典型車載網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)特點、應(yīng)用和展望

徐 佳，鄭廣州，朱明哲，李柏林，劉保光

（北京新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司，北京 100000）

智能化和聯(lián)網(wǎng)化正引發(fā)全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。汽車不再局限在移動工具這一單一屬性，而是與信息產(chǎn)業(yè)緊密融合，從原本的信息孤島變?yōu)橹悄芙K端，更傾向于作為具有交通功能的電子產(chǎn)品而存在，其內(nèi)涵和外延都在不斷擴展［1］。內(nèi)涵擴展主要體現(xiàn)在汽車功能的增加，外延擴展則表現(xiàn)在汽車與外界的交互，這需要依靠增加大量的ECU來實現(xiàn)。ECU之間的信息傳遞是通過關(guān)聯(lián)傳感器電路和專門的通信線路完成的，如果使用傳統(tǒng)點對點連接，需要耗費大量線材同時占用空間。人們采用汽車總線技術(shù)解決由此而產(chǎn)生的線束沉重、工藝復(fù)雜、經(jīng)濟性下降等問題，建立適合用于車輛使用的物理層鏈路，滿足ECU彼此間共享數(shù)據(jù)的需求從而實現(xiàn)更高級的功能，經(jīng)過多年發(fā)展，構(gòu)成了現(xiàn)在多元、異構(gòu)的車載網(wǎng)絡(luò)［2］。

1 典型車載網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)介紹

1.1 LIN總線 （LOCAL INTERCONNECT NETWORK，本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）

LIN總線由摩托羅拉、奧迪等知名企業(yè)在1999年聯(lián)手推出，2003年開始使用，是一種面向汽車低端分布式應(yīng)用的低成本、低速、開放式串行通信總線。其通信架構(gòu)中確定有唯一的主節(jié)點和多個從節(jié)點，并且一般情況下從節(jié)點的數(shù)量不能超過16個。傳輸過程中由主節(jié)點對從節(jié)點發(fā)送命令，從節(jié)點完成應(yīng)答的方式進行，通信過程中無需有仲裁和沖突管理機制的參與。采用LIN總線通信的網(wǎng)絡(luò)有著非常強的確定性，報文發(fā)送的周期、長度、以及調(diào)度都是提前預(yù)設(shè)好的，比較適合功能簡單的ECU或者傳感器。LIN數(shù)據(jù)傳輸方式采用總線電壓為12V的單線傳輸，傳輸速率小于20KB／s。LIN總線主要是為了滿足某個局部區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)通信，常常作為CAN總線的分支；有著結(jié)構(gòu)簡單、成本低、配置靈活 （新添加從節(jié)點無需修改網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點）的特點。非常適合對車窗、中控、后視鏡、照明燈、座椅、天窗等一系列傳感器的控制。

1.2 CAN總線 （Controller Area Network控制器局域網(wǎng)）

CAN總線通常稱為CAN BUS，20世紀80年代由德國BOSCH公司最先提出，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一。CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸過程為多主通信模式：當(dāng)總線空閑時，任何單元都可以開始發(fā)送消息。如果兩個節(jié)點需要同時發(fā)送，則具有較高優(yōu)先級消息的單元將獲得總線訪問。每個控制單元都能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，但只有選擇地讀取消息來決定是否由他們采取行動。其通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等工作。CAN總線為5V差分信號的雙線傳輸方式，傳輸速率為10KB／s~1M／s，具有高實時性、抗電磁干擾能力強、兼容度高、成本低等優(yōu)點，已經(jīng)形成了完善的標準體系。CAN主要用于車上控制數(shù)據(jù)傳輸，低速CAN應(yīng)用于車輛信息中心、故障診斷、儀表顯示等系統(tǒng)，高速CAN應(yīng)用于與汽車安全相關(guān)的領(lǐng)域如車身底盤與發(fā)動機的控制。

1.3 FlexRay

FlexRay總線是由寶馬、克萊斯勒等公司共同制定的一種通信標準，2000年成立FlexRay聯(lián)盟［3］。FlexRay總線為周期通信方式，一個通信周期可以劃分為靜態(tài)部分、動態(tài)部分、符號窗口和網(wǎng)絡(luò)空閑時間4個部分，協(xié)議在數(shù)據(jù)靜態(tài)部分傳輸基于時間觸發(fā) （TDMA）進行，此時消息都在分配的固定時刻發(fā)送，接收器可以提前知道信息到達時間；對于動態(tài)通信段則釆用靈活時間觸發(fā) （FTDMA）的方式，此時消息根據(jù)優(yōu)先級占用帶寬。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10M／s，總傳輸速率為20M／s。由于其基于TDMA技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑恚軌蜃钚』R時偏差幅度，即便行車環(huán)境惡劣多變，干擾了系統(tǒng)傳輸，F(xiàn)lexRay協(xié)議也可以確保將信息延遲和抖動降至最低，盡可能保持傳輸?shù)耐脚c可預(yù)測。此外FlexRay還具備冗余通信能力，支持各種拓撲結(jié)構(gòu)，常被用于需要持續(xù)及高速性能的場景如線控制動、線控轉(zhuǎn)向等。

