汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)通信總線(xiàn)現(xiàn)狀及發(fā)展

吳晨曉

（河北優(yōu)控新能源科技有限公司，河北 石家莊 050070）

前言

近幾年，汽車(chē)行業(yè)智能網(wǎng)聯(lián)和自動(dòng)駕駛發(fā)展迅速，電子單元越來(lái)越多，信息傳輸量越來(lái)越大，為了滿(mǎn)足各電子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性通訊和控制需求，汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)技術(shù)日趨強(qiáng)大。目前車(chē)載通信總線(xiàn)主要有：控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)CAN、車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)LIN、高速容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)FlexRay、面向媒體的系統(tǒng)傳輸總線(xiàn)MOST、車(chē)載以太網(wǎng)Ethernet等。

1 控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)CAN

CAN（Controller Area Network），是由Bosch公司最早定義的支持實(shí)時(shí)和分布式通訊的串行總線(xiàn)，目的是解決汽車(chē)電子系統(tǒng)中多個(gè)ECU之前的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，CAN總線(xiàn)中各節(jié)點(diǎn)以線(xiàn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，通信介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)或同軸電纜。

CAN總線(xiàn)協(xié)議為分別對(duì)應(yīng)高速通信（125Kbps～1Mbps）的ISO11898和低速通信（125Kbps以下）的ISO11519，通信接口中定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能，對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行整幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作，其通信速率最高可達(dá)1MB/s（≤40M），節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際最高可達(dá)110個(gè)。一般情況下，CAN總線(xiàn)實(shí)際應(yīng)用負(fù)載率不超過(guò)30%。

CAN FD(CAN with Flexible Data-Rate)作為CAN 總線(xiàn)的升級(jí)版，彌補(bǔ)了CAN總線(xiàn)帶寬和數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度的制約，通過(guò)縮短位時(shí)間和加長(zhǎng)數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度兩種方式使通信速率提高至15Mbit/s，并通過(guò)CRC校驗(yàn)來(lái)保證數(shù)據(jù)可靠性。

2 車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)LIN

LIN(Local Interconnect Network)是一種基于UART/SCI的低成本開(kāi)放式串行通訊總線(xiàn)，遵循ISO 9141協(xié)議，其定位是對(duì)CAN總線(xiàn)的低成本輔助網(wǎng)絡(luò)，主要用于車(chē)內(nèi)分布式電控系統(tǒng)，即車(chē)身電子控制中各模塊節(jié)點(diǎn)間的低端通信。LIN總線(xiàn)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及單線(xiàn)連接，并可以通過(guò)CAN網(wǎng)關(guān)和其他ECU進(jìn)行信息交互。典型的LIN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到12個(gè)（≤40M），最大傳輸速率為19.2kb/s。

LIN總線(xiàn)報(bào)文包括幀頭與應(yīng)答兩部分，一個(gè)完整信息幀包括同步間隔段、同步段、標(biāo)識(shí)符段（受保護(hù)ID）、數(shù)據(jù)段、校驗(yàn)和段。

3 高速容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)FlexRay

FIexRay總線(xiàn)結(jié)合事件觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)兩種方式，具有更高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、更強(qiáng)的數(shù)據(jù)靈活性、更全面的拓?fù)溥x擇和更可靠的容錯(cuò)運(yùn)算，多用于汽車(chē)核心通訊需求。Flexray采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在物理上分為兩條獨(dú)立的通信通道，單通道最大數(shù)據(jù)傳輸速率為10MBit/s，雙通道總速率可達(dá)20Mbit/s。

FlexRay將一個(gè)通信周期分為靜態(tài)部分、動(dòng)態(tài)部分、網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間。靜態(tài)部分使用TDMA（Time Division Multiple Access）方法，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(dòng)態(tài)部分使用FTDMA（Flexible Time Division Multiple Access）方法，用于發(fā)送使用頻率不確定、相對(duì)不重要的數(shù)據(jù)。FiexRay通訊協(xié)議由FlexRay Consortium制定，其幀格式包括的幀頭段、用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)段、包含由幀頭段與有效載荷段計(jì)算得出的CRC校驗(yàn)碼的幀尾段。

