汽車的未來:插上網絡的翅膀

經過近一個半世紀的演變，汽車早已經不再單純是人們代步的工具，從強調駕駛樂趣到休閑娛樂，再到如今最熱門的車載信息平臺，電子產品在其中發揮著越來越重要的作用。

隨著科技的不斷發展，車載電子產品的數量和復雜性都在不斷提高，旨在把握消費者對駕駛與娛樂體驗的預朗，占得市場先機。碰撞警示系統、舒適性控制系統、信息娛樂系統和先進駕駛員輔助系統只是當今眾多復雜應用隉序的冰山一角，這些應用程序對車載網絡中與車栽網絡間的帶寬和互連的需求日益增加。汽車網絡技術市場需求不斷增長，汽車產量日益提高，這將使更多應用于車載的半導體產品應運而生。

從最早的純機械傳動，到引入各種電子技術，再到更多電子技術的加入，由于車內主控臺只有一個，因此汽車內各電子單元需要組成一個可靠的網絡用以控制各個電子單元。經過多年的開發及嚴格驗證，車內網絡有著幾種不同的標準，如CAN，LIN之類的低速網絡已經非常普及，而FlexRay和Mo ST總線也正努力推向更多的量產車型，甚至包括Ethernet也由傳統的計算機網絡領域轉向汽車網絡領域拓展，并且未來將會有很大的發展空間。在車用網絡給汽車行業帶來契機的同時，網絡類型的多樣性和信息帶寬的激增也同樣對整個汽車電子產業鏈提出了新的挑戰。

汽車網絡技術和市場的發展脫離不了汽車產業的大趨勢。汽車行業未來的發展很大程度上依賴于汽車電子技術的創新和應用，而汽車網絡作為汽車內部各電控單元、人機界面以及車輛與外部環境之間信息交互的紐帶將扮演越來越重要的角色。汽車產業在過去的10年間于安全和舒適兩個方面有巨大的飛躍，相信大家都會有感性認識。10年前很多高端車遙不可及的選配安全或舒適功能，現在已經成為了家用車的標配。全球平均每輛車CAN-LIN-FlexRay總線節點從2006年少于10個，到目前已超過20個。

在未來的10年中，決定汽車產業格局的趨勢將是節能和移動互聯，這些領域對汽車網絡的帶寬、安全性、能效、耐壓、可靠性、抗干擾性、可仿真性、可擴展性、自適應性都提出了新的需求。短期內，主動安全電子技術，例如防碰撞、智能剎車或基于雷達的距離控制應用可會出現增長，而它們同樣需要車內數據網絡。從長期來看，遠程信息處理應當在未來數年出現增長。我們預見的變化是汽車內電子產品的使用將會越來越多，以應對各個控制系統內的處理能力和數據通信的爆炸性需求。當然，市場的影響因素并非只有技術，隨著需求的上升和市場的成熟，競爭也日益激烈，對于產業鏈供貨商的成本控制，規模效益和創新能力都提出了新的要求。

以上四個市場趨勢對汽車總線半導體提出了三個方面的需求：

性能路線：更高的帶寬(FlexRay，以太網)、更強的EMC／ESD性能、更低的功耗、更好地在大規模不規則網絡中的抗共振、在新能源車中的高壓隔離通訊、在節能傳統車中的主動能量管理以及在車聯網中的網絡安全加密和驗證等等。

標準化路線：網絡通訊發展的前提是標準化。CAN、LIN、FlexKay都是經過車廠和半導體廠商共同研發多年而推出的車內總線標準。

優化路線：已有的網絡標準有很多性能優化的需求，例如部分網絡總線(Partial Networking，)為電池車和新能源車提供更高級的能量控制，使網絡稱為整車能量管理的一部分，系統基礎芯片(System Basis Chip)將網絡，不同總線不同應用

在車身相關的網絡中，LIN，CAN，FlexRaty這幾種總線技術分別適用于不同的應用領域，并將在很長一段時間內并存，它們將在最合適自身特點的領域發揮特長，找到存在的市場支撐。對于不同總線類型未來的發展趨勢，判斷的主要依據是，該網絡是否具備其他網絡不可替代的優勢，這些優勢主要包括成本，技術，市場的接受和普及程度等。整車廠商在強調安全的前提下，正在力求降低下一代汽車開發的復雜性，通過將多個網絡合并為幾個網絡或在可能時合并為一個車載網絡，可以有效地減少車載網絡的數量。由于涉及車型刷新周期的問題，這一發展過程可能需要較長的時間。因此基于以上幾點筆者認為未來LIN，CA Nl FlexRay還將會在很長時間內并存，并在最適合的領域找到生命力。因為，在車身網絡中，目前沒有哪一種方案可以滿足所有需求。

