汽车网络与总线标准

   汽车作为一种交通工具，目前承担起了越来越多的功能。现代科技已经将网际网络、无线连接、个人通讯电子装置、娱乐设备等整合到汽车内部，与动力系统相结合，为乘客提供了前所未有的便利。而这一切都有赖于汽车网络技术，它是汽车电子发展的重要方向之一。

   过去，汽车通常采用点对点的通信方式，将电子控制单元及负载设备连接起来。随着电子设备的不断增加，势必造成导线数量的不断增多，从而使得在有限的汽车空间内布线越来越困难，限制了功能的扩展。同时导线质量每增加50 kg，油耗会增加0.2 L/100 km。此外，电控单元并不是仅仅与负载设备简单地连接，更多的是与外围设备及其他电控单元进行信息交流，并经过复杂的控制运算，发出控制指令，这些是不能通过简单地连接所能完成的。而单从线束本身来说，它也是汽车电子系统中成本较高，连接复杂的部件。

   随着汽车电子控制单元以及汽车电子装置的不断增多，采用串行总线实现多路传输，组成汽车电子网络，是一种既可靠又经济的做法。同时现代汽车基于安全性和可靠性的要求，正越来越多地考虑使用电控系统代替原有的机械和液压系统。

   1．汽车电子网络结构

   在汽车内部采用基于总线的网络结构，可以达到信息共享、减少布线、降低成本以及提高总体可靠性的目的。通常的汽车网络结构采用多条不同速率的总线分别连接不同类型的节点，并使用网关服务器来实现整车的信息共享和网络管理。

   车身系统的控制单元多为低速马达和开关量器件，对实时性要求低而数量众多。使用低速的总线连接这些电控单元。将这部分电控单元与汽车的驱动系统分开，有利于保证驱动系统通信的实时性。此外，采用低速总线还可增加传输距离、提高抗干扰能力以及降低硬件成本。

   动力与传动系统的受控对象直接关系汽车的行驶状态，对通讯实时性有较高的要求。因此使用高速的总线连接动力与传动系统。传感器组的各种状态信息可以广播的形式在高速总线上发布，各节点可以在同一时刻根据自己的需要获取信息。这种方式最大限度地提高了通信的实时性。故障诊断系统是将车用诊断系统在通信网络上加以实现。

信息与车载媒体系统对于通讯速率的要求更高，一般在2 Mb/s以上。采用新型的多媒体总线连接车载媒体。这些新型的多媒体总线往往是基于光纤通信的，从而可以充足保证带宽。

   网关是电动汽车内部通信的核心，通过它可以实现各条总线上信息的共享以及实现汽车内部的网络管理和故障诊断功能。

   随着新技术的不断发展，在未来的汽车网络中，还将会有专门用于气囊的安全总线系统，以及X-by-Wire系统。

   2．汽车总线标准、协议

   国际上众多知名汽车公司早在20世纪80年代就积极致力于汽车网络技术的研究及应用，迄今为止，已有多种网络标准。目前存在的多种汽车网络标准，其侧重的功能有所不同。为方便研究和设计应用，SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为A、B、C三类。

   A类是面向传感器/执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常小于1O kb/s，主要用于后视镜调整，电动窗、灯光照明等控制；B类是面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率在10-125 kb/s，主要应用于车身电子舒适性模块、仪表显示等系统；C类是面向高速、实时闭环控制的多路传输网，位速率在125 kb/s-1 Mb/s之间，主要用于牵引控制、先进发动机控制、ABS等系统。

   在今天的汽车中，作为一种典型应用，车体和舒适性控制模块都连接到CAN总线上，并借助于LIN总线进行外围设备控制。而汽车高速控制系统，通常会使用高速CAN总线连接在一起。远程信息处理和多媒体连接需要高速互连，视频传输又需要同步数据流格式，这些都可由D2B(Domestic Digital Bus)或MOST(Media Oriented Systems Transport) 协议来实现。无线通信则通过Blue tooth技术加以实现。而在未来的5-10年里，TTP(Time Trigger Protocol)和Flex Ray将使汽车发展成百分之百的电控系统，完全不需要后备机械系统的支持。

   但是，至今仍没有一个通信网络可以完全满足未来汽车的所有成本和性能要求。因此，汽车制造商和OEM(Original Equipment Manufacture)商仍将继续采用多种协议(包括LIN、CAN和MOST等),以实现未来汽车上的联网。

