汽車通信的應(yīng)用設(shè)計(jì) 你了解多少？

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一、汽車EE架構(gòu)從分布式向域集中變化，推動(dòng)通信架構(gòu)升級(jí)

電子電氣架構(gòu)在2007年由德?tīng)柛?DELPHI)首先提出E/E架構(gòu)的概念，具體就是在功能需求、法規(guī)和設(shè)計(jì)要求等特定約束下，把汽車?yán)锏膫鞲衅?、中央處理器、電子電氣分配系統(tǒng)、軟件硬件通過(guò)技術(shù)手段整合在一起;通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，將動(dòng)力總成、傳動(dòng)系統(tǒng)、信息娛樂(lè)系統(tǒng)等信息轉(zhuǎn)化為實(shí)際的電源分配的物理布局、信號(hào)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、診斷、電源管理等電子電氣解決方案。

目前存在的多種汽車網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其側(cè)重的功能有所不同。按照系統(tǒng)的復(fù)雜程度、通信速率、必要的動(dòng)作響應(yīng)速度、工作可靠性等方面的因素，美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)(SAE)將汽車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)劃分為A、B、C、D和E共5類。下表為汽車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的類型：

車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分類

A類網(wǎng)絡(luò)

A類網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用在“控制模塊與智能傳感器或智能執(zhí)行器”之間的通信網(wǎng)絡(luò)(子總線)。

該類網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)是低傳輸位速率、低成本，A類的網(wǎng)絡(luò)通信大部分采用UART(UniversalAsynchronous Receiver Transmitter，通用異步收發(fā)器)標(biāo)準(zhǔn)，目前還在應(yīng)用的主要是LIN協(xié)議、TTP/A協(xié)議和豐田專用BEAN協(xié)議等。

B類網(wǎng)絡(luò)

主要應(yīng)用的B類總線標(biāo)準(zhǔn)有三種：低速CAN、J1850和VAN。

低速CAN是B類總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以往廣泛適用于美國(guó)車型的J1850正逐步被基于CAN總線的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議所取代。

C類網(wǎng)絡(luò)

由于高速總線系統(tǒng)主要用于與汽車安全相關(guān)，以及實(shí)時(shí)性要求比較高的地方，如動(dòng)力系統(tǒng)等，所以其有高傳輸速率，通常在“125kbit/s～1Mbit/s”之間?？芍С謱?shí)時(shí)的周期性的參數(shù)傳輸，高速網(wǎng)絡(luò)主要用于動(dòng)力控制系統(tǒng)、電子制動(dòng)系統(tǒng)等。

D類網(wǎng)絡(luò)

汽車信息娛樂(lè)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D類總線協(xié)議見(jiàn)下表。

汽車多媒體網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議分為三種類型，分別是低速、高速和無(wú)線，對(duì)應(yīng)SAE的分類相應(yīng)為IDB-C、IDB-M和IDB-W，其傳輸速率為250kbit/s～100Mbit/s。

低速用于遠(yuǎn)程通信、診斷及通用信息傳送，IDB-C按CAN總線的格式以250kbit/s的位速率進(jìn)行信息傳送。

高速主要用于實(shí)時(shí)的音頻和視頻通信，如MP3、DVD和CD等的播放，所使用的傳輸介質(zhì)是光纖。

無(wú)線通信方面，采用藍(lán)牙規(guī)范。

E類網(wǎng)絡(luò)

E類網(wǎng)絡(luò)主要面向乘員的安全系統(tǒng)，其主要用于“安全氣囊系統(tǒng)”。主要作用為：連接氣囊、控制電腦、加速度計(jì)、安全傳感器等裝置，為被動(dòng)安全提供最佳保障。目前已有一些公司研制了相關(guān)的總線和協(xié)議，典型的安全總線標(biāo)準(zhǔn)如寶馬公司的Byteflight。

Byteflight協(xié)議基于靈活的時(shí)分多路TDMA協(xié)議，以10Mbit/s的速率傳送數(shù)據(jù)，光纖可長(zhǎng)達(dá)43m。不僅可以用于安全氣囊系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，還可用于X-by-Wire系統(tǒng)的通信和控制。其結(jié)構(gòu)能夠保證以一段固定的等待時(shí)間專門用于來(lái)自安全元件的高優(yōu)先級(jí)信息。利用Byteflight可以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(hào)。在緊急情況下，這種決定性的措施對(duì)安全發(fā)揮最佳的保護(hù)效果。

車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用

車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用非常多，按照應(yīng)用系統(tǒng)加以劃分的話，車載網(wǎng)絡(luò)大致可以分為4個(gè)系統(tǒng)：動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和信息系統(tǒng)。

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)，利用網(wǎng)絡(luò)將發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)設(shè)置的模塊連接起來(lái)，在將汽車的主要因素——行駛、停止與轉(zhuǎn)彎這些功能用網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)時(shí)，就需要高速網(wǎng)絡(luò)。

