實同一百多年前汽車剛被發(fā)明時一樣，都借助于機械連接和液壓傳動，使駕駛者的意圖傳遞到車輪和引擎。而未來將通過線控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將指令發(fā)送到剎車執(zhí)行單元、轉(zhuǎn)向步進馬達單元，并通過微處理器及電子執(zhí)行裝置（FlexRay 節(jié)點）來進行制動和轉(zhuǎn)向控制。線控新技術(shù)還能簡化某些功能的實現(xiàn)，如自適應(yīng)巡航控制、自動車道保持、防碰撞，并為汽車最終實現(xiàn)自動駕駛打下基礎(chǔ)。而對安全性至關(guān)重要的部件，如轉(zhuǎn)向和制動系統(tǒng)，安全氣囊網(wǎng)絡(luò)，電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）等，必須能夠進行更可靠的、無縫配合和自動診斷。

       FlexRay 與CAN-BUS 構(gòu)成的仿真單元和網(wǎng)絡(luò)計算平臺已可以方便的集成到汽車系統(tǒng)之中進行混合驗證并建立實物控制模型。中國單片機公共實驗室，從1992 年起在國內(nèi)首先建立了國際標準的CAN-BUS 開放實驗室。2005 年又第一個在國內(nèi)建立了完整的FlexRay 開發(fā)、分析、仿真與實驗測試平臺，與國際水平保持同步。有關(guān)FlexRay 和CAN-BUS（SAE J1939，CANopen）的最新技術(shù)和進展，可訪問http://www.bol-system.com汽車線控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實際上就是一種特殊的局域網(wǎng)。這種系統(tǒng)是從飛機控制系統(tǒng)引申而來的。飛機控制系統(tǒng)中提到的Fly-by-Wire 是一種電線代替機械的控制系統(tǒng)，它將飛機駕駛員的操縱控制和操作命令轉(zhuǎn)換成電信號，利用機載計算機控制飛機的飛行。這種控制方式引入到汽車駕駛上，就稱為Drive-by-Wire(電控駕駛)，引入到制動上就產(chǎn)生了Brake-by-Wire（電控剎車），引入到轉(zhuǎn)向控制上就有Steering-by-Wire（電控轉(zhuǎn)向），因此統(tǒng)稱為X-by-Wire。這些創(chuàng)新功能的基礎(chǔ)是一種能夠滿足嚴格容錯要求的寬帶總線結(jié)構(gòu)――FlexRay 總線系統(tǒng)（車載網(wǎng)絡(luò)計算平臺）。FlexRay 的重要目標應(yīng)用之一是線控操作(如線控轉(zhuǎn)向、線控剎車等)，即利 用有容錯功能的電氣/電子系統(tǒng)取代機械/液壓部分。線控操作包括從轉(zhuǎn)向到剎車和加速等所有汽車控制應(yīng)用互連技術(shù)，它的應(yīng)用可以補充并將最終代替汽車的機械和液壓解決方案。 FlexRay 的執(zhí)行器是機電一體化的產(chǎn)物，是全球汽車行業(yè)新一代汽車電子產(chǎn)品開發(fā)的重點。也應(yīng)當成為我國汽車計算平臺國家重大工程的研究和技術(shù)跟蹤的重點之一。

　　另一個值得注意的是CANopen 在汽車中的應(yīng)用，CANopen 是在ISO11898 標準之上真正面向?qū)ο舐?lián)接的網(wǎng)絡(luò)計算平臺，（而J1939 則是面向具體應(yīng)用而聯(lián)接的網(wǎng)絡(luò)標準）。在CANopen 網(wǎng)絡(luò)中，可以將最多128 個用CAN-BUS 互聯(lián)的嵌入式微處理器，看成是一個統(tǒng)一的計算機平臺，通過對網(wǎng)絡(luò)中的任何一個單片機中的電子表格（存儲在E2PROM 或Flash之中，稱為CANopen 的對象字典）的修改和重定義，即可改變整個系統(tǒng)的功能配置和構(gòu)造，而無需通過CANopen 節(jié)點的制造商，在每個節(jié)點的對象字典之中還存儲全球唯一的制造商編碼和相關(guān)的配置參數(shù)，我們稱之為數(shù)字基因（Digital DNA）。通過標準方法可以方便的訪問到汽車中各個電子設(shè)備的“數(shù)字基因圖譜” 
用于維護和診斷。CANopen 在各種工業(yè)、交通、航空、海事領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)成果，可方便地移植和集成進入未來更復(fù)雜的汽車系統(tǒng)之中，特別是在電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車中CANopen 有明顯的優(yōu)勢。在通用單片機中加入CANopen 中間件并為應(yīng)用程序留下API 接口，既可做成一種稱之為CANopen Chip的系統(tǒng)級芯片產(chǎn)品。在北京集成電路設(shè)計園開發(fā)平臺的支持下，北京英貝多公司在成功的開發(fā)出J1939 系統(tǒng)級芯片的基礎(chǔ)上，正在為汽車行業(yè)研發(fā)具備自主知識產(chǎn)權(quán)的CANopen chip。CANopen chip 可以連接各種傳感器，實現(xiàn)對汽車主要部件的安全性監(jiān)測。