各種總線技術應用和定位略有不同，在長期以來和很久的以后都將共存共榮。關于車內網絡各種標準的應用，各個廠家有各種不同的見解。

恩智浦汽車網絡產品線全球市場及業務發展總監李曉鶴認為。CAN作為車用主干網已經是成熟技術。大部分車型都已經配備2路以上CAN網絡。根據不同車型，可能使用高速或容錯CAN。LIN則在局部總線。例如車門、空調、座椅、車燈模塊中以低成本占有不可替代的位置。LIN源于歐洲，之后在美國被標準化成SAE2602，目前在歐美車型中已經相當普及，其中不乏高端車型出現S路CAN，10路LIN的情況。FlexKay安全性模塊提供更好的帶寬，故障隔離和可預測性。Bthernet原于診斷，但未來會看到更多攝像機主動安全，多媒體，車聯網甚至車輛云計算的應用。

飛思卡爾汽車電子市場經理錢華則解釋，LIN適用于車身電子對成本敏感度較高的子節點應用，主要用于后視鏡，雨量傳感器和門窗等的控制：CAN是一種應用范圍比較廣泛的總線。從低速的車身電子網絡到發動機和底盤系統，甚至包括各種基于網絡的診斷系統都可以使用CAN；HexKay?2005年最先商用于BMW-X5底盤控制系統，一開始便奠定其在車用網絡中高可靠性和安全性應用場合的基礎。

富士通半導體汽車電子產品經理丁潔早指出，在未來3年內，CAN總線網絡預計在汽車網絡市場里仍將占據主導地位。不過，新的車內數據傳輸網路要求三高：高速，高可靠性，高靈活性。Flexray總線系統從技術上來說，可以非常理想地解決這些難題。不過從器件成本上來看，Hexray目前還是要比CAN總線高出很多。我們將會看到，在那些成本不是太敏感的控制系統方面，比如駕駛控制系統，汽車產業界將會推動系統設計者開始大力引入Flexray總線控制技術。

愛特梅爾公司汽車電子亞太區營銷總監吳彥翔表達了自己的看法，每種網絡技術擁有各自的細分應用領域，由于各種技術在規格和數據速率方面都不相同，因此能夠在單一汽車系統內共存。例如，CAN和Flexgay可以用于數據密集(data-intensive)和安全關鍵性(safety-critical)應用如ECU、TCU和信息娛樂設備：而LIN則適用于舒適性應用和車身應用，像車身控制模塊(body controlmodule，BCM)、車窗模塊、門鎖模塊等等。因此，未來數年車載網絡技術將會增長，而其中某些技術更可能出現大幅增長，以LIN為例，其年均復合增長率(CAGR)將會達到兩位數。

新興高速總線

隨著車內傳輸速率要求越來越高，更多高速網絡總線標準被引入汽車網絡，其中比較突出的是MOsT和以太網。

MOST總線專門用于滿足要求嚴格的車載環境。這種新的基于光纖的網絡能夠支持24.8Mbps的數據速率，與以前的銅纜相比具有減輕重量和減小電磁干擾(EMI)的優勢。MOST傳輸協議由分割成幀的數據塊組成，每一幀包含流數據、分組數據和控制數據。MOsT的定義是非常普通的，允許采用多種拓撲結構，包括星形和環形，大多數汽車裝置都采用環形布局。一個MOST網絡中最多可以有64個結點。一旦汽車接通電源，網絡中的所有MOST結點就全部激活，這對低功耗、停電模式設計是一大重點，包括系統處在該種狀態下的功耗量以及如何進入狀態。MOST結點在通電時的默認狀態是直通(Pass-throught)，即進入的數據從接收器直接傳送至發射器，以保持環略的暢通。

