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20 世紀(jì) 80 年代后， MCU 和 MPU 開始在汽車中被廣泛使用，汽車電子化進(jìn)程開始逐年加快。近幾年，智能化和網(wǎng)聯(lián)化在汽車行業(yè)興起，汽車電子化程度更上一層樓。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前汽車的創(chuàng)新 70%來源于汽車電子產(chǎn)品，電子產(chǎn)品成本占整車比例已經(jīng)從上世紀(jì) 70 年代的 4%，成長到現(xiàn)在的 30%左右。未來仍將進(jìn)一步提升，預(yù)期到 2030 年，該比例將可達(dá)到 50%。在電子零部件越來越多，信息傳輸量越來越大的需求促動下，汽車網(wǎng)絡(luò)化勢頭已經(jīng)不可擋。因此，傳統(tǒng)的電氣網(wǎng)絡(luò)已無法適應(yīng)現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)的發(fā)展，新型汽車總線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
圖|汽車總線
目前汽車上普遍采用的汽車總線有局部互聯(lián)協(xié)議 LIN 和控制器局域網(wǎng) CAN，正在發(fā)展中的汽車總線技術(shù)還有高速容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 FlexRay、用于汽車多媒體和導(dǎo)航的 MOST 以及與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)兼容的藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
在這里，與非網(wǎng)編輯主要講解一下傳統(tǒng)三大總線 CAN、LIN、FlexRay 和汽車總線“新貴”以太網(wǎng)，看一下每一個(gè)汽車總線的特點(diǎn)、優(yōu)勢和未來發(fā)展趨勢。
CAN 總線
CAN-BUS 即 CAN 總線技術(shù)，全稱為“控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)（Controller Area Network-BUS）”。Can-Bus 總線技術(shù)最早被用于飛機(jī)、坦克等武器電子系統(tǒng)的通訊聯(lián)絡(luò)上。將這種技術(shù)用于民用汽車最早起源于歐洲，在汽車上這種總線網(wǎng)絡(luò)用于車上各種傳感器數(shù)據(jù)的傳遞。
圖|CAN 總線
汽車上面布滿了各種控制單元，越是高級的汽車，其控制單元越多，控制系統(tǒng)越復(fù)雜。每個(gè)控制單元都可看做一臺獨(dú)立的電腦，它可以接受信息，同時(shí)能對各種信息進(jìn)行處理、分析，然后發(fā)出一個(gè)指令。比如發(fā)動機(jī)控制單元會接受來自進(jìn)氣壓力傳感器、發(fā)動機(jī)溫度傳感器、油門踏板位置傳感器、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器等等的信息，在經(jīng)過分析和處理后會發(fā)送相應(yīng)的指令來控制噴油嘴的噴油量、點(diǎn)火提前角等等，其它控制單元的工作原理也都類似。在這里可以給大家做一個(gè)比喻，車上的各種控制單元就好比一家公司各個(gè)部門的經(jīng)理，每個(gè)部門的經(jīng)理接受來自自己部門員工的工作匯報(bào)，經(jīng)過分析作出決策，并命令該部門的員工去執(zhí)行。
部分汽車的控制單元之間的所有信息都通過兩根數(shù)據(jù)線進(jìn)行交換，這種數(shù)據(jù)線也叫 CAN 數(shù)據(jù)總線。通過該種方式，所有的信息，不管信息容量的大小，都可以通過這兩條數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳遞，這種方式充分的提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
圖|CAN-BUS
總線系統(tǒng)之所以稱作為 CAN-BUS，其實(shí)也是因?yàn)樗墓ぷ髟砼c運(yùn)行中的公共汽車很類似。每個(gè)站點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)控制單元，而行駛路線則是 CAN 數(shù)據(jù)總線，CAN 數(shù)據(jù)總線上傳遞的是數(shù)據(jù)，而公共汽車上承載的是乘客。某個(gè)控制單元接收到負(fù)責(zé)向它發(fā)送數(shù)據(jù)的傳感器的信息后，經(jīng)過分析處理會采取相應(yīng)措施，并將此信息發(fā)送到總線系統(tǒng)上。這樣此信息會在總線系統(tǒng)上進(jìn)行傳遞，每個(gè)與總線系統(tǒng)連接的控制單元都會接收到此信息，如果此信息對自己有用則會存儲下來，如果對其無用，則會進(jìn)行忽略。
目前汽車上的 CAN 數(shù)據(jù)總線連接方式主要有兩種，一種是用于驅(qū)動系統(tǒng)的高速 CAN 總線，速率可達(dá)到 500kb/s，另一種是用于車身系統(tǒng)的低速 CAN 總線，速率為 100kb/s。當(dāng)然對于中高級轎車還有一些如娛樂系統(tǒng)或智能通訊系統(tǒng)的總線，它們的傳輸速率更高，可以超過 1Mb/s。
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接下來，我們看一下 CAN 總線有哪些優(yōu)勢：
