標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)汽車總線技術(shù)應(yīng)用深入

隨著電子與信息技術(shù)在汽車中的滲透，汽車中內(nèi)嵌CPU的智能化零部件在不斷增加，在智能零部件之間充當(dāng)信息交互橋梁的總線，包括CAN、CIN、FlexRey、MOST、IDB1394等已成為現(xiàn)代汽車的關(guān)鍵技術(shù)。

應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)化是促進(jìn)總線技術(shù)應(yīng)用的重要措施

總線是實施汽車內(nèi)部智能零部件信息交互的橋梁，而總線應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)化則是促進(jìn)總線技術(shù)應(yīng)用的重要措施。

一個具體的總線系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)鏈路層，如SJA1000、FlexCAN等；物理層，如82C250、TJA1050、雙絞線、光纖等；應(yīng)用層，如SAE J1939，因此總線系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化包括數(shù)據(jù)鏈路層、物理層和應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)化。只有遵循同一總線標(biāo)準(zhǔn)的智能零部件才能構(gòu)成可實施信息交互的總線系統(tǒng)。

與總線數(shù)據(jù)鏈路層相關(guān)的是總線控制器，與總線的物理層相關(guān)的總線收發(fā)器和通信介質(zhì)。在設(shè)計總線系統(tǒng)過程中，總線控制器、總線收發(fā)器和通信介質(zhì)等總線元器件是由半導(dǎo)體廠家或其他元器件廠家設(shè)計制造。為了確保不同廠家生產(chǎn)元器件之間的互連性，涉及總線系統(tǒng)的元器件都遵循同一標(biāo)準(zhǔn)并通過了一致性測試，汽車制造廠家和汽車零部件制造廠家只需要從這些元器件中選擇符合自己要求的元器件，標(biāo)準(zhǔn)化工作已由生產(chǎn)元器件的廠家完成。但涉及總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)定義的應(yīng)用層卻是由汽車制造商和汽車制造商的核心零部件廠家自己制定的。

目前在轎車行業(yè)，在不同的汽車制造商甚至同一汽車制造商的不同系列轎車中，盡管它們使用同一總線和同一總線的物理層，其應(yīng)用層是不相同的。以轎車為例，目前幾乎所有轎車在動力系統(tǒng)使用的CAN總線的通信速率都是500Kbps、通信介質(zhì)都是雙絞線，但它們的應(yīng)用層協(xié)議是完全不相同的，如BOSCH有自己的應(yīng)用層協(xié)議，大眾甚至產(chǎn)量十分有限的保時捷都有自己不同的應(yīng)用層協(xié)議。總線的應(yīng)用層直接涉及到智能零部件中MCU的硬件資源和軟件結(jié)構(gòu)，同一個汽車零部件廠家在設(shè)計功能相同、但是為不同汽車制造廠家甚至同一汽車制造廠家不同型號汽車用的智能零部件時，不僅需要建設(shè)適應(yīng)不同總線協(xié)議的測試體系，重新設(shè)計智能零部件的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，而且還必須進(jìn)行智能零部件的重新認(rèn)證。

目前總線系統(tǒng)應(yīng)用層的“百花齊放”現(xiàn)象不僅沒有促進(jìn)汽車電子技術(shù)的健康發(fā)展，而且增加了智能零部件設(shè)計和生產(chǎn)成本，降低了智能零部件的可靠性和生命周期。甚至一些國際汽車制造巨頭為利益所驅(qū)動，借助總線應(yīng)用層來阻止其他成員進(jìn)入其產(chǎn)業(yè)鏈，已嚴(yán)重阻撓了我國汽車智能零部件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

為了實施汽車總線標(biāo)準(zhǔn)化工作，美國汽車工業(yè)協(xié)會(SAE)在1996年頒布了應(yīng)用于卡車和客車應(yīng)用的J1939。ISO在1998年頒布了用于拖頭和拖車之間信息交換的ISO11992。J1939和ISO11992都是建立在CAN總線基礎(chǔ)上的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)，其中J1939遵循CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路層(ISO11898-1)和物理層(ISO11898-2)。ISO19992遵循CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路層(ISO11898-1)，為了增強(qiáng)總線的抗干擾能力，ISO11992物理層信號的高電平由ISO11898-3的5V提高到了24V。經(jīng)過多年的推廣應(yīng)用，J1939已成為全球商用車的事實標(biāo)準(zhǔn)，ISO-11992也正處于推廣期。除了J1939和ISO11992，以CAN總線為基礎(chǔ)的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)還有J2411、J2284、ISO11519、ISO/DIS15765等。

