汽車(chē)計算平臺新技術(shù)綜述

        引言

　　目前，世界上有多達十多種車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )標準，其中最主要的有：控制器局域網(wǎng)CAN-BUS（Controller Area Network），局部互聯(lián)協(xié)議LIN（Local Interconnect Protocol）；車(chē)輛多媒體網(wǎng)絡(luò )IDB1394 等，值得注意的是具有高速容錯功能的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議FlexRay，它的發(fā)展非常迅速。FlexRay 標準聯(lián)盟的出現，以及面向對象聯(lián)接的CANopen 標準的廣泛應用預示著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)向智能化邁出了重要一步。

　　國際上在汽車(chē)工業(yè)巨頭和電子信息技術(shù)公司的合力推動(dòng)之下國際標準化組織于1992 年基于CAN-BUS 發(fā)布了ISO11898 標準，為日后汽車(chē)計算平臺聯(lián)盟和相關(guān)標準的出現奠定了工業(yè)化基礎。CAN-Bus 經(jīng)過(guò)20 年的發(fā)展，目前在汽車(chē)動(dòng)力總成中已占據85%的市場(chǎng)份額。2008年全球主要汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)商生產(chǎn)歐III / 歐Ⅳ排放標準以上的汽車(chē)后，采用CAN-BUS 的汽車(chē)即將超過(guò)95%，基于CAN 和ISO11898 標準，美國SAE（汽車(chē)工程學(xué)會(huì )）在10 年前組織制定的SAE J1939 被認為是全球范圍內最開(kāi)放和最具響應力的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )標準之一，在歐III以上的商用車(chē)型中100%采用J1939 構造汽車(chē)計算平臺,主要用于發(fā)動(dòng)機、變速箱、燃料箱和儀表等傳動(dòng)系統的互聯(lián)。

　　在國際CAN 行業(yè)組織的CiA 的推動(dòng)下2002 年國際標準化組織ISO 又發(fā)布了簡(jiǎn)稱(chēng)為ISO BUS 的國際標準ISO11783，ISO BUS、J1939 和CANopen 均是基于CAN-BUS 的網(wǎng)絡(luò )標準，這些標準的相互連接構成了面向未來(lái)的復雜汽車(chē)系統的網(wǎng)絡(luò )計算平臺，特別是CANopen 對未來(lái)主導市場(chǎng)的環(huán)保汽車(chē)（混合動(dòng)力汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)）多功能汽車(chē)、工程機械及客車(chē)車(chē)身控制網(wǎng)絡(luò )起著(zhù)決定性的作用。2000 年起FlexRay 聯(lián)盟的成立，推動(dòng)著(zhù)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )計算平臺向車(chē)輛安全控制系統方面標準化的發(fā)展。

　　LIN 作為CAN 網(wǎng)絡(luò )的補充，是一種低成本的通訊標準，1998 年由國際上著(zhù)名的汽車(chē)廠(chǎng)商和電子廠(chǎng)商在德國組成了LIN BUS 聯(lián)盟組織，LIN BUS 主要用于車(chē)內燈光、后視鏡和座椅調節等非安全性部件的互聯(lián)。IDB1394 和MOST 總線(xiàn)則是目前為汽車(chē)多媒體網(wǎng)絡(luò )和消費類(lèi)電子產(chǎn)品的互聯(lián)建立的平臺型標準。

　　上述汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )平臺標準的制定均沒(méi)有中國企業(yè)的參與，這是我們汽車(chē)工業(yè)落后的主要原因。但特別應引起我們注意的是UWB 無(wú)線(xiàn)超寬帶技術(shù)的成熟應用將很有可能成為新一代汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )多媒體總線(xiàn)的國際性標準。由中國提出的“閃聯(lián)”標準于2006 年7 月1 日已正式被國際標準化組織ISO 接納。這為中國企業(yè)為主參與新的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )計算平臺國際標準的制定奠定了基礎。

