輕型商用車車載網絡架構

張凌露，高李明

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 210028）

隨著現代汽車電子技術的迅速發展，采用車載通信網絡實現電子控制單元或系統間信息多路傳輸越來越普遍。目前國內乘用車領域車載網絡的技術應用已基本達到成熟水平，但商用車領域在電子技術應用上總體上比乘用車滯后，車載通信網絡應用和開發水平還處于起步階段，缺少開發經驗和指導規范。本文企圖通過行業應用情況分析并結合南京依維柯某車型開發實踐，對輕型商用車車載網絡架構進行探討。

1 輕型商用車車載網絡的應用背景

日趨嚴格的節能、環保法規、消費者對汽車產品安全性、舒適性日益增高的要求，需要具備復雜控制功能的汽車電子系統，如發動機電子控制系統、自動變速器控制單元，這些技術的應用推動了商用車向電子化和智能化迅速發展。為完成這些復雜系統的控制功能，單元間需要交換大量的數據。這些控制器實時性和可靠性要求高，需要通過數據網絡實現信息共享保證控制系統的正常運行和診斷能力。

近年來，電商產業蓬勃發展帶動了國內物流行業快速成長，物流運輸業在物流車輛管理上從過去的粗放管理，轉向精細管理。物流公司運用大數據的車聯網管理平臺逐步成形。這類大數據平臺不僅采集企業的物流貨物信息，同時采集大量車輛狀態信息，需要商用車應用網絡傳輸技術來滿足大數據車聯網的需求。

乘用車領域車載網絡的廣泛采用，車載網絡技術已在技術開發、元件提供、開發工具、驗證手段等方面取得明顯進步，相關軟硬件成本已大大降低，支持了在商用車領域的迅速增長。

但商用車對成本的敏感性并未改變，由于普遍規模不大，單一品種往往銷量不上規模，新技術的應用程度受成本制約較明顯，在車載網絡設計中應該充分考慮節點部件的成本增加和開發費用。

2 車載網絡通信協議選擇

為方便研究和實際使用，美國汽車工程師協會（SAE）根據傳輸速率的不同將車載網絡劃分為A、B、C類，如表1所示。

位速率1MB／s以下的通信協議已有LIN、VAN、CAN等協議，主要用于控制類信息的網絡傳輸。同時也有位速率高于1MB／s不同用途和特點的其它協議，如應用于多媒體系統的音視頻信息的傳輸MOST協議；基于時間觸發應用于線控技術 （X-by-Wire）的Flexray協議，但這些位速率高于1 MB／s的總線成本高昂，目前主要應用在高端乘用車領域，在輕型商用車上還不多見。從目前車載通信網絡的發展和使用情況看，輕型商用車選用的網絡標準越來越趨向集中到CAN、LIN總線。

表1 車載網絡的劃分

CAN總線采用短幀數據結構、非破壞性總線仲裁技術，具備突出的可靠性、實時性和靈活性，成為現階段B類和C類網絡采用的主流協議。對于不需要CAN這樣高速率的場合，LIN總線硬件成本低廉，在軟件和系統設計上也容易和其他網絡協議兼容，作為系統CAN網絡的輔助性子網絡，在低速控制領域取得領先地位，典型應用有車門、照明及智能傳感器。

CAN總線規范僅定義了其物理層和數據鏈路層，實際應用的時候還需要更加詳細的應用協議，由于沒有統一的標準，各大乘用車廠家根據自己的需求定制了企業性的應用層協議，對CAN基本協議中的某些規定使用了更嚴格的約束條件，屬于不公開的保密文件。但目前越來越多的企業出現向J1939協議靠近的趨勢，尤其在商用車領域，J1939協議基本成為全球支持的應用層協議。J1939全稱是車輛網絡串行通信和控制協議，它采用CAN通信協議作為網絡核心，按照OSI模型對通信的分層制定了相關子標準，特別是在應用層子協議中對通信所傳輸的有效信息作出了統一明確的定義，對產品自主開發具有很高的參考價值。

3 主流輕型商用車車載網絡架構

3.1 單路總線

日本五十鈴700P輕型載貨汽車是國內眾多輕型商用車企業的競爭標桿，代表了輕型載貨汽車中電氣設計的領先水平。其網絡架構采用單路總線，這種架構網絡節點數量較少，滿足現階段商用車配置需要，系統成本控制較好。其網絡拓撲圖如圖1所示。單路總線網絡主要特點如下。

1）采用J1939 CAN網絡通信協議，通信速率選擇250kB／s。

2）網絡節點的選擇在滿足平臺配置要求基礎上偏向于成本考慮，網絡結構簡潔，接入網絡的節點數量有限，選擇為網絡節點的控制單元主要考慮2個要素：①控制單元的實時性要求較高，如發動機控制單元 （ECM）、ABS等；②和其它控制單元或系統存在較大信息交換，如發動機防盜控制模塊（IMMO）、 儀表 （CLUSTER）、 車身控制模塊 （BCM）。