·比傳統(tǒng)的布線方式的數(shù)據(jù)傳輸速度更高。
·比傳統(tǒng)布線方式要節(jié)省線束，降低了車身重量，同時(shí)優(yōu)化了車身的布線方式。
·以 CAN 總線方式連接的控制單元中有一個(gè)發(fā)生故障，其它控制單元仍可發(fā)送各自的數(shù)據(jù)，互不影響。
·CAN 數(shù)據(jù)總線為雙線制，如果有一條發(fā)生故障，CAN 系統(tǒng)會轉(zhuǎn)為單線運(yùn)行模式，提高了整車的穩(wěn)定性。
·CAN 系統(tǒng)的雙線在實(shí)際中是像“麻花”一樣纏繞在一起的，這樣可以有效的防止電磁波的干擾和向外輻射。
·基于 CAN 總線系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更豐富的車身功能。
CAN 總線是當(dāng)前汽車總線應(yīng)用最廣的一種，但是由于自身安全性等原因，人們已經(jīng)開始為 CAN 總線尋求合格的替代者， FlexRay、以太網(wǎng)是這個(gè)過程中呼聲較高的。
LIN 總線
LIN 總線是針對汽車分布式電子系統(tǒng)而定義的一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，是對控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)等其它汽車多路網(wǎng)絡(luò)的一種補(bǔ)充，適用于對網(wǎng)絡(luò)的帶寬、性能或容錯(cuò)功能沒有過高要求的應(yīng)用。LIN 總線是基于 SCI(UART)數(shù)據(jù)格式，采用單主控制器 / 多從設(shè)備的模式，是 UART 中的一種特殊情況。
圖|車載網(wǎng)絡(luò)示意圖
LIN 總線是面向汽車低端分布式應(yīng)用的低成本，低速串行通信總線。它的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)提供輔助功能，在不需要 CAN 總線的帶寬和多功能的場合使用，降低成本。
LIN 聯(lián)盟成立于 1999 年，并發(fā)布了 LIN01.0 版本。最初的成員有奧迪、寶馬、克萊斯勒、摩托羅拉、博世、大眾和沃爾沃等。
LIN 總線相對于 CAN 的成本節(jié)省主要是由于采用單線傳輸、硅片中硬件或軟件的低實(shí)現(xiàn)成本和無需在從屬節(jié)點(diǎn)中使用石英或陶瓷諧振器。這些優(yōu)點(diǎn)是以較低的帶寬和受局限的單宿主總線訪問方法為代價(jià)的。
圖|汽車總線示意圖
LIN 總線上的所有通訊都由主機(jī)節(jié)點(diǎn)中的主機(jī)任務(wù)發(fā)起，主機(jī)任務(wù)根據(jù)進(jìn)度表來確定當(dāng)前的通訊內(nèi)容，發(fā)送相應(yīng)的幀頭，并為報(bào)文幀分配幀通道。總線上的從機(jī)節(jié)點(diǎn)接收幀頭之后，通過解讀標(biāo)識符來確定自己是否應(yīng)該對當(dāng)前通訊做出響應(yīng)、做出何種響應(yīng)?；谶@種報(bào)文濾波方式，LIN 可實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)傳輸模式，且一個(gè)報(bào)文幀可以同時(shí)被多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收利用。
LIN 總線是 CAN 總線的副手。未來，或許將隨著 CAN 總線一起退出歷史的舞臺。
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FlexRay
FlexRay 是一種用于汽車的高速、可確定性的，具備故障容錯(cuò)能力的總線技術(shù)，它將事件觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)兩種方式相結(jié)合，具有高效的網(wǎng)絡(luò)利用率和系統(tǒng)靈活性特點(diǎn)，可以作為新一代汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)絡(luò)。FlexRay 是汽車工業(yè)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)(facto standard)。
圖|FlexRay
Flexray 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣，既可以像 CAN 總線一樣使用線型結(jié)構(gòu)，也可以使用星型結(jié)構(gòu)。中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)信息。當(dāng)除中心節(jié)點(diǎn)外的某個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞或線路故障時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)可以斷開與該節(jié)點(diǎn)的通信。但當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)損壞時(shí)，整個(gè)總線便無法工作?？梢詫⒍鄠€(gè)星型總線的中心節(jié)點(diǎn)連接起來。