　　一、汽車(chē)安全與FlexRay 計算平臺

　　從車(chē)輛工程角度上看，CAN 的速率、可靠性和成本指標在汽車(chē)的動(dòng)力系統總成中應用是最為適宜的。但對于安全等級需求更高的系統,如轉向控制和制動(dòng)系統及安全氣囊的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)問(wèn)題則應制定一個(gè)新的標準，這就是FlexRay。CAN 的成功應用及FlexRay 的標準開(kāi)發(fā)推動(dòng)了新的X-by-wire 車(chē)輛系統設計思想的完善，也導致了車(chē)輛系統對信息傳送速度尤其是對故障容錯與時(shí)間確定性的需求的不斷增加。FlexRay 通過(guò)在確定的時(shí)間槽中傳遞信息，以及在兩個(gè)通道上的故障容錯和冗余信息的傳送，滿(mǎn)足了這些新增加的要求。

　　FlexRay 作為下一代汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，提供了充足的帶寬、可靠性和實(shí)時(shí)響應能力，以實(shí)現線(xiàn)控應用，如安全氣囊、制動(dòng)、轉向和車(chē)輛穩定性控制系統。該標準已開(kāi)始被越來(lái)越多的汽車(chē)制造商采用。

　　FlexRay 是一種用于汽車(chē)的高速可確定性的，具備故障容錯的總線(xiàn)系統，它的基礎源于戴姆勒·克萊斯勒公司（奔馳公司）的典型應用以及BMW 公司（寶馬公司）byteflight 通信系統開(kāi)發(fā)的成功經(jīng)驗。Byteflight 是BMW 公司專(zhuān)門(mén)為被動(dòng)安全系統（氣囊）而開(kāi)發(fā)的，為了同時(shí)能夠滿(mǎn)足主動(dòng)安全系統的需要，在Byteflight 協(xié)議基礎之上，被FlexRay 協(xié)會(huì )進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成了一個(gè)與確定性和故障容錯有密切關(guān)系的，更可靠的高速汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )系統。今天，BMW，Daimler· Chrysler，General Motors，Ford，Volkswagen 和一些半導體公司如Bosch，Freescale，Philips 等組成了FlexRay 聯(lián)盟。2006 年應用FlexRay 技術(shù)的汽車(chē)將進(jìn)入市場(chǎng)。

　　1、FlexRay 的傳輸介質(zhì)和訪(fǎng)問(wèn)

　　FlexRay 符合TDMA（Time Division Multiple Access）的原則，部件和信息都被分配了確定的時(shí)間槽，在此期間它們可以唯 一的訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)。時(shí)間槽有固定的重復周期。信息在總線(xiàn)上的時(shí)間是完全可以預測出來(lái)的，因而對總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)是確定性的。

　　不過(guò)，通過(guò)為部件和信息分配時(shí)間槽的方法來(lái)固定的分配總線(xiàn)帶寬，其不利因素是導致總線(xiàn)的帶寬沒(méi)有被完全的利用。出于這個(gè)考慮，FlexRay 把周期分成了靜態(tài)段（Static Seg.）和動(dòng)態(tài)段（Dynamic Seg.），確定的時(shí)間槽適用于位于信息開(kāi)始的靜態(tài)段。在動(dòng)態(tài)段，時(shí)間槽是動(dòng)態(tài)分配的。每種情況下都只有一小段時(shí)間是允許唯一的總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)的（這段時(shí)間稱(chēng)為 “mini-slots”），如果在mini-slot 中出現了總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)，時(shí)間槽就會(huì )按照需要的時(shí)間來(lái)擴展。因此總線(xiàn)帶寬是動(dòng)態(tài)可變的。

圖1 FlexRay 的通信周期、幀的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)部分的結構示意

　　2、FlexRay 的數據速率和網(wǎng)絡(luò )拓撲

　　FlexRay 在物理上通過(guò)兩條分開(kāi)的總線(xiàn)通信，每一條的數據速率是10MBit/s。這兩條線(xiàn)主要是用于冗余和故障容錯的信息傳輸，但也可以傳遞不同的信息，后者的數據吞吐量是翻倍的。

　　FlexRay 也可以在2.5MBits/s 和5MBits / s 低數據率下工作，并且為 數據傳輸定義了主動(dòng)星型、被動(dòng)星型或是兩者混合的總線(xiàn)拓撲結構，因此FlexRay 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的連接是非常靈活的。

