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)式車身布線帶來的問題,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)的開放式的低成本串行通信標(biāo)準(zhǔn),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(diǎn)的互換性,極大地提高了開發(fā)速度,同時(shí)保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。 LIN協(xié)議應(yīng)用開發(fā)的熱點(diǎn)集中在美國(guó)、歐洲和日本。估計(jì)在未來10年,平均每輛車將有LIN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)??梢姡琇IN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(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(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,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1億個(gè)。然而,作為一種事件驅(qū)動(dòng)型總線,CAN無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)閄-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(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,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(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)(訪問網(wǎng)絡(luò)及訪問數(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******限度地利用民用設(shè)備市場(chǎng),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(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(jìn)。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(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)在雙手扶住方向盤的情況下,通過支持藍(lán)牙功能的手機(jī)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(duì)藍(lán)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(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 |