   （1）A类总线标准、协议

   A类的网络通信大部分采用UART(Universal Asynchronous Reveiver/Transmitter)标准。UART使用起来既简单又经济，但随着技术的发展，预计在今后几年中将会逐步在汽车通信系统中被停止使用。而GM公司所使用的E&C(Entertainment and Comfor)、Chrysler公司所使用CCD(Chrysler Collision Detection)和Ford公司使用的ACP(Audio Control Protocol)，现在已逐步停止使用。Toyota公司制定的一种通信协议BEAN(Body Electronics Area Network)目前仍在其多种车型(Clesior、Aristo、Prius和Celica)中加以应用。

   A类目前首选的标准是LIN。LIN是用于汽车分布式电控系统的一种新型低成本串行通信系统，它是一种基于UART的数据格式、主从结构的单线12V的总线通信系统，主要用于智能传感器和执行器的串行通信，而这正是CAN总线的带宽和功能所不要求的部分。由于目前尚未建立低端多路通信的汽车标准，因此LIN正试图发展成为低成本的串行通信的行业标准。

   LIN的标准简化了现有的基于多路解决方案的低端SCI，同时将降低汽车电子装置的开发、生产和服务费用。LIN采用低成本的单线连接，传输速度最高可达20kb/s，对于低端的大多数应用对象来说，这个速度是可以接受的。它的媒体访问采用单主/多从的机制，不需要进行仲裁，在从节点中不需要晶体振荡器而能进行自同步，这极大地减少了硬件平台的成本。

   在表1中，给出了LIN总线以及下列其他各类典型汽车总线标准、协议特性和参数。

   类别：A类B类C类诊断 多媒体 X-by-Wire 安全

   名称：LIN  ISO11519-2  ISO11898（SAE J1939）ISO15765  D2B（MOST）Flexray  Safety bus
   所属机构：Motorola  ISO/SAE  ISO/TMC-ATA  ISO  PHILIPS  BMW&DC  Delphi
   用途：智能传感器  控制、诊断  控制、诊断  诊断  数据流控制  电传控制  气囊
   介质：单根线 双绞线 双绞线 双绞线 光纤 双线 双线
   位编码：NRZ  NRZ-5  NRZ-5  NRZ  Biphase  NRZ  RTZ
   媒体访问：主/从  竞争 竞争 TESTER/SLAVE  TOKEN RING  FTDMA  主/从

   错误检：8位CS  CRC  CRC  CRC  CRC  CRC  CRC
   数据长度：8字节  0~8字节 8字节 0~8字节 12字节 24~39字节
   位速率20kb/s  10~1250kb/s  1Mb/s（250kb/s）250kb/s  12Mb/s（25Mb/s）5Mb/s  500kb/s
   总线最大长度40m  40m（典型） 40m  40m  无限制 无限制 未定
   最大节点数：16  32 30（STP）10（UTP）32 24 64 64
   成本：低 中 中 中 高 中 中

   （2）B类总线标准、协议

   B类中的国际标准是CAN总线。CAN总线是德国BOSCH公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1Mb/s。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，最多可标识2048(2.OA)个或5亿(2.OB)多个数据块。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上受限制。数据段长度最多为8个字节，不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。

   B类标准采用的是ISO11898，传输速率在lOOkb/s左右。对于欧洲的各大汽车公司从1992年起，一直采用ISO11898，所使用的传输速率范围从47.6-500kb/s不等。近年来，基于ISO11519的容错CAN总线标准在欧洲的各种车型中也开始得到广泛的使用，ISO11519-2的容错低速2线CAN总线接口标准在轿车中正在得到普遍的应用，它的物理层比ISO11898要慢一些，同时成本也高一些，但是它的故障检测能力却非常突出。与此同时，以往广泛适用于美国车型的J1850正逐步被基于CAN总线的标准和协议所取代。

   （3）高速总线系统标准、协议

   由于高速总线系统主要用于与汽车安全相关，以及实时性要求比较高的地方，如动力系统等，所以其传输速率比较高。根据传统的SAE的分类，该部分属于C类总线标准，通常在125kb/s-1Mb/s之间，必须支持实时的周期性的参数传输。目前，随着汽车网络技术的发展，未来将会使用到具有高速实时传输特性的一些总线标准和协议，包括采用时间触发通讯的X by Wire系统总线标准和用于安全气囊控制和通讯的总线标准、协议。