1.4 MOST（Media Oriented System Transport多媒體定向系統(tǒng)傳輸）

1996年，寶馬、別克和SMSC共同開展MOST總線技術(shù)的研究［4］，MOST的傳輸技術(shù)近似于數(shù)字電話交換機等使用的“幀同步傳送”技術(shù)，包含數(shù)據(jù)信道與控制信道的設(shè)計定義，一旦設(shè)定完成，資料就會持續(xù)地從發(fā)送處流向接收處，過程中不用再有進一步的封包處理程序，如此設(shè)計的運作機制最適合用于實時性音訊、視訊串流傳輸。MOST在制訂上完全合乎ISO／OSI的7層數(shù)據(jù)通信協(xié)議參考模型，在網(wǎng)線連接上MOST采用環(huán)狀拓樸，不過在更具嚴苛要求的傳控應(yīng)用上，MOST也允許改采星狀或雙環(huán)狀的連接組態(tài)，每套MOST傳控網(wǎng)絡(luò)允許最多達64個的裝置 （節(jié)點）連接。MOST的傳輸介質(zhì)通常為光纖，第三代技術(shù)MOST150數(shù)據(jù)傳輸率能夠達到150M／s。MOST能夠兼容TCP／IP，物理層完全時鐘級別同期，光纖不會受到電磁輻射干擾與搭鐵環(huán)的影響，支持隨插即用 （Plug and Play；PnP）機制，十分適合車載信息娛樂系統(tǒng)中視頻、音頻的傳輸。

1.5 LVDS（Low Voltage Differential Signals低電壓差分信號）

LVDS最早由美國國家半導(dǎo)體公司在1994年提出，是一種低擺幅的差分信號技術(shù)。與CAN總線類似，LVDS使用兩條線傳輸?shù)姆椒òl(fā)送數(shù)字數(shù)據(jù)，發(fā)送信號時，一條線是正值，另一個為負值，在接收機處從這兩條信號線之間的差分電壓提取完整的信號［5］。有研究表明，LVDS是目前在汽車視頻傳輸中最有效的解決方案，其固有的共模抑制能力提供了高水平的抗干擾性，由于具有較高的信噪比，信號幅度可以降低到大約350mV［6］，加上差分結(jié)構(gòu)，LVDS傳輸線具有最小的電磁輻射［7］。LVDS早在20世紀90年代就已經(jīng)成為用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ媒涌跇藴?，定義在2個國際標準中，分別為TIA／EIA （電訊工業(yè)聯(lián)盟／電子工業(yè)聯(lián)盟）ANSI／EIA-644-A-2001標準和IEEE1596.3標準。ANSI／EIA建議了655MB／s的最大速率和1.823 GB／s的無失真媒質(zhì)上的理論極限速率［8］。LVDS兼容于各種總線拓撲，具有兼容低電源電壓、功耗低、終端和布線簡單等優(yōu)點，多用于車內(nèi)屏幕和各驅(qū)動板之間的數(shù)據(jù)傳輸。

1.6 Ethernet

以太網(wǎng) （Ethernet）是由施樂公司創(chuàng)建，聯(lián)合英特爾和美國數(shù)字設(shè)備公司在1980年開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范［9］，車載以太網(wǎng)技術(shù)在 2010年由寶馬聯(lián)合美國博通公司共同提出。人們對以非同步方式工作的傳統(tǒng)以太網(wǎng)進行了修改，以滿足汽車嚴格的電磁兼容、電磁干擾和實時性的要求。最受關(guān)注的為TSN（Time-sensitive networking，時間敏感網(wǎng)絡(luò)）和TTEthernet（Time-triggered ethernet，時間觸發(fā)以太網(wǎng)）。

1）TSN

2006年，IEEE802.1工作組成立AVB音頻視頻橋接任務(wù)組，并在隨后的幾年里成功解決了音頻視頻網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)實時同步傳輸?shù)膯栴}，2012年，AVB任務(wù)組在其章程中擴大了時間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍，并同時將任務(wù)組名稱改為現(xiàn)在的TSN任務(wù)組。TSN指的是在IEEE802.1標準框架下，基于特定應(yīng)用需求制定的一組“子標準”，利用數(shù)據(jù)整形，確保延遲達到微秒級 （一般每橋不超過250微秒），利用幀復(fù)制和消除 （Frame Replication and Elimination），確保無論發(fā)生鏈路故障、電纜斷裂以及其他錯誤，均能強制實現(xiàn)可靠的通信。此選項確保關(guān)鍵流量的復(fù)本在網(wǎng)絡(luò)中能以不相交集的路徑進行傳送，只保留首先到達目的地的任何封包，從而實現(xiàn)無縫冗余，達到超高的可靠性，這對無人駕駛尤其重要。

