汽車網(wǎng)絡(luò)的分類及發(fā)展趨向
| 1 概述 自1980年起，眾多國際知名汽車公司開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)的使用解決了點對點式車身布線帶來的問題，使車身布線（趨于）更規(guī)范化、標準化，降低了成本，增強了穩(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)會的LIN等多種網(wǎng)絡(luò)標準。為方便研究和設(shè)計使用，美國汽車工程師協(xié)會(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)標準的具體分類 2.1 A類網(wǎng)絡(luò)標準 從目前的發(fā)展和使用情況來看，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時現(xiàn)場總線。它具有標準的UART，能自動識別加入總線的主節(jié)點與從節(jié)點，節(jié)點在某段已知的時間內(nèi)觸發(fā)通信但不具備內(nèi)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(xié)會，共同推出的用于汽車分布式電控系統(tǒng)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(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看，LIN保證了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的互換性，極大地提高了開發(fā)速度，同時保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。 LIN協(xié)議應(yīng)用開發(fā)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(jié)點20個左右。這樣全世界每年將生產(chǎn)12億個LIN節(jié)點。可見，LIN的應(yīng)用存在著巨大的潛在市場，協(xié)議本身也會在不斷應(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，有望成為事實上的A類網(wǎng)絡(luò)標準。 2.2 B類網(wǎng)絡(luò)標準 B類網(wǎng)絡(luò)的使用情況如表3所列。從目前來看，主要應(yīng)用的B類總線標準有三種：低速CAN、J1850和VAN。 ① 1994年SAE正式將J1850作為B類網(wǎng)絡(luò)標準協(xié)議。最早，SAE J1850用在美國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(shù)據(jù)幀格式，并且三個公司使用各自的消息協(xié)議。預(yù)計在2006年或2007年將停止使用，然后全部轉(zhuǎn)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(tǒng)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(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換問題而開發(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1 Mbps。1991年首次在奔馳S系列汽車中實現(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正式頒布了國際標準ISO11898，為CAN的標準化、規(guī)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(wǎng)絡(luò)。1994年，美國汽車工程師協(xié)會卡車和巴士控制與通信子協(xié)會選擇CAN作為SAEJ1939標準的基礎(chǔ)。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(fā)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(xié)議。 2.3 C類網(wǎng)絡(luò)標準 C類標準主要用于與汽車安全相關(guān)及實時性要求比較高的地方，如動力系統(tǒng)，所以其傳輸速率比較高，通常在125 kbps～1 Mbps之間，必須支持實時的周期性參數(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的訪問方式。TTP/C是一個應(yīng)用于分布式實時控制系統(tǒng)的完整的通信協(xié)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(jié)點的恢復(fù)和再整合功能。其采用光纖傳輸?shù)墓こ袒瘶悠匪俣葘⑦_到25 Mbps。TTP/ C支持時間和事件觸發(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大的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)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(fā)與時間觸發(fā)通信，具備高速率通信能力。FlexRay采用冗余備份的辦法，對高速設(shè)備可以采用點對點方式與FlexRay總線控制器連接，構(gòu)成星型結(jié)構(gòu)，對低速網(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總線標準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，2001年用在汽車上的CAN節(jié)點數(shù)目超過1億個。然而，作為一種事件驅(qū)動型總線，CAN無法為下一代線控系統(tǒng)提供所需的容錯功能或帶寬，因為X-by-Wire系統(tǒng)實時性和可靠性要求都很高，必須采用時間觸發(fā)的通信協(xié)議，如TTP/ C或FlexRay等。 就目前來說，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X-by-Wire系統(tǒng)，TTP/C和FlexRay將顯示出優(yōu)勢。它們之間的競爭還要持續(xù)一段時間，在未來的線控系統(tǒng)中，到底哪一種標準更具有生命力尚難定論。 2.4 診斷系統(tǒng)總線標準 故障診斷是現(xiàn)代汽車必不可少的一項功能。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)標準。 OBDII（On Board Diagnose）第2代隨車電腦診斷系統(tǒng)，由美國汽車工程學(xué)會1994年提出。1994年以來，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)、自檢測試模式為一體，具有監(jiān)視發(fā)動機微機和排放系統(tǒng)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(tǒng)通信標準。在歐洲，以往診斷系統(tǒng)中使用的是ISO9141。它是一種基于UART的通信標準。從2000年開始，歐洲汽車廠商就已經(jīng)開始使用一種基于CAN總線的診斷系統(tǒng)通信標準ISO15765。 ISO15765是遵照ISO142303及ISO150315中有關(guān)診斷服務(wù)的內(nèi)容來制定的，因此，ISO15765對于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際標準所規(guī)定的場合。表5為診斷系統(tǒng)協(xié)議標準的使用情況。 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準。 2.5 多媒體信息系統(tǒng)總線標準 汽車信息娛樂和遠程信息設(shè)備，特別是汽車導(dǎo)航系統(tǒng)，需要功能強大的操作系統(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Oasis Silicon System公司開發(fā)的。MOST技術(shù)針對塑料光纖媒體而優(yōu)化，采用環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，在器件層提供高度可靠性和可擴展性。它可以傳送同步數(shù)據(jù)（音頻信號、視頻信號等流動型數(shù)據(jù)）、非同步數(shù)據(jù)（訪問網(wǎng)絡(luò)及訪問數(shù)據(jù)庫等的數(shù)據(jù)包）和控制數(shù)據(jù)（控制報文及控制整個網(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(yīng)用而設(shè)計。IDB1394網(wǎng)絡(luò)采用光纖技術(shù)，允許1394兼容的便攜式消費電子設(shè)備能夠連接到汽車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)互操作。例如，Zayante公司就為消費者市場提供1394物理層設(shè)備。最近與Ford公司聯(lián)合進行的一項演示包括數(shù)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******限度地利用民用設(shè)備市場，通過將現(xiàn)有的部件應(yīng)用到車載設(shè)備上，解決了成本問題。 ③ D2B是針對多媒體數(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，主要使用Smart WireTM非屏蔽雙絞線對或單光纖。這種通信網(wǎng)絡(luò)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(shù)一起演進。D2B基于一種開放式架構(gòu)，僅使用一條聚合物光纖來處理車內(nèi)多媒體數(shù)據(jù)和控制信息，簡化了擴展，當在光纖環(huán)中增加一種新設(shè)備或功能時并不需要改變連接線纜。 ④ 藍牙無線技術(shù)是一種用于移動設(shè)備和WAN／LAN接入點的低成本、低功耗的短距離射頻技術(shù)。藍牙標準描述了手機、計算機和PDA如何方便地實現(xiàn)彼此之間的互連，以及與家庭和商業(yè)電話和計算機設(shè)備的互連。藍牙特殊興趣組的成員包括AMIC、BMW、Daimler Chrysler、 Ford、 GM、 Toyota和Volkswagen。作為藍牙在汽車中應(yīng)用的一個例子，Johnson Controls公司的免提手機系統(tǒng)“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(lián)系。 ⑤ ZigBee TM無線網(wǎng)絡(luò)在汽車上應(yīng)用的解決方案是針對藍牙技術(shù)受車內(nèi)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(yīng)用范圍包括工業(yè)控制、家庭自動化、消費類應(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試的四 |