4 面向媒體的系統(tǒng)傳輸總線(xiàn)MOST

MOST(Media Oriented Systems Transport)是一種服務(wù)于汽車(chē)多媒體應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，可以用于管理所有多媒體設(shè)備，其最大優(yōu)勢(shì)在于能夠準(zhǔn)確有效處理針對(duì)不同目標(biāo)的多個(gè)數(shù)據(jù)流而不發(fā)生錯(cuò)誤。MOST總線(xiàn)采用環(huán)型拓?fù)洌詥胃饫w為載體，總線(xiàn)傳輸率高達(dá)24.8Mbit/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

MOST網(wǎng)絡(luò)目前主要在歐洲高端車(chē)型中采用，隨著汽車(chē)智能網(wǎng)聯(lián)和自動(dòng)駕駛發(fā)展，更大量數(shù)據(jù)(人機(jī)交互、遠(yuǎn)程信息處理、導(dǎo)航應(yīng)用、云數(shù)據(jù)信息傳輸)需求的增長(zhǎng)，MOST也在進(jìn)一步發(fā)展，MOST Cooperative正在規(guī)劃的第三代預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)速率將達(dá)到150Mbps甚至更高。

5 更高帶寬和傳輸速率的車(chē)載以太網(wǎng)Ethernet

汽車(chē)智能網(wǎng)聯(lián)和自動(dòng)駕駛的浪潮迅猛來(lái)襲，推進(jìn)了車(chē)載網(wǎng)絡(luò)容量需求的爆發(fā)式增長(zhǎng)，汽車(chē)電子單元的成倍數(shù)增加已經(jīng)超出CAN或FlexRay等車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的使命范疇，汽車(chē)廠商將目光轉(zhuǎn)向更高級(jí)別的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)——以太網(wǎng)。車(chē)載以太網(wǎng)采用單對(duì)的非屏蔽雙絞線(xiàn)及更小型的連接器進(jìn)行信號(hào)傳輸，速率高達(dá)100Mbit/s，這將大大降低車(chē)內(nèi)連接成本和減少車(chē)內(nèi)布線(xiàn)。車(chē)載以太網(wǎng)可以同時(shí)支持AVB、TCP/IP、DOIP、SONIP等多種協(xié)議或不同應(yīng)用形式。與此同時(shí)車(chē)載以太網(wǎng)的應(yīng)用普及將大大推進(jìn)WAVE（WiFi）引入汽車(chē)系統(tǒng)的進(jìn)程，并為V2X發(fā)展提供契機(jī)。

車(chē)載以太網(wǎng)不僅具備了適應(yīng)ADAS、娛樂(lè)影音、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等所需要的帶寬，而且還具備了支持自動(dòng)駕駛所需要的更大數(shù)據(jù)傳輸性能的潛力。相對(duì)于20世紀(jì)90年代誕生的控制器局域網(wǎng)CAN，它的規(guī)模將更大，意義將更深遠(yuǎn)。

汽車(chē)電子發(fā)展的趨勢(shì)似乎表明車(chē)載以太網(wǎng)將取代CAN成為主流，但隨著智能網(wǎng)聯(lián)和無(wú)人駕駛發(fā)展，汽車(chē)電子單元增長(zhǎng)呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)，車(chē)載網(wǎng)絡(luò)模式也應(yīng)當(dāng)趨向多元化發(fā)展。車(chē)載以太網(wǎng)的未來(lái)不是顛覆現(xiàn)狀，而是以更高性能適應(yīng)更多需求，填補(bǔ)汽車(chē)電子系統(tǒng)發(fā)展新形勢(shì)下的需求空白。