汽車總線協(xié)議的形勢(shì)判斷

本文詳細(xì)比較了現(xiàn)有幾類主流汽車總線系統(tǒng)的特點(diǎn)。這些比較將有助于界定下一代高安全性、高容錯(cuò)性的分布式汽車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

汽車總線協(xié)議

隨著汽車功能的不斷增加、可靠性要求的不斷提高以及價(jià)格的不斷下降，越來越多的電子控制單元（ECU）將被引入到汽車中。目前，在高端汽車中一般會(huì)有50個(gè)以上的ECU。為了使這些ECU能夠在一個(gè)共同的環(huán)境下協(xié)調(diào)工作，也為了進(jìn)一步降低成本，人們?cè)O(shè)計(jì)了針對(duì)汽車通信網(wǎng)絡(luò)的總線協(xié)議。

一般來說，汽車通信網(wǎng)絡(luò)可以劃分為四個(gè)不同的領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都有其獨(dú)特的要求?，F(xiàn)有的主流汽車總線協(xié)議都無法適應(yīng)所有的要求：

信息娛樂系統(tǒng)：此領(lǐng)域的通信要求高速率和高帶寬，有時(shí)會(huì)是無線傳輸，目前主流應(yīng)用協(xié)議有MOST，正在推出的還有IDB-1394等；

高安全的線控系統(tǒng)（X-By-Wire）：由于此領(lǐng)域涉及安全性很高的剎車和導(dǎo)向系統(tǒng)，所以它的通信要求高容錯(cuò)性、高可靠性和高實(shí)時(shí)性?？梢钥紤]的協(xié)議有TTCAN、FlexRay、TTP等；

車身控制系統(tǒng)：在這個(gè)領(lǐng)域CAN協(xié)議已經(jīng)有了二十多年的應(yīng)用積累，其中包括傳統(tǒng)的車身控制和傳動(dòng)裝置控制；

低端控制系統(tǒng)：此系統(tǒng)包括那些僅需要簡(jiǎn)單串行通信的ECU，比如控制后視鏡和車門的智能傳感器以及激勵(lì)器等，這應(yīng)該是LIN總線最適合的應(yīng)用領(lǐng)域。

其中，控制器局域網(wǎng)（CAN）是最有名的、也是最早成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的汽車總線協(xié)議。CAN協(xié)議是串行協(xié)議，能夠有效地支持具有高安全等級(jí)的分布實(shí)時(shí)系統(tǒng)。CAN是一個(gè)多主機(jī)系統(tǒng)，所以它設(shè)計(jì)了高效率的仲裁機(jī)制來解決傳輸沖突問題，具有高優(yōu)先級(jí)的系統(tǒng)總能優(yōu)先得到總線的使用權(quán)。CAN還同時(shí)使用了其它一些防錯(cuò)手段，能夠判斷出錯(cuò)的節(jié)點(diǎn)并及時(shí)關(guān)閉之，這樣就在很大程度上保證了總線的可靠性。CAN的傳輸速率和總線長(zhǎng)度相關(guān)，最高可以到1Mbps，一般車內(nèi)使用的速率是500Kbps到200Kbps。

CAN多年來作為車身控制的主干網(wǎng)已經(jīng)形成了從IC設(shè)計(jì)到軟件開發(fā)和測(cè)試驗(yàn)證的完整產(chǎn)業(yè)鏈，而且它還將在新的汽車主干網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確立之前一直充當(dāng)這一角色。

在車內(nèi)，還有許多ECU的控制并不需要CAN這樣高速率和高安全的通信，本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）就是為適應(yīng)這類應(yīng)用而設(shè)計(jì)的低成本解決方案。LIN是一個(gè)公開的協(xié)議，它基于SCI（UART）串行通信的格式，結(jié)合了汽車應(yīng)用的特點(diǎn)。LIN是單一主機(jī)系統(tǒng)，不但降低了硬件成本，而且在軟件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上也能更容易地兼容其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，比如CAN。LIN的傳輸速率最高可到20Kbps，主要是受到EMI和時(shí)鐘同步的限制。

