汽車(chē)總線(xiàn)協(xié)議的形勢判斷
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汽車(chē)總線(xiàn)協(xié)議
隨著(zhù)汽車(chē)功能的不斷增加、可靠性要求的不斷提高以及價(jià)格的不斷下降，越來(lái)越多的電子控制單元（ECU）將被引入到汽車(chē)中。目前，在高端汽車(chē)中一般會(huì )有50個(gè)以上的ECU。為了使這些ECU能夠在一個(gè)共同的環(huán)境下協(xié)調工作，也為了進(jìn)一步降低成本，人們設計了針對汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )的總線(xiàn)協(xié)議。
一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )可以劃分為四個(gè)不同的領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都有其獨特的要求?，F有的主流汽車(chē)總線(xiàn)協(xié)議都無(wú)法適應所有的要求：
信息娛樂(lè )系統：此領(lǐng)域的通信要求高速率和高帶寬，有時(shí)會(huì )是無(wú)線(xiàn)傳輸，目前主流應用協(xié)議有MOST，正在推出的還有IDB-1394等；
高安全的線(xiàn)控系統（X-By-Wire）：由于此領(lǐng)域涉及安全性很高的剎車(chē)和導向系統，所以它的通信要求高容錯性、高可靠性和高實(shí)時(shí)性?？梢钥紤]的協(xié)議有TTCAN、FlexRay、TTP等；
車(chē)身控制系統：在這個(gè)領(lǐng)域CAN協(xié)議已經(jīng)有了二十多年的應用積累，其中包括傳統的車(chē)身控制和傳動(dòng)裝置控制；
低端控制系統：此系統包括那些僅需要簡(jiǎn)單串行通信的ECU，比如控制后視鏡和車(chē)門(mén)的智能傳感器以及激勵器等，這應該是LIN總線(xiàn)最適合的應用領(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準的汽車(chē)總線(xiàn)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(shí)時(shí)系統。CAN是一個(gè)多主機系統，所以它設計了高效率的仲裁機制來(lái)解決傳輸沖突問(wèn)題，具有高優(yōu)先級的系統總能優(yōu)先得到總線(xiàn)的使用權。CAN還同時(shí)使用了其它一些防錯手段，能夠判斷出錯的節點(diǎn)并及時(shí)關(guān)閉之，這樣就在很大程度上保證了總線(xiàn)的可靠性。CAN的傳輸速率和總線(xiàn)長(cháng)度相關(guān)，最高可以到1Mbps，一般車(chē)內使用的速率是500Kbps到200Kbps。
CAN多年來(lái)作為車(chē)身控制的主干網(wǎng)已經(jīng)形成了從IC設計到軟件開(kāi)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(chē)主干網(wǎng)行業(yè)標準確立之前一直充當這一角色。
在車(chē)內，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）就是為適應這類(lèi)應用而設計的低成本解決方案。LIN是一個(gè)公開(kāi)的協(xié)議，它基于SCI（UART）串行通信的格式，結合了汽車(chē)應用的特點(diǎn)。LIN是單一主機系統，不但降低了硬件成本，而且在軟件和系統設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(shí)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(chē)內低端控制器領(lǐng)域取得領(lǐng)先地位。典型的LIN應用有車(chē)門(mén)、后視鏡、導向輪、馬達、照明以及其它智能傳感器。LIN不但定義了物理層和數據層，還定義了相關(guān)的應用軟件層。這些都為L(cháng)IN方案提供商解決了設備兼容的問(wèn)題，很有利于汽車(chē)工業(yè)的規模生產(chǎn)。相信LIN協(xié)議會(huì )是汽車(chē)低端控制網(wǎng)絡(luò )的未來(lái)標準。
車(chē)內除了嵌入式控制系統以外，還有諸如媒體播放器、導航系統、無(wú)線(xiàn)通信系統以及其他多種信息娛樂(lè )設備，這些設備之間的互連需要更高速的通信協(xié)議。媒體導向系統傳輸協(xié)議（MOST）是目前車(chē)載信息娛樂(lè )系統普遍接受的高速通信協(xié)議。MOST基于ISO/OSI七層網(wǎng)絡(luò )模型設計，物理層由光纖通信組件構成，具有很好的抗干擾性，設計傳輸速率可達150Mbps（目前產(chǎn)品可達25Mbps）。除了控制數據外，MOST數據可分為同步傳輸數據和異步傳輸數據，具有很大的靈活性??同步數據可直接用于音視頻設備，異步數據可用于傳輸其它數據塊，如導航地圖數據等，甚至也可用于支持TCP/IP數據包的傳輸。MOST還定義了應用層，包括MOST設備、功能塊、功能函數以及參數格式等等，這些協(xié)議可以確保各個(gè)廠(chǎng)家生產(chǎn)的設備具有MOST互聯(lián)性，也有利于車(chē)內信息娛樂(lè )設備的及時(shí)更新?lián)Q代。
