汽车网络的分类及发展趋向

作者:中国海洋大学 李爽 孙克怡

1 概述

自1980年起，众多国际汽车公司开始积力于汽车网络技术的研究及应用。汽车网络的使用解决了点对点式车身布线带来的问题，使车身布线（趋于）更规范化、标准化，降低了成本，增强了稳定性。迄今为止，已有Bosch的CAN、SAE的J1850、ISO的VAN、Philips的D2B和LIN协会的LIN等多种网络标准。为方便研究和设计使用，美国汽车工程师协会(SAE)根据速率的不同，将汽车网络划分为A、B、C三类，如表1所列。

综合考虑功能和位传输速率等因素，现有的汽车总线还包括多媒体信息系统总线、安全总线和诊断系统总线。

2 汽车网络标准的具体分类

2.1 A类网络标准

从目前的发展和使用情况来看，如表2所列，A类网的主要总线是TTP/A( Time Triggered Protocol/A)和LIN(Local Interconnect Network)。

① TTP/A协议初由维也纳工业大学制定，为时间触发类型的网络协议，主要应用于集成了智能变换器的实时现场总线。它具有标准的UART，能自动识别加入总线的主节点与从节点，节点在某段已知的时间内触发通信但不具备内部容错功能。

② LIN是在1999年由欧洲汽车制造商Audi、BMW、 DaimlerChrysler、 Volvo、 Volkswagen和VCT公司以及Motorola公司组成的LIN协会，共同推出的用于汽车分布式电控系统的开放式的低成本串行通信标准，从2003年开始使用。

LIN是一种基于UART的数据格式、主从结构的单线12 V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。从硬件、软件以及电磁兼容性方面来看，LIN保证了网络节点的互换性，极大地提高了开发速度，同时保证了网络的可靠性。

LIN协议应用开发的热点集中在美国、欧洲和日本。估计在未来10年，平均每辆车将有LIN节点20个左右。这样全世界每年将生产12亿个LIN节点。可见，LIN的应用存在着巨大的潜在市场，协议本身也会在不断应用中得到完善。

总之，LIN网络已经广泛地被世界上的大多数汽车公司以及零配件厂商所接受，有望成为事实上的A类网络标准。

2.2 B类网络标准

B类网络的使用情况如表3所列。从目前来看，主要应用的B类总线标准有三种：低速CAN、J1850和VAN。

① 1994年SAE正式将J1850作为B类网络标准协议。早，SAE J1850用在美国Ford、GM以及Chrysler公司的汽车中；现在，J1850协议作为诊断和数据共享被广泛应用在汽车产品中。但是，J1850并不是一个单一标准。Ford采用的J1850标准，其物理层与GM和Chrysler公司使用的不同；而GM和Chrysler公司在相同的物理层上又使用不同的数据帧格式，并且三个公司使用各自的消息协议。预计在2006年或2007年将停止使用，然后全部转至CAN总线。

② VAN标准是ISO于1994年6月推出的。它基于ISO115193，主要为法国汽车公司所用。但目前就动力与传动系统而言，甚至在法国也集中在CAN总线上。

③ CAN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问题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1 Mbps。1991年首次在奔驰S系列汽车中实现。同年，Bosch公司正式颁布了CAN技术规范，版本2 .0。该技术规范包括A和B两部分。1993年11月，ISO正式颁布了国际标准ISO11898，为CAN的标准化、规范化铺平了道路。此后，越来越多的北美和日本汽车公司也开始采用CAN网络。1994年，美国汽车工程师协会卡车和巴士控制与通信子协会选择CAN作为SAEJ1939标准的基础。低速CAN具有许多容错功能，一般用在车身电子控制中；而高速CAN则大多用在汽车底盘和发动机的电子控制中。

综上所述，CAN总线凭借其突出的可靠性、实时性和灵活性已从众多总线中突显出来，成为世界接受的B类总线的主流协议。

2.3 C类网络标准

C类标准主要用于与汽车安全相关及实时性要求比较高的地方，如动力系统，所以其传输速率比较高，通常在125 kbps～1 Mbps之间，必须支持实时的周期性参数传输。表4为C类网络的使用情况。