由于LIN器件易得??幾乎所有的IC都帶有SCI（UART）接口，LIN很快就在車內(nèi)低端控制器領(lǐng)域取得領(lǐng)先地位。典型的LIN應(yīng)用有車門、后視鏡、導(dǎo)向輪、馬達(dá)、照明以及其它智能傳感器。LIN不但定義了物理層和數(shù)據(jù)層，還定義了相關(guān)的應(yīng)用軟件層。這些都為L(zhǎng)IN方案提供商解決了設(shè)備兼容的問題，很有利于汽車工業(yè)的規(guī)模生產(chǎn)。相信LIN協(xié)議會(huì)是汽車低端控制網(wǎng)絡(luò)的未來標(biāo)準(zhǔn)。

車內(nèi)除了嵌入式控制系統(tǒng)以外，還有諸如媒體播放器、導(dǎo)航系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)以及其他多種信息娛樂設(shè)備，這些設(shè)備之間的互連需要更高速的通信協(xié)議。媒體導(dǎo)向系統(tǒng)傳輸協(xié)議（MOST）是目前車載信息娛樂系統(tǒng)普遍接受的高速通信協(xié)議。MOST基于ISO/OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)，物理層由光纖通信組件構(gòu)成，具有很好的抗干擾性，設(shè)計(jì)傳輸速率可達(dá)150Mbps（目前產(chǎn)品可達(dá)25Mbps）。除了控制數(shù)據(jù)外，MOST數(shù)據(jù)可分為同步傳輸數(shù)據(jù)和異步傳輸數(shù)據(jù)，具有很大的靈活性??同步數(shù)據(jù)可直接用于音視頻設(shè)備，異步數(shù)據(jù)可用于傳輸其它數(shù)據(jù)塊，如導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)等，甚至也可用于支持TCP/IP數(shù)據(jù)包的傳輸。MOST還定義了應(yīng)用層，包括MOST設(shè)備、功能塊、功能函數(shù)以及參數(shù)格式等等，這些協(xié)議可以確保各個(gè)廠家生產(chǎn)的設(shè)備具有MOST互聯(lián)性，也有利于車內(nèi)信息娛樂設(shè)備的及時(shí)更新?lián)Q代。

IDB-1394是從IEEE 1394標(biāo)準(zhǔn)演化而來的另一種支持車內(nèi)信息娛樂系統(tǒng)的高速通信協(xié)議。IDB-1394可以達(dá)到400Mbps或更高的傳輸速率，而且IEEE 1394也是一種很成熟的通信協(xié)議，已經(jīng)有很多設(shè)備支持。這些都是IDB-1394的優(yōu)勢(shì)，然而由于MOST受到更多廠商的支持，包括一些軟件開發(fā)商的支持，可以預(yù)計(jì)MOST將會(huì)在汽車工業(yè)中進(jìn)一步擴(kuò)張勢(shì)力。

汽車線控系統(tǒng)，按照汽車工程師社團(tuán)（SAE）的定義，需要一個(gè)安全等級(jí)為C的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。如果要實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全的線控汽車，沒有傳統(tǒng)的機(jī)械或液壓系統(tǒng)作備份，不但要對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械和液壓?jiǎn)卧鲃?chuàng)新性的ECU替代，而且傳統(tǒng)的CAN總線系統(tǒng)也不再適用。CAN的本質(zhì)是一種事件驅(qū)動(dòng)的協(xié)議，在高安全性的系統(tǒng)中，CAN缺乏必要的決定性、同步性和容錯(cuò)性。

因此人們開始為線控汽車設(shè)計(jì)滿足安全性要求的新一代汽車主干通信網(wǎng)絡(luò)。TTCAN、FlexRay和TTP就是其中的主要代表，它們無一例外地都采用了時(shí)間驅(qū)動(dòng)的機(jī)制。在時(shí)間驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)里，信息的發(fā)送由預(yù)先設(shè)立好的時(shí)間表確定，所有的節(jié)點(diǎn)都知道什莫時(shí)間該發(fā)送，什莫時(shí)間該收??；信息收發(fā)的不確定性僅僅是時(shí)間同步的誤差，而這個(gè)誤差通?？梢钥刂圃诜浅Ｐ〉姆秶鷥?nèi)。這一特點(diǎn)使時(shí)間驅(qū)動(dòng)的通信網(wǎng)絡(luò)成為線控汽車通信網(wǎng)絡(luò)的必然選擇。