安華高工業線纜部總經理MartinWeigert介紹，如今MOST 2s是汽車的高速網絡的主體。隨著MOST 1S0在2012年的推出，通信速度已經增加了6倍，涵蓋了視頻和駕駛員輔助在未來幾年的應用。下一代速率將會達到幾個Gbit／s MOST系統已經開始定義，并會繼續像光網絡和MOST系統的在汽車上的一樣獲得成功。該解決方案可滿足需要高分辨率和非壓縮數據的高速攝像頭以及線束和連接器嚴格的EMI要求，因此使用光纜，這些光纜完全抗電磁干擾。富士通半導體丁潔早就認為，帶MOST總線的車載多媒體系統將成為市場的主流，從以前的高檔車市場進入到更多的中低檔車市場，從以前的發達國家市場進入到發展中國家市場。

Martin Weigert看到，越來越多的汽車已經配備了許多攝像頭和傳感器用于安全應用和駕駛員輔助。這種趨勢將會繼續，甚至在低端車領域。隨著燃油價格和二氧化碳問題，混合動力汽車和電動汽車越來越普遍。這些車將使用復合材料以減輕重量。所有這些趨勢將要求汽車擁有更嚴格的EMI和高速網絡。基于光纖的傳輸網絡將解決所有這些問題，并越來越多地采用規模效應將成本降低到對汽車制造商非常有吸引力的水平。MOST系統主導了過去10年汽車的高速網絡，MOST150系統現在能夠通過“隧道”以太網鏈接到消費行業，證明了在未來幾十年以太網將是在消費工業占主導地位的網絡。

關于以太網，去年以太網巨頭博通公司聯手汽車電子網絡巨頭飛思卡爾、恩智浦及相關產業廠商共同推動以太網在車內網絡的應用。

博通基礎設施和網絡集團汽車網絡產品高級產品線經理Tiraothy Lau介紹，車載帶寬需求的增長遠遠超過了對資訊娛樂和導航的需求。事實上，對更高帶寬的需求正在重新定義各種汽車運動和安全應用程序。在這種環境下，汽車電子產品無法再被視為一系列彼此無關的獨立組件，而是逐步演化為一個更為無縫的車載網絡。以太網技術能夠在整車范圍內驅動顯示和資訊娛樂應用程序的音頻和視頻數據包，管理車身控制系統、被動式乘員安全裝置等。買家希望以最低的價格購買最新的技術和功能。從客戶的角度來說，無非就是要求提升功能、互連和性能，而價格必須保持在可承受的范圍之內。同時，供應商面臨著既必須嚴格遵守行業管理規定的挑戰，還要確保整個車內開放式架構兼容性的挑戰。通過使用經檢驗的基于IP的以太網技術進行互連，汽車制造商可以縮小單個網絡中的功能和娛樂之間的差距，并大幅降低互連成本和電纜線重量。這一點恰恰是以太網最大的優勢。

飛思卡爾錢華直言，汽車行業中新技術的應用和普及從來不會太快，因為安全性和可靠性是汽車行業區別很多其他行業的標志，然而行業之間的相互滲透可能會加速這一進程，正如之前所說，消費電子和計算機領域中已經廣泛應用的網絡系統正逐步滲透到汽車行業。例如Ethernet，早在上世紀80年代初已經應用于計算機網絡的產物。直到2008年才被寶馬最先應用于BMW-7系轎車用于診斷接口中。雖然截至目前在汽車領域商用的Eth ernet節點總數不到一百萬個，但我們相信未來Ethernet將會成為增長最快的網絡協議。

安華高的Martin Weigert非常關注的一點是，許多傳感器分布在汽車內將提供有價值的信息來提高發動機的效率。一個專用網絡實時搜集所有傳感信息。更多的設備和傳感器裝入汽車，使線束重量不斷增加。在電動汽車高速網絡架構中使用塑料光纖替代同軸電纜，可以大大減少線束的重量。傳輸信號的完整性和服務質量面臨更加嚴峻的挑戰，因為混合動力汽車和電動汽車將會有更高電磁干擾的要求。這種趨勢來自混合動力或者電力引擎。這些引擎使用屏蔽不好和接地的復合材料。同時更高的數據傳輸速率和更輕的材料要求使用光纖傳輸技術。

對上面所介紹的車內網絡做個簡要總結，網關將不同的總線系統連接在一起。隨著時間的推移，專有的總線系統或點鏈接點將會消失，越來越多的汽車制造商將使用高容量的標準總線系統，同時規模經濟將推動CAN，LIN，Flexray和MOST的成本下降。