   ①C类总线标准、协议。在C类标准中，欧洲的汽车制造商基本上采用的都是高速通信的CAN总线标准IS011898。而J1939供货车及其拖车、大客车、建筑设备似及农业设备使用，是用来支持分布在车辆各个不同位置的电控单元之间实现实时闭环控制功能的高速通信标准，其数据传输速率为250kb/s。在美国，GM公司已开始在所有的车型上使用其专属的所谓GMLAN总线标准，它是一种基于CAN的传输速率在500kb/s的通信标准。

   ISO11898针对汽车(轿车)电子控制单元(ECU)之间，通信传输速率大于125kb/s，最高1Mb/s时，使用控制器局域网络构建数字信息交换的相关特性进行了详细的规定。

   J1939使用了控制器局域网协议，任何ECU在总线空闲时都可以发送信息，它利用协议中定义的扩展帧29位标识符实现一个完整的网络定义。29位标识符中的前3位被用来在仲裁过程中决定消息的优先级。对每类消息而言，优先级是可编程的。这样原始设备制造商在需要时可以对网络进行调整。J1939通过将所有11位标识符消息定义为专用，允许使用11位标识符的CAN标准帧的设备在同一个网络中使用。这样，11位标识符的定义并不是直接属于J1939的一个组成部分，但是也被包含进来。这是为了保证其使用者可以在同一网络中并存而不出现冲突。

   ②安全总线和标准。安全总线主要是用于安全气囊系统，以连接加速度计、安全传感器等装置，为被动安全提供保障。目前已有一些公司研制出了相关的总线和协议，包括Delphi公司的Safety Bus和BMW公司的Byteflight等。

   Byteflight主要以BMW公司为中心制订。数据传输速率为10 Mb/s，光纤可长达43m。Byteflight不仅可以用于安全气囊系统的网络通信，还可用于X by Wire系统的通信和控制。BMW公司在2001年9月推出的新款BMW 7系列车型中，采用了一套名为ISIS(Intelligent Safety Integrated System)的安全气囊控制系统，它是由14个传感器构成的网络，利用Byteflight来连接和收集前座保护气囊、后座保护气囊以及膝部保护气囊等安全装置的信号。在紧急情况下。中央电脑能够更快更准确地决定不同位置的安全气囊的施放范围与时机，发挥最佳的保护效果。

   ③X by Wire总线标准、协议。X by Wire最初是用在飞机控制系统中，称为电传控制，现在已经在飞机控制中得到广泛应用。由于目前对汽车容错能力和通信系统的高可靠性的需求日益增长，X by Wire开始应用于汽车电子控制领域。在未来的5-10年里，X by Wire技术将使传统的汽车机械系统(如刹车和驾驶系统)变成通过高速容错通信总线与高性能CPU相连的电气系统。在一辆装备了综合驾驶辅助系统的汽车上，诸如Steer by Wire、Brake by Wire和电子阀门控制等特性将为驾驶员带来全新驾驶体验。为了提供这些系统之间的安全通信，就需要一个高速、容错和时间触发的通信协议。目前，这一类总线标准主要有TTP、Byteflight和Flex Ray。

   TTP(时间触发协议)是由维也纳理工大学的H.Kopetz教授开发的。时间触发系统和事件触发系统的工作原理大不相同。对时间触发系统来说，控制信号起源于时间进程；而在事件触发系统中，控制信号起源于事件的发生(如一次中断)。这项开发工作后来作为一个被欧洲委员会资助的项目，进一步发展成为一种汽车自动驾驶应用系统。TTP创立了大量汽车X by Wire控制系统，如驾驶控制和制动控制。TTP是一个应用于分布式实时控制系统的完整的通信协议.它能够支持多种的容错策略，提供了容错的时间同步以及广泛的错误检测机制，同时还提供了节点的恢复和再整合功能。其采用光纤传输的工程化样品速度将达到25Mb/s。

   如前所述BMW公司的By teflight可用于X by Wire系统的网络通信。Byteflight的特点是既能满足某些高优先级消息需要时间触发，以保证确定延迟的要求，叉能满足某些消息需要事件触发，需要中断处理的要求。但其它汽车制造商目前并无意使用Byteflight，而计划采用另一种规格——Flexray。这是一种新的特别适合下一代汽车应用的网络通信系统，它采用FTDM(Flexible Time Division Multiple Access)的确定性访问方式，具有容错功能和确定的消息传输时间，能够满足汽车控制系统的高速率通信要求。BMW、Daimler-Chrysler、Motorola和Philips联合开发和建立了这个FlexRay标准，GM公司也加入了FlexRay联盟，成为其核心成员，共同致力于开发汽车分布式控制系统中高速总线系统的标准。该标准不仅提高了一致性、可靠性、竞争力和效率，而且还简化了开发和使用，并降低了成本。