Flexray 和 CAN 總線最本質(zhì)的區(qū)別是總線分配的方式不同。CAN 總線是采用 CSMA/CA 機(jī)制。各節(jié)點(diǎn)會一直監(jiān)聽總線，發(fā)現(xiàn)總線空閑時(shí)便開始發(fā)送數(shù)據(jù)。Flexray 用的是 TDMA(Time Division Multiple Access) 和 FTDMA(Flexible Time Division Multiple Access)兩種方法。Flexray 將一個(gè)通信周期分為靜態(tài)部分、動態(tài)部分、網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間。靜態(tài)部分使用 TDMA 方法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會均勻分配時(shí)間片，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有在屬于自己的時(shí)間片里面才能發(fā)送消息，即使某個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前無消息可發(fā)，該時(shí)間片依然會保留（也就造成了一定的總線資源浪費(fèi)）。在動態(tài)部分使用 FTDMA 方法，會輪流問詢每個(gè)節(jié)點(diǎn)有沒有消息要發(fā)，有就發(fā)，沒有就跳過。靜態(tài)部分用于發(fā)送需要經(jīng)常性發(fā)送的重要性高的數(shù)據(jù)，動態(tài)部分用于發(fā)送使用頻率不確定、相對不重要的數(shù)據(jù)。
圖|FlexRay
Flexray 相比較于 CAN 總線要復(fù)雜許多，安全性相對較高。但是，F(xiàn)lexray 總線也有其弊端，就是造價(jià)成本過高，除了德系車廠在量產(chǎn)車上使用過，其他國家極少見。隨著汽車電子化程度的增加，對總線帶寬的要求也越來越高。用 Flexray 來取代原來普遍使用的 CAN 總線是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)槌杀緦?shí)在太高。
以太網(wǎng)
新的汽車功能，如自動泊車系統(tǒng)、車道偏離檢測系統(tǒng)、盲點(diǎn)檢測和高級信息娛樂系統(tǒng)等引發(fā)了對新的數(shù)據(jù)總線需求。顯然，未來我們需要的是更加開放、高速，且易于與其他電子系統(tǒng)或者設(shè)備集成的車載網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)有助于減少功耗，線束重量和部署成本。
圖|多功能汽車系統(tǒng)示意圖
傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)支持的通信協(xié)議較為單一，而車載以太網(wǎng)可以同時(shí)支持 AVB、TCP／IP、DOIP、SONIP 等多種協(xié)議或應(yīng)用形式。其中，Ethernet AVB 是對傳統(tǒng)以太網(wǎng)功能的擴(kuò)展，通過增加精確時(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（Scalable Service－Oriented MiddlewarE on 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 API 實(shí)現(xiàn)駕駛輔助攝像頭的模式控制。
作為 AVB 協(xié)議的擴(kuò)展，車載時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN， ?Time－Sensitive Networking）則引入時(shí)間觸發(fā)式以太網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)，能高效的實(shí)現(xiàn)汽車控制類信息的傳輸。此外，1Gbit 速率通信標(biāo)準(zhǔn)的車載以太網(wǎng)同時(shí)還支持 POE（Power Over Ethernet）功能和高效節(jié)能以太網(wǎng)（EEE， Energy－Efficient Ethernet）功能，POE 功能可在雙絞線傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)為連接的終端設(shè)備供電，省去了終端外接電源線，降低了供電的復(fù)雜度。
圖|車用以太網(wǎng)
當(dāng)前，以太網(wǎng)和 CAN 的連接通過以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)。以太網(wǎng)目前還不是用來取代 CAN 的，主要還是應(yīng)用在非 CAN 的部分。車載以太網(wǎng)不僅具備了適應(yīng) ADAS、影音娛樂、汽車網(wǎng)聯(lián)化等所需要的帶寬，而且還具備了支持未來更高性能的潛力（如自動駕駛時(shí)代所需要的更大數(shù)據(jù)傳輸）。它將成為實(shí)現(xiàn)多層面高速通信的基石，相對于 20 世紀(jì) 90 年代的控制器局域網(wǎng)（CAN）革命，它的規(guī)模將更大，意義將更深遠(yuǎn)。專家預(yù)測，到 2020 年，汽車中部署的以太網(wǎng)端口將達(dá) 5 億個(gè)。
研究人員表示：“CAN 通過變頻變換來控制，這比以太網(wǎng)好，因此在一段時(shí)間內(nèi)都不會被以太網(wǎng)取代。但是到 2021 年以后，隨著 ESN 這個(gè)新以太網(wǎng)協(xié)議推出，估計(jì)汽車會陸續(xù)去掉 CAN 總線，而僅有以太網(wǎng)通信。”
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