本文詳細比較了現(xiàn)有幾類主流汽車總線系統(tǒng)的特點。這些比較將有助于界定下一代高安全性、高容錯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有50個以上的ECU。為了使這些ECU能夠在一個共同的環(huán)境下協(xié)調(diào)工作，也為了進一步降低成本，人們設(shè)計了針對汽車通信網(wǎng)絡(luò)的總線協(xié)議。
一般來說，汽車通信網(wǎng)絡(luò)可以劃分為四個不同的領(lǐng)域，每個領(lǐng)域都有其獨特的要求?，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，有時會是無線傳輸，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性、高可靠性和高實時性。可以考慮的協(xié)議有TTCAN、FlexRay、TTP等；
車身控制系統(tǒng)：在這個領(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)的車身控制和傳動裝置控制；
低端控制系統(tǒng)：此系統(tǒng)包括那些僅需要簡單串行通信的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的分布實時系統(tǒng)。CAN是一個多主機系統(tǒng)，所以它設(shè)計了高效率的仲裁機制來解決傳輸沖突問題，具有高優(yōu)先級的系統(tǒng)總能優(yōu)先得到總線的使用權(quán)。CAN還同時使用了其它一些防錯手段，能夠判斷出錯的節(jié)點并及時關(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)計到軟件開發(fā)和測試驗證的完整產(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)計的低成本解決方案。LIN是一個公開的協(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。LIN是單一主機系統(tǒng)，不但降低了硬件成本，而且在軟件和系統(tǒng)設(shè)計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、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LIN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，物理層由光纖通信組件構(gòu)成，具有很好的抗干擾性，設(shè)計傳輸速率可達150Mbps（目前產(chǎn)品可達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，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MOST將會在汽車工業(yè)中進一步擴張勢力。
汽車線控系統(tǒng)，按照汽車工程師社團（SAE）的定義，需要一個安全等級為C的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。如果要實現(xiàn)一個完全的線控汽車，沒有傳統(tǒng)的機械或液壓系統(tǒng)作備份，不但要對傳統(tǒng)的機械和液壓單元作創(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、同步性和容錯性。
因此人們開始為線控汽車設(shè)計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間驅(qū)動的機制。在時間驅(qū)動的系統(tǒng)里，信息的發(fā)送由預(yù)先設(shè)立好的時間表確定，所有的節(jié)點都知道什莫時間該發(fā)送，什莫時間該收??；信息收發(fā)的不確定性僅僅是時間同步的誤差，而這個誤差通?？梢钥刂圃诜浅Ｐ〉姆秶鷥?nèi)。這一特點使時間驅(qū)動的通信網(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。它定義了一個時間周期，在此周期內(nèi)又有多個時間間隔，有些時間間隔專用于特定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（無需仲裁），其余間隔類似普通的CAN協(xié)議。其特點是保留了和傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)的兼容，同時又具有時間驅(qū)動的優(yōu)點。然而，TTCAN不能提供比CAN更高的傳輸速率，在容錯性方面也沒有明確的設(shè)計說明。
FlexRay協(xié)議將其時間周期分為靜態(tài)段和動態(tài)段兩個部分。靜態(tài)段采用TDMA方式傳輸時間驅(qū)動類型的數(shù)據(jù)，動態(tài)段采用Mini-Slot方式傳輸事件驅(qū)動類型的數(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，而其它的容錯機制并沒有直接在協(xié)議中明確說明，而交由應(yīng)用提供者自己設(shè)計。這種方法有很大的設(shè)計靈活性，然而會由此產(chǎn)生安全隱患以及兼容性問題。
TTP協(xié)議對所有的節(jié)點采用TDMA的網(wǎng)絡(luò)通道分配方式，即所有節(jié)點在一個周期內(nèi)都會傳輸數(shù)據(jù)至少一次。整個系統(tǒng)采用統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)，所有的節(jié)點都存有預(yù)先定義的時間表，一旦傳輸數(shù)據(jù)和時間表發(fā)生沖突則認為節(jié)點錯誤。只要一個節(jié)點有一次錯誤，那末該節(jié)點將退出通信網(wǎng)絡(luò)，確保網(wǎng)絡(luò)不受錯誤節(jié)點的干擾。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。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。因為汽車工業(yè)的規(guī)?；途€控器件的兼容性，雙標(biāo)準(zhǔn)并存的狀況一定會影響下一代線控汽車的發(fā)展。雖然有研究表明TTP節(jié)點會具有更低的制造和實現(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。希望這一討論能夠為正在蓬勃發(fā)展的中國汽車制造業(yè)以及汽車配件制造業(yè)提供一些借鑒。