動(dòng)力CAN數(shù)據(jù)總線連接3塊電腦，它們是發(fā)動(dòng)機(jī)、ABS/EDL及自動(dòng)變速器電腦。在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳遞應(yīng)盡可能快速，以便能及時(shí)利用數(shù)據(jù)，所以需要一個(gè)高性能的發(fā)送器。

CAN數(shù)據(jù)總線連接點(diǎn)通常置于控制單元外部的線束中，但在特殊情況下，連接點(diǎn)也可能設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元內(nèi)部。

車身系統(tǒng)

與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)相比，汽車上的各處都配置有車身系統(tǒng)的部件，線束長(zhǎng)，容易受到干擾。防干擾的措施是盡量降低通信速度，通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，保證通信速度不受影響。在車身系統(tǒng)中，因?yàn)閾?dān)負(fù)著人機(jī)接口作用的模塊、節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加，所以與性能(通信速度)相比，更傾向于注重成本。

安全系統(tǒng)

安全系統(tǒng)是指根據(jù)”多個(gè)傳感器的信息“使安全氣囊啟動(dòng)等的控制系統(tǒng)。由此使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)將急劇地增加。對(duì)此系統(tǒng)的要求是成本低、通信速度快、通信可靠性高。

信息(娛樂(lè)、ITS)系統(tǒng)

對(duì)信息系統(tǒng)通信總線的要求是容量大、通信速度非常高。面向21世紀(jì)的控制系統(tǒng)、高速車身系統(tǒng)及主干網(wǎng)絡(luò)等，意味著將會(huì)有不同的網(wǎng)絡(luò)并存，為了實(shí)現(xiàn)即插即用，都將各個(gè)局域網(wǎng)與總線相連，根據(jù)汽車的平臺(tái)選擇并建立所需要的網(wǎng)絡(luò)。典型的車用網(wǎng)絡(luò)如下圖所示：

車機(jī)系統(tǒng)使用更多的有8MHz等頻率，更不用說(shuō)到5G、和C-V2X技術(shù)使用更多的晶振產(chǎn)品啦，以前一臺(tái)傳統(tǒng)汽車所使用的晶振產(chǎn)品數(shù)量為30~40顆晶振產(chǎn)品，但隨著汽車產(chǎn)品的不斷發(fā)展，現(xiàn)在新能源智能汽車大概為100顆左右，估計(jì)隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的成熟性，后續(xù)單車用量可能達(dá)到130顆以上

汽車行業(yè)發(fā)展越來(lái)越快了，從傳統(tǒng)汽車到新能源汽車到智能汽車，汽車技術(shù)日新月異，汽車之間通信技術(shù)你了解多少呢?而汽車通信技術(shù)與晶振產(chǎn)品技術(shù)又有什么關(guān)系呢?下面介紹汽車通信與晶振產(chǎn)品更深層次的關(guān)系。

CAN

CAN(Controller Area Network)全稱為“控制器局域網(wǎng)”，是1983年德國(guó)BOSCH公司研發(fā)的一種共享式雙線串行通信總線，最高傳輸速率為1MBit/s，具有非破壞性仲裁，分布式實(shí)時(shí)控制，可靠的錯(cuò)誤處理和檢測(cè)機(jī)制等特性。并且ISO標(biāo)準(zhǔn)化組織將CAN通信進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，因此，目前CAN網(wǎng)絡(luò)是車載通信的主干網(wǎng)。CAN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)是成本低，可靠性高，可以用于汽車動(dòng)力系統(tǒng)、底盤和車身電子領(lǐng)域。不足之處是CAN總線屬于共享式總線，通信速率相對(duì)較低，不能滿足汽車總線帶寬日益增加的需求。

CAN FD

CAN FD(CAN with Flexible Data-Rate)是BOSCH公司2011年發(fā)布的CAN替代總線，在繼承了CAN總線的絕大多數(shù)特性的同時(shí)，彌補(bǔ)了CAN總線在帶寬和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的不足，將數(shù)據(jù)位最大的字節(jié)數(shù)提高至64字節(jié)，最高通訊速率可達(dá)8MBit/s甚至更高，顯著提高了通信速率，降低總線負(fù)載。CAN FD可以兼容傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)，因此，目前車內(nèi)的控制網(wǎng)絡(luò)正逐步的由CAN網(wǎng)絡(luò)向CAN FD網(wǎng)絡(luò)遷徙。

LIN

LIN(Local Interconnect Network)通信技術(shù)于2001年運(yùn)用于汽車工業(yè)，作為CAN網(wǎng)絡(luò)的一種補(bǔ)充，屬于一種低成本的串行總線技術(shù)，LIN總線網(wǎng)絡(luò)采用單主多從的模式架構(gòu)，使用單信號(hào)線進(jìn)行傳輸，主、從節(jié)點(diǎn)間的通信有具體的規(guī)則，只有主節(jié)點(diǎn)需要，從節(jié)點(diǎn)才能發(fā)送信息，不需要總線仲裁。LIN總線最主要的優(yōu)勢(shì)在于相比CAN總線更為低廉的成本，帶寬僅有不到20Kbps，多應(yīng)用于帶寬要求不高的系統(tǒng)，如大燈、門鎖、電動(dòng)座椅、燈光等上面。

