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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)的使用解決了點對點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)會的lin等多種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。為方便研究和設(shè)計使用,美國汽車工程師協(xié)會(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時現(xiàn)場總線。它具有標(biāo)準(zhǔn)的uart,能自動識別加入總線的主節(jié)點與從節(jié)點,節(jié)點在某段已知的時間內(nèi)觸發(fā)通信但不具備內(nèi)部容錯功能。

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,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)點的互換性,極大地提高了開發(fā)速度,同時保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

lin協(xié)議應(yīng)用開發(fā)的熱點集中在美國、歐洲和日本。估計在未來10年,平均每輛車將有l(wèi)in節(jié)點20個左右。這樣全世界每年將生產(chǎn)12億個lin節(jié)點??梢?,lin的應(yīng)用存在著巨大的潛在市場,協(xié)議本身也會在不斷應(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,并且三個公司使用各自的消息協(xié)議。預(yù)計在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,主要為法國汽車公司所用。但目前就動力與傳動系統(tǒng)而言,甚至在法國也集中在can總線上。

③ can是德國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,美國汽車工程師協(xié)會卡車和巴士控制與通信子協(xié)會選擇can作為saej1939標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。低速can具有許多容錯功能,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、實時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)及實時性要求比較高的地方,如動力系統(tǒng),所以其傳輸速率比較高,通常在125 kbps~1 mbps之間,必須支持實時的周期性參數(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是一個應(yīng)用于分布式實時控制系統(tǒng)的完整的通信協(xié)議。它能夠支持多種容錯策略,提供容錯的時間同步以及廣泛的錯誤檢測機(jī)制,同時還提供節(jié)點的恢復(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,具有容錯功能及確定的通信消息傳輸時間,同時支持事件觸發(fā)與時間觸發(fā)通信,具備高速率通信能力。flexray采用冗余備份的辦法,對高速設(shè)備可以采用點對點方式與flexray總線控制器連接,構(gòu)成星型結(jié)構(gòu),對低速網(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??偩€傳輸速率通常在125 kbps~1 mbps之間。據(jù)strategy analytics公司統(tǒng)計,2001年用在汽車上的can節(jié)點數(shù)目超過1億個。然而,作為一種事件驅(qū)動型總線,can無法為下一代線控系統(tǒng)提供所需的容錯功能或帶寬,因為x-by-wire系統(tǒng)實時性和可靠性要求都很高,必須采用時間觸發(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。它們之間的競爭還要持續(xù)一段時間,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),由美國汽車工程學(xué)會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)、自檢測試模式為一體,具有監(jiān)視發(fā)動機(jī)微機(jī)和排放系統(tǒng)部件的能力。

2004年,美國gm、ford、dc三大汽車公司對乘用車采用基于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際標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的場合。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oasis silicon system公司開發(fā)的。most技術(shù)針對塑料光纖媒體而優(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、視頻信號等流動型數(shù)據(jù))、非同步數(shù)據(jù)(訪問網(wǎng)絡(luò)及訪問數(shù)據(jù)庫等的數(shù)據(jù)包)和控制數(shù)據(jù)(控制報文及控制整個網(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則針對高速多媒體應(yīng)用而設(shè)計。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)并實現(xiàn)互操作。例如,zayante公司就為消費(fèi)者市場提供1394物理層設(shè)備。最近與ford公司聯(lián)合進(jìn)行的一項演示包括數(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則最大限度地利用民用設(shè)備市場,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,主要使用smart wiretm非屏蔽雙絞線對或單光纖。這種通信網(wǎng)絡(luò)由英國c&celectronics公司推動,并得到j(luò)aguar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)是一種用于移動設(shè)備和wan/lan接入點的低成本、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)、計算機(jī)和pda如何方便地實現(xiàn)彼此之間的互連,以及與家庭和商業(yè)電話和計算機(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試的四款平臺。這些平臺將用來測試未來數(shù)月內(nèi)推出的zigbee產(chǎn)品,為zigbee在各領(lǐng)域的實際應(yīng)用鋪平道路。

2.6 安全總線和標(biāo)準(zhǔn)

安全總線主要用于安全氣囊系統(tǒng),以連接加速度計、安全傳感器等裝置,為被動安全提供保障。目前已有一些公司研制出了相關(guān)的總線和協(xié)議,包括delphi公司的safetybus和bmw公司的byteflight。

byteflight協(xié)議是由bmw、motorola、 elmos、 infineon等公司共同開發(fā)的,試圖用于安全保障系統(tǒng)。此協(xié)議基于靈活的時分多路tdma協(xié)議、以10 mbps的速率傳送數(shù)據(jù),光纖可長達(dá)43 m。其結(jié)構(gòu)能保證以一段固定的等待時間專門用于來自安全元件的高優(yōu)先級信息,而允許低優(yōu)先級信息使用其余的時段。這種決定性的措施對安全是至關(guān)重要的。

byteflight不僅可用于安全氣囊系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信,還可用于x-by-wire系統(tǒng)的通信和控制。bmw公司在其2001年9月推出的bmw 7系列車型中,采用了一套名為isis的安全氣囊控制系統(tǒng),它是由14個傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),利用byteflight來連接和收集前座保護(hù)氣囊、后座保護(hù)氣囊以及膝部保護(hù)氣囊等安全裝置的信號。在緊急情況下,中央電腦能夠更快、更準(zhǔn)確地決定不同位置的安全氣囊的施放范圍與時機(jī),發(fā)揮最佳的保護(hù)效果。

3 汽車網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨向

x-by-wire,即線控操作,是未來汽車的發(fā)展方向。該技術(shù)來源于飛機(jī)制造,基本思想就是用電子控制系統(tǒng)代替機(jī)械控制系統(tǒng),減輕重量,提高可靠性,如steer-by-wire, brake-by-wire等。由于整個設(shè)計思想涉及動力、制動、方向控制等關(guān)鍵功能,對汽車網(wǎng)絡(luò)也就提出了不同要求。在未來的5~10年里,x-by-wire技術(shù)將使傳統(tǒng)的汽車機(jī)械系統(tǒng)變成通過高速容錯通信總線與高性能cpu相連的電氣系統(tǒng)。在一輛裝備了綜合駕駛輔助系統(tǒng)的汽車上,目前存在相互競爭的幾種網(wǎng)絡(luò)技術(shù),包括前文提到的ttp、byteflight和flexray以及ttcan(時間觸發(fā)的can)。

至于哪一種總線網(wǎng)絡(luò)會成為今后的標(biāo)準(zhǔn),目前還尚難定論,但長遠(yuǎn)來看,車載網(wǎng)絡(luò)還遠(yuǎn)沒有達(dá)到成熟階段。信息與電子技術(shù)發(fā)展很快,車輛上的應(yīng)用又有比較大的滯后,所以車上信息與電子技術(shù)的應(yīng)用還有很大的發(fā)展空間。它們將對車上通信與控制網(wǎng)絡(luò)提出一些新的需求,同時為新的車上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供技術(shù)支持?!?/p>

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