   （4）诊断系统总线标准、协议

   故障诊断是现代汽车必不可少的一项功能，使用排放诊断的目的主要是为了满足OBD-Ⅱ (ON Board Diagnose).OBD-Ⅲ或E-OBD(European-On Board Diagnose)标准。目前，许多汽车生产厂商都采用ISO14230(Keyword Protocol 2000)作为诊断系统的通信标准，它满足OBD-Ⅱ和OBD-Ⅲ的要求。在欧洲，以往诊断系统中使用的是ISO9141，它是一种基于UART的诊断标准，满足OBD-Ⅱ的要求。美国的GM、Ford、DC公司广泛使用J1850(不含诊断协议)作为满足OBD-Ⅱ的诊断系统的通信标准。但随着CAN总线的广泛应用，预计到2004年，美国三大汽车公司将对乘用车采用于CAN的J2480诊断系统通信标准，它满足OBD-Ⅲ的通信要求。从2000年开始，欧洲汽车厂商已经开始使用一种基于CAN总线的诊断系统通信标准ISO315765，它满足E-OBD的系统要求。

   目前，汽车的故障诊断主要是通过一种专用的诊断通信系统来形成一套较为独立的诊断网络，ISO9141和ISO14230就是这类技术上较为成熟的诊断标准。而ISO15765适用于将车用诊断系统在CAN总线上加以实现的场合，从而适应了现代汽车网络总线系统的发展趋势。ISO15765的网络服务符合基于CAN 的车用网络系统的要求，是遵照ISO14230-3及ISO15031-5中有关诊断服务的内容来制定的，因此，ISO15765对于ISO14230应用层的服务和参数完全兼容，但并不限于只用在这些国际标准所规定的场合，因而有广泛的应用前景。

   （5）多媒体系统总线标准、协议

   汽车多媒体网络和协议分为三种类型，分别是低速、高速和无线，对应SAE的分类相应为:IDB-C(Intelligent Data BUS-CAN)、IDB-M(Multimedia)和IDB-Wireless,其传输速率250kb/s-1OOMb/s。

   低速用于远程通信、诊断及通用信息传送，IDE-C按CAN总线的格式以250kb/s的位速率进行消息传送。由于其低成本的特性，IDB-C有望成为汽车类产品的标准之一，并有可能于2004年前在OEM方式的车辆中推行。GM公司等美国汽车制造商计划使用POF(Plastic Optical Fiber)在车中安装以IEEE1394为基础的IDE-1394，预计Toyota等日本汽车制造商也将跟进采用POF。由于消费者手中已经有许多1394标准下的设备，并与IDE-1394相兼容，因此，IDE-1394将随着IDE产品进入车辆的同时而成为普遍的标准。

   高速主要用于实时的音频和视频通信，如MP3、DVD和CD等的播放，所使用的传输介质是光纤，这一类里主要有D2B、MOST和IEEE1394。

   D2B是用于汽车多媒体和通信的分布式网络，通常使用光纤作为传输介质，可连接CD播放器、语音控制单元、电话和因特网。D2B技术已使用于Mercedes公司1999年款的S-Class车型。

   Damiler-Chrysler等公司计划与BWM公司一样使用MOST。MOST是车辆内LAN的接口规格，用于连接车载导航器和无线设备等。数据传转速度为24Mbp/s。其规格主要由德国Oasis Silicon System公司制订。

   在无线通信方面，采用Bluethootn规范，它主要是面向下一代汽车应用，如声音系统、信息通信等。目前已有一些公司研制出了基于Bluethooth技术的处理器，如美国德州仪器公司(TI)不久前宣布推出一款新型基于ROM的蓝牙基带处理器，可用于通讯及娱乐或PC外设等方面。

   随着电子技术和大规模集成电路的迅速发展，网络技术在汽车上的广泛应用使汽车的动力性、操作稳定性、安全性等都上升到了新的高度，给汽车技术的发展注入了新的活力。