圖2 FlexRay 的主動(dòng)星型網(wǎng)絡(luò )拓撲示意

圖3 FlexRay 的星型、總線(xiàn)型混合網(wǎng)絡(luò )拓撲示意

　　3、FlexRay 節點(diǎn)的同步和協(xié)議幀結構

　　為了實(shí)現功能的同步和通過(guò)兩條信息間的短距離來(lái)優(yōu)化帶寬，該通信網(wǎng)絡(luò )中的分布組件都要有一個(gè)共同的時(shí)基（全局時(shí)間）。為了時(shí)鐘同步，同步信息是在周期的靜態(tài)段傳輸的。通過(guò)增添一個(gè)特殊的算法，部件的本地時(shí)鐘被修正為所有的本地時(shí)鐘與全局時(shí)鐘同步。

圖4 FlexRay 協(xié)議幀的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)部分的結構示意

　　4、FlexRay 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的結構

　　FlexRay 的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是由主處理器（Host）、FlexRay 通信控制器（Communication Controller）、可選的總線(xiàn)監控器（BG）和總線(xiàn)驅動(dòng)器（BD）組成的。主處理器提供和產(chǎn)生數據，并通過(guò)FlexRay 控制器傳送出去。

　　總線(xiàn)驅動(dòng)器連接著(zhù)通信控制器和總線(xiàn)，或是連接總線(xiàn)監控器和總線(xiàn)。主處理器把FlexRay控制器分配的時(shí)間槽通知給總線(xiàn)監視器，然后總線(xiàn)監視器就允許FlexRay 控制器在這些時(shí)間槽中來(lái)傳輸數據。數據可以在任何時(shí)候被接收。

                                                  圖5 FlexRay 的網(wǎng)絡(luò )結構

　　二、未來(lái)發(fā)展最快的技術(shù)是什么？

　　未來(lái)發(fā)展最快的技術(shù)是汽車(chē)電子與信息產(chǎn)業(yè)、智能交通相互融合發(fā)展而產(chǎn)生的新興技術(shù)。這些新技術(shù)主要用于解決與安全、環(huán)保有關(guān)的系統性問(wèn)題，如：轉向控制、制動(dòng)控制、安全氣囊、OBD 偵測及更廣義上的汽車(chē)故障診斷技術(shù)和遠程服務(wù)等。

        現代汽車(chē)的剎車(chē)和轉向系統其實(shí)同一百多年前汽車(chē)剛被發(fā)明時(shí)一樣，都借助于機械連接和液壓傳動(dòng)，使駕駛者的意圖傳遞到車(chē)輪和引擎。而未來(lái)將通過(guò)線(xiàn)控系統網(wǎng)絡(luò )將指令發(fā)送到剎車(chē)執行單元、轉向步進(jìn)馬達單元，并通過(guò)微處理器及電子執行裝置（FlexRay 節點(diǎn)）來(lái)進(jìn)行制動(dòng)和轉向控制。線(xiàn)控新技術(shù)還能簡(jiǎn)化某些功能的實(shí)現，如自適應巡航控制、自動(dòng)車(chē)道保持、防碰撞，并為汽車(chē)最終實(shí)現自動(dòng)駕駛打下基礎。而對安全性至關(guān)重要的部件，如轉向和制動(dòng)系統，安全氣囊網(wǎng)絡(luò )，電子穩定系統（ESP）等，必須能夠進(jìn)行更可靠的、無(wú)縫配合和自動(dòng)診斷。