IDB-1394是從IEEE 1394標準演化而來(lái)的另一種支持車(chē)內信息娛樂(lè )系統的高速通信協(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)有很多設備支持。這些都是IDB-1394的優(yōu)勢，然而由于MOST受到更多廠(chǎng)商的支持，包括一些軟件開(kāi)發(fā)商的支持，可以預計MOST將會(huì )在汽車(chē)工業(yè)中進(jìn)一步擴張勢力。
汽車(chē)線(xiàn)控系統，按照汽車(chē)工程師社團（SAE）的定義，需要一個(gè)安全等級為C的通信網(wǎng)絡(luò )架構。如果要實(shí)現一個(gè)完全的線(xiàn)控汽車(chē)，沒(méi)有傳統的機械或液壓系統作備份，不但要對傳統的機械和液壓?jiǎn)卧鲃?chuàng )新性的ECU替代，而且傳統的CAN總線(xiàn)系統也不再適用。CAN的本質(zhì)是一種事件驅動(dòng)的協(xié)議，在高安全性的系統中，CAN缺乏必要的決定性、同步性和容錯性。
因此人們開(kāi)始為線(xiàn)控汽車(chē)設計滿(mǎn)足安全性要求的新一代汽車(chē)主干通信網(wǎng)絡(luò )。TTCAN、FlexRay和TTP就是其中的主要代表，它們無(wú)一例外地都采用了時(shí)間驅動(dòng)的機制。在時(shí)間驅動(dòng)的系統里，信息的發(fā)送由預先設立好的時(shí)間表確定，所有的節點(diǎn)都知道什莫時(shí)間該發(fā)送，什莫時(shí)間該收??；信息收發(fā)的不確定性?xún)H僅是時(shí)間同步的誤差，而這個(gè)誤差通?？梢钥刂圃诜浅Ｐ〉姆秶鷥?。這一特點(diǎn)使時(shí)間驅動(dòng)的通信網(wǎng)絡(luò )成為線(xiàn)控汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )的必然選擇。
TTCAN由CAN發(fā)展而來(lái)，數據格式和CAN兼容。它定義了一個(gè)時(shí)間周期，在此周期內又有多個(gè)時(shí)間間隔，有些時(shí)間間隔專(zhuān)用于特定的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)（無(wú)需仲裁），其余間隔類(lèi)似普通的CAN協(xié)議。其特點(diǎn)是保留了和傳統CAN網(wǎng)絡(luò )的兼容，同時(shí)又具有時(shí)間驅動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。然而，TTCAN不能提供比CAN更高的傳輸速率，在容錯性方面也沒(méi)有明確的設計說(shuō)明。
FlexRay協(xié)議將其時(shí)間周期分為靜態(tài)段和動(dòng)態(tài)段兩個(gè)部分。靜態(tài)段采用TDMA方式傳輸時(shí)間驅動(dòng)類(lèi)型的數據，動(dòng)態(tài)段采用Mini-Slot方式傳輸事件驅動(dòng)類(lèi)型的數據。在安全性方面，FlexRay采用冗余通道的方式確保數據正確傳輸，而其它的容錯機制并沒(méi)有直接在協(xié)議中明確說(shuō)明，而交由應用提供者自己設計。這種方法有很大的設計靈活性，然而會(huì )由此產(chǎn)生安全隱患以及兼容性問(wèn)題。
TTP協(xié)議對所有的節點(diǎn)采用TDMA的網(wǎng)絡(luò )通道分配方式，即所有節點(diǎn)在一個(gè)周期內都會(huì )傳輸數據至少一次。整個(gè)系統采用統一的時(shí)間標準，所有的節點(diǎn)都存有預先定義的時(shí)間表，一旦傳輸數據和時(shí)間表發(fā)生沖突則認為節點(diǎn)錯誤。只要一個(gè)節點(diǎn)有一次錯誤，那末該節點(diǎn)將退出通信網(wǎng)絡(luò )，確保網(wǎng)絡(luò )不受錯誤節點(diǎn)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(méi)有可疑的節點(diǎn)。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。
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TTCAN、FlexRay和TTP三種協(xié)議在其它方面的比較 |
本文小結
本文通過(guò)討論汽車(chē)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(chē)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(chē)制造業(yè)以及汽車(chē)配件制造業(yè)提供一些借鑒。
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