部分工作網絡(Partial Networking)一將網絡從被動傳輸介質變成主動能量管理的一部分。我們會在未來電池車和傳統車中看到廣泛的應用。

FlexRay一應用于高帶寬高安全性的動力系，傳動系功能，歐洲高端車已經量產應用，不久會在歐洲中端車中和美國和日本的車型中出現。

以太網一未來車輛診斷。主動安全，多媒體和通訊的有效解決方案。

隔離總線一新能源車高低電壓區中保護ECU，保護人體，保證通訊的總線。

48V網絡一增強微混能量回收和驅動向小型化的車體供電網絡。

高壓電池通訊網絡一解決電池車單體電池組高壓堆疊通訊可靠性問題的網絡。

汽車與外界的通信要求引發了telematics(車載資通訊、遠程處理、通訊、信息服務)技術的迅速發展。乘客對家外之家(車內)的互連、安全等級和舒適性等方面的期望值越來越高。車內通信的要求將推動從封閉式單個應用程序向開放式的可擴展網絡(可管理多個應用程序)的過渡。隨著駕駛員和乘客對數字通信技術變得越來越在行，他們的需求也變得更為復雜，汽車行業預見到了對車內帶寬日益增加的需求。因此，在符合汽車電子產品的嚴格行業標準要求的同時，推出了高帶寬互連，不僅提高了網絡性能而且價格經濟實惠。基于以太網系統的大規模采用將實現新的功能和應用程序在廣泛車型中的應用，從而提升駕駛員安全性、舒適性和資訊娛樂功能。同時意味著即將生產出新一代的汽車。來為駕駛員和乘客提供各種令人激動的“智能型”新功能。

在博通Timothy Lau看來，“先進駕駛輔助系統”，特別是輔助鏡頭停車系統，將隨著汽車網絡的發展得以廣泛使用。例如，基于以太網的360°全景停車輔助系統可以將多個數字傳感器和攝像頭與低感光度、高分辨率的圖像和視頻捕獲結合起來，這是將汽車運動管理系統從封閉式的應用程序過渡到開放式的可擴展駕駛員輔助網絡(多個系統可同時在該網絡中訪問和共享重要信息)的一大創新。通過將經濟實惠的以太網技術與使用價格實惠的CMOS圖像傳感器收集的高分辨率圖像相結合，汽車OEM廠商可以有效地將復雜的停車輔助系統擴展到更多車型，從而使重要的輔助功能不僅可以推廣到豪華車市場，而且可以推廣到非豪華車市場。

富士通半導體汽車電子產品經理丁潔早則聚焦在移動網絡。未來的Telematics系統將要求，對智能手機提供更方便的連接性，而且要面向云計算平臺來設計。為了支持對智能手機的連接，處理器必須要支持藍牙。USB和Wi-Fi等各種連接協議。云計算的引入，將會使人們更加關注人機界面(HMI)的改進，要求處理器必須具備非常高性能的圖形處理器引擎。富士通最新GDC產品MB86R11。采用了ARM CA9 CPU內核，內部的Ruby 3D圖形處理引擎可以用來設計更加絢麗的人機界面，在芯片連接性方便，則提供藍牙、USB Ethemet的連接。我們預計4G／LTE技術將會給汽車網絡帶來全新的變化。4G／LTE最高超過100Mb／s的傳輸速率，車內用戶將可以實時觀看高清視頻網絡點播，視頻聊天和實現其他海量的后臺云計算應用。

從上世紀80年代開始，汽車就不僅僅是個代步工具，越來越多的人喜歡在駕駛的過程中享受更多的娛樂和信息服務，這就是Infortainment(信息、娛樂)。而對于21世紀的汽車而言，舒適性不僅僅指的是汽車的駕乘體驗，更包含車內信息娛樂系統的豐富程度和服務質量，可以說，InfortainmentE經成為當前汽車廠商一個重要的產品賣點，甚至成為汽車差異化的先鋒。

愛特梅爾公司汽車電子亞太區營銷總監吳彥翔在談論Infortainment(信息、娛樂)和遠程信息處理系統時認為，它們需要大量的實時數據，還可讓用戶檢索來自服務提供商的附加數據。隨著蜂窩數據網絡覆蓋了主干網，我們看到車內信息娛樂系統使用越來越多功能強大的處理器、甚至多內核(multi-core)處理器，來應對車載軟件應用、實時視聽和圖形處理方面不斷增長的需求。