規(guī)范設(shè)計方法建立總線標(biāo)準(zhǔn)化測試體系

汽車最重要的性能是行車安全，在汽車中采用了總線，其優(yōu)勢是很明顯的：構(gòu)建了整車的信息交互平臺，有助于整車的柔性制造和可持續(xù)發(fā)展；串行的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少了整車線束和接插件，簡化安裝、維護(hù)和管理。這是它的優(yōu)勢，但同時這也是總線系統(tǒng)固有的安全隱患。因為所有整車的控制信息、維護(hù)信息都是通過單一總線進(jìn)行信息交互的，一旦總線上的某一關(guān)鍵零部件發(fā)生故障，就有可能造成整車信息癱瘓，最終影響汽車的行車安全。

為了提高總線系統(tǒng)的可靠性和安全性，一方面以CAN總線為代表的車用總線在其創(chuàng)造過程就采用了一系列故障處理措施來提高總線系統(tǒng)的可靠性和安全性；另一方面各個汽車制造廠和各種標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)(如AEC-Q100、ISO7637-3、ISO11452)，來確保汽車智能零部件及其總線系統(tǒng)的可靠性和安全性。表面上看在智能零部件的設(shè)計中，具有總線接口的智能零部件的研發(fā)和其他電子產(chǎn)品的研發(fā)具有很多相同之處，僅僅是一個電子元件的理解和應(yīng)用過程，但總線同時又是智能零部件與外部進(jìn)行信息交互的通道，是連接到外部的橋梁，同時也接收外部干擾和向外部輻射，而且汽車使用環(huán)境十分惡劣。因此，數(shù)據(jù)鏈路層、物理層和應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)化僅僅能保證最基本的信息交互，要保證總線系統(tǒng)安全可靠地進(jìn)行信息交互，還應(yīng)規(guī)范設(shè)計方法，建立總線標(biāo)準(zhǔn)化測試體系。

規(guī)范設(shè)計方法是指規(guī)范與總線相關(guān)的電路原理和軟件結(jié)構(gòu)，而總線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化測試體系除了包括物理層測試、應(yīng)用層測試和EMC測試外，同時還包括總線系統(tǒng)的裝配規(guī)范。在“十五”期間，作者參照國際上的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和同事一起起草了《電動汽車總線測試規(guī)范》，目前該規(guī)范已引起國內(nèi)同行的關(guān)注。

總線系統(tǒng)對于汽車行業(yè)，特別是對于我國的汽車行業(yè)來說還是一項新生事物，總線系統(tǒng)和傳統(tǒng)汽車電器有著本質(zhì)的不同。從研發(fā)、應(yīng)用和維護(hù)出發(fā)，為整車提供一個安全可靠的總線系統(tǒng)，以達(dá)到以“X-BY-WIRE”的目標(biāo)還需要業(yè)界付出長期的努力。

我國在汽車總線標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展情況

為了加速我國汽車總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，在"十五"期間，科技部連續(xù)五年支持電動汽車總線通信協(xié)議方面的研究工作，國家汽車標(biāo)準(zhǔn)化組織也成立了《商用車控制系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)(CAN總線)通訊協(xié)議》起草小組。其中電動汽車總線通信協(xié)議以J1939為基礎(chǔ)，并針對電動汽車的特點進(jìn)行了補(bǔ)充。根據(jù)目前得到的信息，《商用車控制系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)(CAN總線)通訊協(xié)議》是完全基于J1939的，同時國內(nèi)一些單位也研發(fā)出符合J1939的汽車智能零部件。而作者在研發(fā)《重型汽車數(shù)字化平臺》過程中，其應(yīng)用層協(xié)議采用的是ISO11992。