2）TTEthernet

TTEthernet是一種實時以太網(wǎng)擴展，它提供3種不同的流量類別，時間觸發(fā) （TT）、速率約束 （RC）和盡力而為（BE），用來分別滿足不同的故障安全和同步協(xié)議，分配全局有效時間。所有參與者都使用共享和預(yù)定義的計劃，防止在傳輸?shù)木€路上發(fā)生沖突。這種協(xié)作時分多址 （TDMA）方法擴展了標準交換以太網(wǎng)協(xié)議，具有傳輸嚴格實時要求的消息的能力［10］。時間觸發(fā)的以太網(wǎng)還包括復(fù)制的數(shù)據(jù)包通信，即使一個通道出現(xiàn)故障，也可以保證消息的傳輸，無需任何額外的切換延遲。 這可確保在出現(xiàn)故障時最大限度地提高系統(tǒng)安全性。相關(guān)標準為SAE AS6802，與IEEE 802.3以太網(wǎng)完全兼容。

鑒于以太網(wǎng)帶寬充裕 （100M／s和1G／s兩種規(guī)格）、拓撲結(jié)構(gòu)靈活 （幾乎不受限）、傳輸介質(zhì)成本低 （一對非屏蔽雙絞線實現(xiàn)100M／s數(shù)據(jù)傳輸）、具備數(shù)據(jù)線供電 （PoDL）可能性、互聯(lián)擴展的優(yōu)勢，車載以太網(wǎng)在車內(nèi)信息娛樂系統(tǒng)、高級駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS）、車聯(lián)網(wǎng) （V2X）和電動汽車領(lǐng)域應(yīng)用具有廣闊前景。

2 現(xiàn)有汽車總線技術(shù)存在的問題

顯然，傳統(tǒng)汽車總線技術(shù)LIN、CAN和FlexRay的帶寬均不能滿足高品質(zhì)信息娛樂，自動駕駛和云計算等智能汽車對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。MOST環(huán)形結(jié)構(gòu)決定了其容錯能力有限，同時存在睡眠電流導(dǎo)致功耗較大，且其壟斷性強開發(fā)費用高。LVDS的協(xié)議為非完全開放協(xié)議，開放性較差，相關(guān)連接器復(fù)雜而昂貴，同時在信號品質(zhì)方面的測試成本也非常高。車載以太網(wǎng)中，功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全是對立關(guān)系，目前二者兼顧的完美方案還沒有出現(xiàn)，評價體系也還不完善，需要在長期使用中結(jié)合實際用途持續(xù)探討。

3 車載總線技術(shù)發(fā)展趨勢

德國大陸集團提出的汽車總線系統(tǒng)展望中顯示，到2020年左右，MOST、LVDS、FlexRay將有可能被汽車行業(yè)淘汰，以太網(wǎng)將在汽車通信上占據(jù)半壁江山。雖然不乏OPEN SIG、IEEE、AVNU、AUTOSAR等組織在積極推動車載以太網(wǎng)的發(fā)展，但事實證明短期內(nèi)多種總線技術(shù)并存的情形并不會改變。目前異構(gòu)通信技術(shù)之間的必要轉(zhuǎn)換通過域控制器和中央網(wǎng)關(guān)完成，這種基于域的體系結(jié)構(gòu)使車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有更好的可擴展性，而且能夠基于不同總線技術(shù)的優(yōu)勢實現(xiàn)最優(yōu)的組合方案。此外，在汽車向移動電子終端變化的趨勢下，越來越多的在如工業(yè)、消費電子、智能家居等其他領(lǐng)域成熟的通信技術(shù)可能會被應(yīng)用到汽車上，比如MIPI（Mobile Industry Processor Interface）、Byteflight、藍牙等。由此帶來的新型總線技術(shù)車輛應(yīng)用場景分析、不同通信協(xié)議相互轉(zhuǎn)換、整車電子電氣架構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)測試方法標準制定、配套開發(fā)優(yōu)化組件和測試工具等方面研究的進展，將決定下一代車載總線技術(shù)能否作為主干網(wǎng)絡(luò)占據(jù)主導(dǎo)地位，進而影響企業(yè)甚至國家在汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。