目前，C类网络中的主要协议包括高速CAN(ISO118982)、正在发展中的TTP/C和FlexRay等协议。

① TTP/C协议由维也纳工业大学研发，基于TDMA的访问方式。TTP/C是一个应用于分布式实时控制系统的完整的通信协议。它能够支持多种容错策略,提供容错的时间同步以及广泛的错误检测机制,同时还提供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25 Mbps。TTP/ C支持时间和事件触发的数据传输。TTP管理组织TTAGroup成员包括奥迪、SA、Renault、NEC、TTChip、Delphi等。

② FlexRay是BMW、Daimler Chrysler、Motorola和Philips等公司制定的功能强大的通信网络协议。它是基于FTDMA的确定性访问方式，具有容错功能及确定的通信消息传输时间，同时支持事件触发与时间触发通信，具备高速率通信能力。FlexRay采用冗余备份的办法，对高速设备可以采用点对点方式与FlexRay总线控制器连接，构成星型结构，对低速网络可以采用类似CAN总线的方式连接。

③ 欧洲的汽车制造商基本上采用高速CAN总线标准ISO11898。总线传输速率通常在125 kbps~1 Mbps之间。据Strategy Analytics公司统计，2001年用在汽车上的CAN节点数目超过1亿个。然而，作为一种事件驱动型总线，CAN无法为下一代线控系统提供所需的容错功能或带宽，因为X-by-Wire系统实时性和可靠性要求都很高，必须采用时间触发的通信协议，如TTP/ C或FlexRay等。

就目前来说，CAN协议仍为C类网络协议的主流，但随着下一代汽车中引进X-by-Wire系统，TTP/C和FlexRay将显示出优势。它们之间的竞争还要持续一段时间，在未来的线控系统中，到底哪一种标准更具有生命力尚难定论。

2.4 诊断系统总线标准

故障诊断是现代汽车必不可少的一项功能。使用诊断系统的目的主要是为满足OBDII (On Board Diagnose)、 OBDIII或EOBD(EuropeanOn Board Diagnose)标准。

OBDII（On Board Diagnose）第2代随车电脑诊断系统，由美国汽车工程学会1994年提出。1994年以来，美、日、欧一些主要汽车生产厂为了维修方便逐渐使用OBDII随车诊断系统。这一系统集故障自诊断系统软硬件结构、故障代码、通信方式系统、自检测试模式为一体，具有监视发动机微机和排放系统部件的能力。

2004年，美国GM、Ford、DC三大汽车公司对乘用车采用基于CAN的J2480诊断系统通信标准。在欧洲，以往诊断系统中使用的是ISO9141。它是一种基于UART的通信标准。从2000年开始，欧洲汽车厂商就已经开始使用一种基于CAN总线的诊断系统通信标准ISO15765。 ISO15765是遵照ISO142303及ISO150315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。表5为诊断系统协议标准的使用情况。

目前，除了CAN网络，LIN协议也已经成为汽车诊断的总线标准。

2.5 多媒体信息系统总线标准

汽车信息娱乐和远程信息设备，特别是汽车导航系统，需要功能强大的操作系统和连接能力。目前主要应用的几种总线协议如表6所列。

① MOST网络是由德国Oasis Silicon System公司开发的。MOST技术针对塑料光纤媒体而优化，采用环形拓扑结构，在器件层提供高度可靠性和可扩展性。它可以传送同步数据（音频信号、视频信号等流动型数据）、非同步数据（访问网络及访问数据库等的数据包）和控制数据（控制报文及控制整个网络的数据）。MOST得到包括BMW、Daimler Chrysler、Harman／Becker和Oasis公司的支持，已应用在多款车型上，如BMW7系列、Audi A8、Mercedes E系列等。