3）各節點控制器的診斷通信依舊延續了K線。

3.2 雙路總線

在國內輕型客車市場，歐系車型增長迅速，其中江鈴汽車股份有限公司的TANSIT（全順）車型和南京依維柯汽車有限公司的DAILY（得意）車型為國內中高檔輕客市場的最主要品牌，多年來始終占據市場前兩位，這兩個企業都具備國際大公司合資背景。TRANSIT（全順）為FORD（福特）公司專為歐洲市場設計和開發的經典商用車成功案例，DAILY（得意）為意大利IVECO公司主打車型，在歐洲市場就是主要競爭對手，都是歐系輕型商用車的代表車型。這兩款車型電子化應用水平處于行業領航者地位，車載網絡節點數量相對較多。為降低網絡負載率，保證動力傳動系統的正常運行，將網絡分成傳輸速率不同的兩路，采用雙總線架構。根據各節點的實時性要求不同，分別接入不同的總線，通過網關協調信息交互和共享?，F將這兩款車型在歐洲市場原車型的車載網絡基礎拓撲結構介紹如下。

FORD TRANSIT（全順）車型網絡架構拓撲圖見圖2。IVECO DAILY（得意）車型網絡架構拓撲圖見圖3。其主要特點如下。

1）雙路總線架構以發動機控制單元為核心，將實時性要求高、信息共享關聯大的節點互聯在一起，構成高速通信網絡，車身部件和其它實時性要求相對較低的節點組成低速網絡，其中網關可以是實物節點，也可以是虛擬節點集成在某控制單元中（如上兩例都集成在BCM中）。

2）IVECO DAILY （得意）和FORD TRANSIT（全順）車型的開發有FIAT（菲亞特）和FORD（福特）大集團背景，繼續了乘用車技術路線，在網絡設計時應用層協議都采用了各自企業規范，IVECO產品動力CAN采用了J1939協議，B-CAN采用了FIAT（菲亞特）的私有協議；TRANSIT產品整個網絡協議都采用了FORD（福特）私有協議，由于依托了大集團的成熟平臺，部分平臺產品可以沿用，可以保證產品可靠性和控制部件成本。

3）從網絡拓撲圖上可以看出，這種網絡架構明顯比單路網絡復雜，相對系統成本較高，但在電控單元較多時系統可靠性更高，未來升級擴展能力也要優于單路網絡。

4 自主開發輕型商用車網絡架構介紹

中國的汽車工業隨著國家經濟的蓬勃發展迅速成長，在2013年國內商用車產量達到405萬輛，在數量上升的同時，產品配置和品質要求也越來越高。輕型商用車多年來一直以成本為中心，新競爭形勢下如何平衡配置和成本的關系是設計人員不得不面對的問題。其中構建適合本企業的車載網絡架構是電器開發人員一項重要工作。

車載網絡架構的創建主要工作是通信協議選擇、節點安排和網路數量確定，輕型商用企業在自主構建車載通信網絡時應注意以下方面。

1）網絡節點選擇原則 網絡架構構建的輸入是整車配置、功能和目標成本要求，實現相同電子控制功能存在分散控制、集中控制、分布式網絡控制等多種技術手段，對具體控制單元是否采用網絡傳輸信息、成為網絡節點主要取決于該單元實時性要求、信息交互量多少和成本高低。

2）企業整車電子水平 要充分了解本企業目前電子應用水平現狀，盡量利用現有資源，沿用和整合現有電子產品，要考慮采用逐步技術升級方式減少開發投入。

3）網絡架構的生命周期 網絡架構同樣具有生命周期，在創建架構前應該了解未來法規政策走向、商用車行業電子技術的發展和本企業產品戰略規劃，為新增電子控制留有拓展空間。

5 依維柯第一代網絡架構設計案例

對于有合資背景的輕型商用車企業，技術路線會移植和搬用國外成熟車載網絡結構，在技術成熟度上具備明顯優點，缺點是可能涉及較高技術引進費用和很難短時間內真正掌控該方面技術。對于現階段自主開發企業或項目，通常分為兩類，一類是企業或產品市場定位于以成本領先技術跟隨市場策略，采用車載網絡通信技術往往是因為所選發動機等動力總成部件電控系統的技術升級要求，一般整車采用網絡傳輸的節點數不是很多，原則上可以采用單路高速總線涵蓋所有節點，建議根據本公司情況參考五十鈴700P車型的單路網絡架構創建，另一類是產品處于行業技術領先水平，電子部件采用較多，需要參考歐洲商用車技術路線，采用雙路總線的網絡架構，但無論采用何種網絡架構，對實時性要求高的控制部件和信息量大的儀表等部件應該接入網絡，考慮到輕型商用車成本敏感度的事實，對實時性要求不高的車身或舒適性部件需要平衡成本和性能的關系，甚至偏重于成本進行節點取舍，以南京依維柯第一代網絡架構為設計案例進行進一步解釋。