Flex Ray

Flex Ray于2005年應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，是繼CAN和LIN之后的新一代汽車控制總線技術(shù)，屬于共享式總線技術(shù)，帶寬可達(dá)10Mbps，是一種具備時(shí)間可確定性的、分布式時(shí)鐘同步的、故障容錯(cuò)的總線標(biāo)準(zhǔn)。Flex Ray的主要優(yōu)勢(shì)在于相比CAN總線具有較高的帶寬，可以滿足汽車關(guān)鍵應(yīng)用的要求，但是同樣作為共享式總線技術(shù)，其成本卻很高，僅適用于豪華車中的線控系統(tǒng)(如懸掛控制、換擋控制、剎車控制、轉(zhuǎn)向控制等)。

MOST

MOST(Media Oriented Systems Transport)是由德國(guó)MOST合作組于2001年制定的一個(gè)針對(duì)汽車領(lǐng)域的多媒體應(yīng)用通信標(biāo)準(zhǔn)，以解決傳統(tǒng)總線不適用于汽車娛樂(lè)信息傳輸?shù)牟蛔?。由于MOST通信物理層使用的是光纖傳輸，采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其線束質(zhì)量輕、抗干擾性強(qiáng)、帶寬高、信號(hào)衰減少，而最新的MOST-150標(biāo)準(zhǔn)速率可達(dá)150MBit/s，可同時(shí)傳輸音像流數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)等。目前，MOST的帶寬性能能夠滿足汽車的需求，但是它的擴(kuò)展性差，技術(shù)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，專利技術(shù)成本昂貴，難以得到普及，也僅僅應(yīng)用于中高端車中。

LVDS

LVDS(Low Voltage Differential Signaling)低壓差分信號(hào)，雖然不是專門為汽車領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，但是它相比于MOST技術(shù)有著更低的成本，且最高帶寬可達(dá)655MBit/s，受到眾多普通廠商的青睞，被視為MOST技術(shù)的替代產(chǎn)品。但是LVDS技術(shù)也有比較嚴(yán)重的缺陷，為了滿足汽車嚴(yán)格的電磁兼容(EMC)、電磁干擾(EMI)等要求，它的傳輸線纜增加了較厚的傳輸屏蔽層，增加了車重，并且在傳輸協(xié)議上，LVDS屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的圖像傳輸技術(shù)，每個(gè)接口只能有一個(gè)攝像頭或者一個(gè)視頻輸出口，嚴(yán)重限制了擴(kuò)展功能。

TTP/C

TTP/C 是一種基于時(shí)分多址方式(TDMA)的時(shí)間觸發(fā)通信協(xié)議，主要用于安全關(guān)鍵領(lǐng)域，例如航空電子設(shè)備或汽車領(lǐng)域 X-by-Wire 應(yīng)用，最高傳輸速度為10 Mb/s，TTP/C 專為滿足最高安全要求而開(kāi)發(fā)因此不兼容事件觸發(fā)系統(tǒng).TTP/C協(xié)議具有嚴(yán)格的時(shí)間確定性和完備的容錯(cuò)策略，十分適合作為航空、汽車、鐵路等安全關(guān)鍵領(lǐng)域的通用底層解決方案。

以太網(wǎng)(Ethernet)

以太網(wǎng)，準(zhǔn)確的說(shuō)是車載以太網(wǎng)，是一種用以太網(wǎng)連接車內(nèi)電子單元的新型局域網(wǎng)技術(shù)，與傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用4層非屏蔽雙絞線電纜不同，車載以太網(wǎng)在單對(duì)非屏蔽雙絞線上可實(shí)現(xiàn)100Mbit/s，甚至1Gbit/s的傳輸速率，同時(shí)還滿足汽車行業(yè)對(duì)高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實(shí)時(shí)性等方面的要求。車載以太網(wǎng)同時(shí)支持AVB、TCP/IP、DOIP、SOME/IP等多種協(xié)議或應(yīng)用形式。

AVB

AVB(Ethernet Audio Video Bridging)-以太網(wǎng)音視頻橋接技術(shù)，AVB是對(duì)傳統(tǒng)以太網(wǎng)功能的擴(kuò)展，通過(guò)增加精確時(shí)鐘同步、帶寬預(yù)留等協(xié)議增強(qiáng)傳統(tǒng)以太網(wǎng)音視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，是極具發(fā)展?jié)摿Φ木W(wǎng)絡(luò)音視頻實(shí)時(shí)傳輸技術(shù);SOME/IP則規(guī)定了車載攝像頭應(yīng)用的視頻通信接口要求，可應(yīng)用于車載攝像頭領(lǐng)域，并通過(guò)API實(shí)現(xiàn)駕駛輔助攝像頭的模式控制。