　　三、關(guān)于汽車計算平臺的思考與機會

　　上世紀50 年代航空電子占整個飛機造價的比例約為20%，90 年代則上升為80%，隨著CAN、FlexRay 等網(wǎng)絡(luò)計算平臺技術(shù)的發(fā)展，汽車電子也將遵循航空電子的發(fā)展規(guī)律，得到更快速的發(fā)展。因此說，汽車網(wǎng)絡(luò)計算平臺對現(xiàn)代汽車工業(yè)將產(chǎn)生本質(zhì)性的重大的影響。汽車計算平臺是什么？筆者認為“網(wǎng)絡(luò)就是計算機” [1] 網(wǎng)絡(luò)標準就是計算平臺。從過去二十年信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來看，網(wǎng)絡(luò)標準推動著信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和全球化，如手機計算平臺，由最初的1G、2G（2.5G）到 3G，網(wǎng)絡(luò)標準決定著產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和行業(yè)的興衰。手機也從過去的移動電話概念發(fā)展成為今天的移動計算（嵌入式系統(tǒng)）概念，手機短信息業(yè)務(wù)的成功應(yīng)用再一次證明了平臺技術(shù)的重要性。

　　從國際上看汽車電子的數(shù)字化進程，已有二十多年歷史，回顧CAN-BUS 的發(fā)展歷史，直到1995 年SAE J1939、CANopen、網(wǎng)絡(luò)計算平臺標準的出現(xiàn)，才為汽車OEM 關(guān)鍵零部件的互聯(lián)、協(xié)同工作進而提升整車的系統(tǒng)性能、功能和靈活性建立了平臺化的工業(yè)基礎(chǔ)。

　　公元2000 年和2005 年國際上的LIN 聯(lián)盟和FlexRay 聯(lián)盟，均是由著名的汽車廠商和信息技術(shù)(IT)公司聯(lián)合發(fā)起和推動的標準聯(lián)盟和技術(shù)聯(lián)盟，這標志著汽車產(chǎn)業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)在共同推動著一個全新的、復(fù)合性的產(chǎn)業(yè)——汽車（電子）信息產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，與傳統(tǒng)的汽車電子產(chǎn)品開發(fā)強調(diào)單個部件功能和性能不同的是汽車（電子）信息產(chǎn)業(yè)更關(guān)心的是網(wǎng)絡(luò)標準和平臺技術(shù)。因為這些決定了行業(yè)的發(fā)展和興衰。

　　當今，技術(shù)發(fā)展的專業(yè)化，分工的精細化和相互融合，以及系統(tǒng)性能的不斷提高和電子技術(shù)日益復(fù)雜化趨勢的挑戰(zhàn)，同時還要考慮汽車電子產(chǎn)品的規(guī)模經(jīng)濟要求，使研發(fā)設(shè)計環(huán)節(jié)變得越來越至關(guān)重要 。因此，類似于集成電路設(shè)計行業(yè)獨立于制造行業(yè)一樣，未來汽車電子設(shè)計產(chǎn)業(yè)作為一個獨立的行業(yè)將會得到快速發(fā)展，在進行產(chǎn)業(yè)規(guī)劃時，這一點應(yīng)當引起我們的思考。

　　我國在汽車計算平臺方面參與國際合作的機會也是存在的，如在CANopen 方面由于標準是分層制定的，CANopen 的基礎(chǔ)層已經(jīng)相當完善，應(yīng)用層是透明開放的。所謂應(yīng)用層行業(yè)規(guī)范（Application Profile）就是由國際上同行專家共同為某個具體行業(yè)制定的平臺性標準，據(jù)國際CiA 組織（CAN in Automation）最近提供的信息，在電動發(fā)動機、混合動力傳動、房車（reereation vehicle 旅游車）等方面，正在尋求國際上專業(yè)廠商及專家共同制定應(yīng)用層行業(yè)規(guī)范。在FlexRay 方面我們也有機會參與應(yīng)用平臺標準化工作和FlexRay 控制器IP（半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán)）方面的國際合作項目，用FPGA 實現(xiàn)FlexRay 控制器在國內(nèi)已有相關(guān)的研發(fā)活動。基于UWB 開發(fā)車輛多媒體網(wǎng)絡(luò)是中國的機會。

　　在基于OBDIII 的Blue-Bus 汽車計算平臺方面，中國的IT 企業(yè)與有遠見的汽車企業(yè)也開始了戰(zhàn)略性合作。 （完成于2006-9-15）

        注：[1] 1990 年美國Sun 公司發(fā)表了“網(wǎng)絡(luò)就是計算機”的著名言論，這是對未來計算機體系結(jié)構(gòu)變化的預(yù)見性定義。后由Internet 的發(fā)展而證實。

　　作者E-mail：can@bol-system.com HomePage: Http:// www.bol-system.com

　　參考文獻

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