       FlexRay 與CAN-BUS 構成的仿真單元和網(wǎng)絡(luò )計算平臺已可以方便的集成到汽車(chē)系統之中進(jìn)行混合驗證并建立實(shí)物控制模型。中國單片機公共實(shí)驗室，從1992 年起在國內首先建立了國際標準的CAN-BUS 開(kāi)放實(shí)驗室。2005 年又第一個(gè)在國內建立了完整的FlexRay 開(kāi)發(fā)、分析、仿真與實(shí)驗測試平臺，與國際水平保持同步。有關(guān)FlexRay 和CAN-BUS（SAE J1939，CANopen）的最新技術(shù)和進(jìn)展，可訪(fǎng)問(wèn)http://www.bol-system.com汽車(chē)線(xiàn)控系統網(wǎng)絡(luò )實(shí)際上就是一種特殊的局域網(wǎng)。這種系統是從飛機控制系統引申而來(lái)的。飛機控制系統中提到的Fly-by-Wire 是一種電線(xiàn)代替機械的控制系統，它將飛機駕駛員的操縱控制和操作命令轉換成電信號，利用機載計算機控制飛機的飛行。這種控制方式引入到汽車(chē)駕駛上，就稱(chēng)為Drive-by-Wire(電控駕駛)，引入到制動(dòng)上就產(chǎn)生了Brake-by-Wire（電控剎車(chē)），引入到轉向控制上就有Steering-by-Wire（電控轉向），因此統稱(chēng)為X-by-Wire。這些創(chuàng )新功能的基礎是一種能夠滿(mǎn)足嚴格容錯要求的寬帶總線(xiàn)結構――FlexRay 總線(xiàn)系統（車(chē)載網(wǎng)絡(luò )計算平臺）。FlexRay 的重要目標應用之一是線(xiàn)控操作(如線(xiàn)控轉向、線(xiàn)控剎車(chē)等)，即利 用有容錯功能的電氣/電子系統取代機械/液壓部分。線(xiàn)控操作包括從轉向到剎車(chē)和加速等所有汽車(chē)控制應用互連技術(shù)，它的應用可以補充并將最終代替汽車(chē)的機械和液壓解決方案。 FlexRay 的執行器是機電一體化的產(chǎn)物，是全球汽車(chē)行業(yè)新一代汽車(chē)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。也應當成為我國汽車(chē)計算平臺國家重大工程的研究和技術(shù)跟蹤的重點(diǎn)之一。

　　另一個(gè)值得注意的是CANopen 在汽車(chē)中的應用，CANopen 是在ISO11898 標準之上真正面向對象聯(lián)接的網(wǎng)絡(luò )計算平臺，（而J1939 則是面向具體應用而聯(lián)接的網(wǎng)絡(luò )標準）。在CANopen 網(wǎng)絡(luò )中，可以將最多128 個(gè)用CAN-BUS 互聯(lián)的嵌入式微處理器，看成是一個(gè)統一的計算機平臺，通過(guò)對網(wǎng)絡(luò )中的任何一個(gè)單片機中的電子表格（存儲在E2PROM 或Flash之中，稱(chēng)為CANopen 的對象字典）的修改和重定義，即可改變整個(gè)系統的功能配置和構造，而無(wú)需通過(guò)CANopen 節點(diǎn)的制造商，在每個(gè)節點(diǎn)的對象字典之中還存儲全球唯一的制造商編碼和相關(guān)的配置參數，我們稱(chēng)之為數字基因（Digital DNA）。通過(guò)標準方法可以方便的訪(fǎng)問(wèn)到汽車(chē)中各個(gè)電子設備的“數字基因圖譜” 
用于維護和診斷。CANopen 在各種工業(yè)、交通、航空、海事領(lǐng)域的應用技術(shù)成果，可方便地移植和集成進(jìn)入未來(lái)更復雜的汽車(chē)系統之中，特別是在電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)中CANopen 有明顯的優(yōu)勢。在通用單片機中加入CANopen 中間件并為應用程序留下API 接口，既可做成一種稱(chēng)之為CANopen Chip的系統級芯片產(chǎn)品。在北京集成電路設計園開(kāi)發(fā)平臺的支持下，北京英貝多公司在成功的開(kāi)發(fā)出J1939 系統級芯片的基礎上，正在為汽車(chē)行業(yè)研發(fā)具備自主知識產(chǎn)權的CANopen chip。CANopen chip 可以連接各種傳感器，實(shí)現對汽車(chē)主要部件的安全性監測。

　　三、關(guān)于汽車(chē)計算平臺的思考與機會(huì )

　　上世紀50 年代航空電子占整個(gè)飛機造價(jià)的比例約為20%，90 年代則上升為80%，隨著(zhù)CAN、FlexRay 等網(wǎng)絡(luò )計算平臺技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)電子也將遵循航空電子的發(fā)展規律，得到更快速的發(fā)展。因此說(shuō)，汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )計算平臺對現代汽車(chē)工業(yè)將產(chǎn)生本質(zhì)性的重大的影響。汽車(chē)計算平臺是什么？筆者認為“網(wǎng)絡(luò )就是計算機” [1] 網(wǎng)絡(luò )標準就是計算平臺。從過(guò)去二十年信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來(lái)看，網(wǎng)絡(luò )標準推動(dòng)著(zhù)信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和全球化，如手機計算平臺，由最初的1G、2G（2.5G）到 3G，網(wǎng)絡(luò )標準決定著(zhù)產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和行業(yè)的興衰。手機也從過(guò)去的移動(dòng)電話(huà)概念發(fā)展成為今天的移動(dòng)計算（嵌入式系統）概念，手機短信息業(yè)務(wù)的成功應用再一次證明了平臺技術(shù)的重要性。