TTCAN由CAN發(fā)展而來，數(shù)據(jù)格式和CAN兼容。它定義了一個(gè)時(shí)間周期，在此周期內(nèi)又有多個(gè)時(shí)間間隔，有些時(shí)間間隔專用于特定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（無需仲裁），其余間隔類似普通的CAN協(xié)議。其特點(diǎn)是保留了和傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的兼容，同時(shí)又具有時(shí)間驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。然而，TTCAN不能提供比CAN更高的傳輸速率，在容錯(cuò)性方面也沒有明確的設(shè)計(jì)說明。

FlexRay協(xié)議將其時(shí)間周期分為靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段兩個(gè)部分。靜態(tài)段采用TDMA方式傳輸時(shí)間驅(qū)動(dòng)類型的數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)段采用Mini-Slot方式傳輸事件驅(qū)動(dòng)類型的數(shù)據(jù)。在安全性方面，F(xiàn)lexRay采用冗余通道的方式確保數(shù)據(jù)正確傳輸，而其它的容錯(cuò)機(jī)制并沒有直接在協(xié)議中明確說明，而交由應(yīng)用提供者自己設(shè)計(jì)。這種方法有很大的設(shè)計(jì)靈活性，然而會(huì)由此產(chǎn)生安全隱患以及兼容性問題。

TTP協(xié)議對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)采用TDMA的網(wǎng)絡(luò)通道分配方式，即所有節(jié)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)都會(huì)傳輸數(shù)據(jù)至少一次。整個(gè)系統(tǒng)采用統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，所有的節(jié)點(diǎn)都存有預(yù)先定義的時(shí)間表，一旦傳輸數(shù)據(jù)和時(shí)間表發(fā)生沖突則認(rèn)為節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤。只要一個(gè)節(jié)點(diǎn)有一次錯(cuò)誤，那末該節(jié)點(diǎn)將退出通信網(wǎng)絡(luò)，確保網(wǎng)絡(luò)不受錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)的干擾。TTP將網(wǎng)絡(luò)成員檢查服務(wù)也定義在協(xié)議中，確保網(wǎng)絡(luò)中沒有可疑的節(jié)點(diǎn)。這些雖然限制了該協(xié)議的靈活性，但確保了它的高安全性。

TTCAN、FlexRay和TTP三種協(xié)議在其它方面的比較

可以看到TTCAN由于受到帶寬等的限制，將不會(huì)在下一代線控汽車主干網(wǎng)中占有主導(dǎo)地位。FlexRay和TTP都可以使用虛擬CAN通道技術(shù)來兼容現(xiàn)有的CAN網(wǎng)絡(luò)和器件，而兩者在安全性和靈活性方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。因?yàn)槠嚬I(yè)的規(guī)模化和線控器件的兼容性，雙標(biāo)準(zhǔn)并存的狀況一定會(huì)影響下一代線控汽車的發(fā)展。雖然有研究表明TTP節(jié)點(diǎn)會(huì)具有更低的制造和實(shí)現(xiàn)成本，而且TTP也已經(jīng)在汽車和航空業(yè)中得到應(yīng)用，但是推廣FlexRay的企業(yè)巨頭的影響力決不容忽視。或許下一代汽車通信主干網(wǎng)的決定因素不是技術(shù)而是政治。

本文小結(jié)

本文通過討論汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如CAN、LIN、MOST、IDB-1394、TTCAN、FlexRay和TTP等，分析了下一代汽車網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。希望這一討論能夠?yàn)檎谂畈l(fā)展的中國(guó)汽車制造業(yè)以及汽車配件制造業(yè)提供一些借鑒。