飛思卡爾錢華感覺，Infortaiment技術的演進，使得汽車越來像消費電子領域靠攏。因此傳統消贊電子的產品將在汽車領域找到用武之地。對于面向Infortaiment系統的數據傳輸網絡種類很多，有MOST，APIX，USB和Bluetooth等，相對于傳統的用于控制系統的網絡協議如LIN，CAN，FlexRay，Infortaiment網絡數據傳輸的特點是數據帶寬的增加和處理復雜度的提高，這就需要處理器能有較高的主頻以及數字信號處理能力，此外在IntfortmmenL系統設計中，圍繞處理器的整體開發環境支持也變得至關重要，一個良好的開發生態環境將幫助客戶提高開發效率，加決上市的時間。

車聯網的挑戰

車聯網的產業鏈復雜，盈利模式多樣，傳統汽車產業的主導一整車廠和模塊制造商的統治地位受到來自內容服務商，運營商和通訊制造商等的挑戰。各有自己的強勢和短板，各方又都沒有足夠的力量獨自構建整個產業鏈，目前是在合作，融合和摸索期。業務的融合形成交叉技術，而帶來新的挑戰。

傳統通訊芯片和通訊模塊應用在汽車中對軟件，硬件的車規，可靠性，EMc，直至供應商的組織，供貨，物流，支持，風險管理都有不同的要求。另外，通訊芯片的換代周期是幾年，而汽車系統設計包括配件維護一般要求芯片廠商有超過10-15年穩定供貨。對于系統的可擴展、可互換性，以及上層應用和硬件系統間的相對獨立都有新的要求。

車內網絡和車聯網的融合帶來另外的挑戰是汽車的網絡安全性。近幾年，黑客通過藍牙，胎壓檢測，診斷接口，無線門禁系統攻擊車內網絡，讀取控制ECU的事件時有報道，但大部分停留在學術研究范圍，車聯網普及后，這部分會成為現實問題。

最后需要提到的是，智能交通不只是車聯網，基于802.11p的car2x通訊，包括車間和車輛與道路設施實時通訊是實現主動安全的未來趨勢。與Telematics不同，主動安全中對通訊的響應時間和可靠性有苛刻的要求。智能汽車控制

智能汽車需要智能控制，即使發動機沒有運行。為了避免汽車電池耗盡，電動汽車需要消耗很少的電力。新的應用類似使用相機傳輸車輛周圍的圖片到智能手機上來提高安全性能，在夜間從一個孤獨的停車位顯示汽車外部圖像。丟失或被盜的汽車位置可能通過GPS把信號連接到智能手機上。甚至可以使用無線數據流來驅動硬盤中的音樂或導航軟件更新。如果發動機熄火的話，高速低功耗的網絡將有助于消耗更少的功率。在汽車上的電子元件的要求總是比消費品行業更高。最新的半導體技術的改進組件將需要追趕快速消費品應用。在行駛汽車內，遠程信息處理將需要新服務，如實時交通消息，汽車附近的信息服務，駕駛員的健康監測和自動的SOs呼叫和通知等，所有這些服務將需要非常耐用的和可靠的電子和半導體器件。

隨著越來越多的應用出現，安華高的Martin Weigert指出，我們都看到在智能手機和片劑消費者希望汽車業能夠提供相同的服務。將許多的功能整合到一個主控單元將花費汽車制造商太多的開發時間。新功能的電子控制單元(ECUs)將會需要并且分布在有限的汽車空間內。這將需要更高速率的網絡。汽車和汽車通信或汽車與基礎設施的通信使車內網絡的數據流量將進一步增加。所有數據需要在極低的延遲時間下傳輸，以使駕駛輔助系統，或自適應控制，安全氣囊系統激活，使重要的安全信息迅速生效。

談及智能汽車控制，瑞薩電子大中國區首席工程師小和瀨靖明表示，在電動汽車或混合動力汽車的數據傳輸速率要求很高，和傳統汽車相比在信息傳輸上有嚴格的規定，以此提高發動機的效率。此外，越來越多的ECU進一步增加需要傳輸的數據量。要在汽車內實現如此復雜的網絡環境，需要使用數量越來越多的各種型款微控制器，涉及從8位到32位，以滿足各種汽車控制系統不斷增長的處理能力要求。為此，半導體廠商需要更好地了解客戶實際設計需求和車用等級的產品，瑞薩電子大力推進與客戶的合作和產品的系統性，充分發揮所有產品的特點，為客戶提供更多的選擇，以滿足我們客戶的需求，這樣能夠極大地增加瑞薩電子產品的技術競爭力。