　　從國際上看汽車(chē)電子的數字化進(jìn)程，已有二十多年歷史，回顧CAN-BUS 的發(fā)展歷史，直到1995 年SAE J1939、CANopen、網(wǎng)絡(luò )計算平臺標準的出現，才為汽車(chē)OEM 關(guān)鍵零部件的互聯(lián)、協(xié)同工作進(jìn)而提升整車(chē)的系統性能、功能和靈活性建立了平臺化的工業(yè)基礎。

　　公元2000 年和2005 年國際上的LIN 聯(lián)盟和FlexRay 聯(lián)盟，均是由著(zhù)名的汽車(chē)廠(chǎng)商和信息技術(shù)(IT)公司聯(lián)合發(fā)起和推動(dòng)的標準聯(lián)盟和技術(shù)聯(lián)盟，這標志著(zhù)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)在共同推動(dòng)著(zhù)一個(gè)全新的、復合性的產(chǎn)業(yè)——汽車(chē)（電子）信息產(chǎn)業(yè)的出現，與傳統的汽車(chē)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)強調單個(gè)部件功能和性能不同的是汽車(chē)（電子）信息產(chǎn)業(yè)更關(guān)心的是網(wǎng)絡(luò )標準和平臺技術(shù)。因為這些決定了行業(yè)的發(fā)展和興衰。

　　當今，技術(shù)發(fā)展的專(zhuān)業(yè)化，分工的精細化和相互融合，以及系統性能的不斷提高和電子技術(shù)日益復雜化趨勢的挑戰，同時(shí)還要考慮汽車(chē)電子產(chǎn)品的規模經(jīng)濟要求，使研發(fā)設計環(huán)節變得越來(lái)越至關(guān)重要 。因此，類(lèi)似于集成電路設計行業(yè)獨立于制造行業(yè)一樣，未來(lái)汽車(chē)電子設計產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)獨立的行業(yè)將會(huì )得到快速發(fā)展，在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)規劃時(shí)，這一點(diǎn)應當引起我們的思考。

　　我國在汽車(chē)計算平臺方面參與國際合作的機會(huì )也是存在的，如在CANopen 方面由于標準是分層制定的，CANopen 的基礎層已經(jīng)相當完善，應用層是透明開(kāi)放的。所謂應用層行業(yè)規范（Application Profile）就是由國際上同行專(zhuān)家共同為某個(gè)具體行業(yè)制定的平臺性標準，據國際CiA 組織（CAN in Automation）最近提供的信息，在電動(dòng)發(fā)動(dòng)機、混合動(dòng)力傳動(dòng)、房車(chē)（reereation vehicle 旅游車(chē)）等方面，正在尋求國際上專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)商及專(zhuān)家共同制定應用層行業(yè)規范。在FlexRay 方面我們也有機會(huì )參與應用平臺標準化工作和FlexRay 控制器IP（半導體知識產(chǎn)權）方面的國際合作項目，用FPGA 實(shí)現FlexRay 控制器在國內已有相關(guān)的研發(fā)活動(dòng)?；赨WB 開(kāi)發(fā)車(chē)輛多媒體網(wǎng)絡(luò )是中國的機會(huì )。

　　在基于OBDIII 的Blue-Bus 汽車(chē)計算平臺方面，中國的IT 企業(yè)與有遠見(jiàn)的汽車(chē)企業(yè)也開(kāi)始了戰略性合作。 （完成于2006-9-15）

        注：[1] 1990 年美國Sun 公司發(fā)表了“網(wǎng)絡(luò )就是計算機”的著(zhù)名言論，這是對未來(lái)計算機體系結構變化的預見(jiàn)性定義。后由Internet 的發(fā)展而證實(shí)。

　　作者E-mail：can@bol-system.com HomePage: Http:// www.bol-system.com

　　參考文獻

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