② IDBC和IDB1394总线以及标准接口由IDB论坛负责管理。IDBC基于CAN总线，目前已成为SAE的标准，即SAE2366；而IDB1394则针对高速多媒体应用而设计。IDB1394网络采用光纤技术，允许1394兼容的便携式消费电子设备能够连接到汽车内网络并实现互操作。例如，Zayante公司就为消费者市场提供1394物理层设备。近与Ford公司联合进行的一项演示包括数码视频相机和Sony Play Station TM2游戏机，以及2种视频显示器和一种DVD播放机的即插即用。与MOST相比，IDB1394则限度地利用民用设备市场，通过将现有的部件应用到车载设备上，解决了成本问题。

③ D2B是针对多媒体数据通信的一种网络协议，可集成数字音频、视频和其他高数据速率同步或异步信号，主要使用Smart WireTM非屏蔽双绞线对或单光纤。这种通信网络由英国C&CElectronics公司推动，并得到Jaguar和MercedesBenz公司的支持。D2B旨在保持后向兼容的情况下与新技术一起演进。D2B基于一种开放式架构，仅使用一条聚合物光纤来处理车内多媒体数据和控制信息，简化了扩展，当在光纤环中增加一种新设备或功能时并不需要改变连接线缆。

④ 蓝牙无线技术是一种用于移动设备和WAN／LAN接入点的低成本、低功耗的短距离射频技术。蓝牙标准描述了手机、计算机和PDA如何方便地实现彼此之间的互连，以及与家庭和商业电话和计算机设备的互连。蓝牙特殊兴趣组的成员包括AMIC、BMW、Daimler Chrysler、 Ford、 GM、 Toyota和Volkswagen。作为蓝牙在汽车中应用的一个例子，Johnson Controls公司的免提手机系统“Blue Connect”，允许司机在双手扶住方向盘的情况下，通过支持蓝牙功能的手机保持联系。

⑤ ZigBee TM无线网络在汽车上应用的解决方案是针对蓝牙技术受车内电磁噪声影响的问题而提出的。ZigBee可以工作在低于1 GHz与2.45 GHz的频带范围，传输速率为250 kbps，主要应用范围包括工业控制、家庭自动化、消费类应用以及潜在的汽车应用。日前，ZigBee联盟发布了首批成功完成互操作性测试的四款平台。这些平台将用来测试未来数月内推出的ZigBee产品，为ZigBee在各领域的实际应用铺平道路。

2.6 安全总线和标准

安全总线主要用于安全气囊系统，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SafetyBus和BMW公司的Byteflight。

Byteflight协议是由BMW、Motorola、 Elmos、 Infineon等公司共同开发的，试图用于安全保障系统。此协议基于灵活的时分多路TDMA协议、以10 Mbps的速率传送数据，光纤可长达43 m。其结构能保证以一段固定的等待时间专门用于来自安全元件的高优先级信息，而允许低优先级信息使用其余的时段。这种决定性的措施对安全是至关重要的。

Byteflight不仅可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公司在其2001年9月推出的BMW 7系列车型中，采用了一套名为ISIS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，发挥的保护效果。

3 汽车网络的发展趋向

X-by-Wire，即线控操作，是未来汽车的发展方向。该技术来源于飞机制造，基本思想就是用电子控制系统代替机械控制系统，减轻重量，提高可靠性，如Steer-by-Wire, Brake-by-Wire等。由于整个设计思想涉及动力、制动、方向控制等关键功能，对汽车网络也就提出了不同要求。在未来的5～10年里，X-by-Wire技术将使传统的汽车机械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，目前存在相互竞争的几种网络技术，包括前文提到的TTP、Byteflight和FlexRay以及TTCAN(时间触发的CAN)。

至于哪一种总线网络会成为今后的标准，目前还尚难定论，但长远来看,车载网络还远没有达到成熟阶段。信息与电子技术发展很快,车辆上的应用又有比较大的滞后,所以车上信息与电子技术的应用还有很大的发展空间。它们将对车上通信与控制网络提出一些新的需求,同时为新的车上网络技术提供技术支持。