南京依維柯是意大利IVECO公司在華合資企業，為國內輕型商用車重要的生產商，在2011年自主開發輕型商用車的車載通信網絡架構時，通過產品配置規劃、投入產出分析前期工作，選擇了單路CAN總線架構，其網絡拓撲圖如圖4所示。

在該網絡架構中協議采用商用車專用的J1939協議，并且在J1939協議框架內根據實際情況進行了二次開發，通信速率采用250 kB／s，并維持了部件K線診斷。網絡節點模塊選擇依據沿用性、關聯性、成本、周期等要素的分析對比，決定是否接入網絡的部件選擇原則如下。

1）實時性要求較高。柴油發動機控制單元（EDC）、 自動變速器控制單元 （AMT）、ESP等系統實時性要求高、信息交換量大、相互間關聯度高，需要采用網絡進行信息傳輸。

2）信息交互量較大。發動機防盜控制模塊（IMMO）、 行駛記錄儀 （VDR）、 儀表 （CLUSTER）、車身控制模塊 （BCM）和其它電子單元交互的信息量較大，作為節點接入。

3）成本控制。胎壓報警系統 （TPMS）接入系統，目的是通過網絡可靠地傳輸檢測到的各路胎壓信息，并集成到儀表顯示窗口顯示，減少了專用胎壓顯示器；音響系統接入網絡是通過網絡接收安裝在轉向盤上的多功能開關 （靜音、選臺等功能按鈕）的信息，這些開關信息通過硬線連接到BCM上，通過BCM轉換成CAN報文傳輸發送給音響。由于音響系統高低配置不同，采用統一的總線信號傳輸方式可以增加選擇音響產品的開放性和減少音響修改的模具投入和開發成本。

由于大部分車身電器部件 （如電動窗、中控鎖、雨刮、燈光、控制開關等）集中在駕駛室附近，相距不遠，仍采用BCM集中控制形式，同時BCM經過技術升級，通過CAN接口和網絡間其它電子單元進行信息交換。安全氣囊、ABS為現生產沿用件，如果升級到CAN通信需要更換ECU，需要重新進行整車驗證，開發投入較大，所以未接入網絡。

兩年多的市場應用證明此次技術升級符合現階段車輛配置的技術要求，通過CAN車載信息網絡提升了系統信息交換的可靠性，減少了線路連接復雜性，豐富了電控系統的診斷能力，同時網絡傳輸的信息量較豐富，基本反映了車輛的運行狀態，為用戶連接車聯網提供了必要的基礎。該架構目前在依維柯輕卡和輕客雙平臺產品中都已采用。

6 自主開發商用車網絡架構應用分析及注意事項

從目前輕型商用車行業的產品配置和電子產品應用情況分析，現階段采用單路或雙路總線網絡架構已滿足要求，而且在一段時間內仍可能是輕型商用車主流架構形式。預計未來網絡架構的發展將會在此基礎上進行改進提升，目前商用車電子技術的應用已進入一個迅速增長期，一方面許多乘用車開始采用的現代汽車電子技術會影響商用車的配置，另一方面商用車的應用環境的特殊性也會對商用網絡的發展產生影響，其中已經初步顯現的以下兩個方面需要注意。

1）商用車安全性要求越來越高，國外ADAS技術法規化，安全類預警或干預技術的應用，會對未來的國內商用車配置產生直接影響，由于這類技術都需要較高實時性，網絡架構必然向兩路或多路總線方向發展。

2）商用車物流應用的迅速發展，車聯網應用將更加普遍，客戶車聯終端將收集更多的車載信息，更科學地對車輛狀態和駕駛者行為進行分析。但由于國內物流車客戶往往采用自己采購的車聯終端，品質水平參差不齊，在架構設計時應該盡量減少客戶自選設備對車載網絡的潛在干擾。

根據筆者對輕型商用車的認識，對未來的車載網絡架構形式給出如下拓撲結構示意的建議，見圖5。

該網絡架構中的具體節點可以根據本單位實際情況進行選擇和安排，總體上的構建理念如下。

1）網絡架構采用多網絡結構，滿足不斷增加的電控單元需要，按照實時性、安全性要求的不同將主網絡分成高速動力網絡和車身網絡?？紤]到商用車領域總線協議應用趨向，動力網絡采用J1939協議， 速率500kB／s； 車身網絡優選J1939， 250kB／s，但如果企業有集團或合資技術平臺，也可能采用本企業專用應用層協議。

2）專用車聯網接口和診斷接口分別采用專用網絡，通過獨立網關，和動力網絡、車身網絡進行信息交換，減少動力和車身網絡的負載率，有效避免對主要車載網絡的干擾，確保車輛安全性。

3）采用LIN總線作為整車CAN網絡的輔助補充，主要用于連接智能型傳感器和獨立工作的智能性執行部件 （如蓄電池傳感器、車輛防盜報警器）。

7 總結

車載網絡架構形式多種多樣，沒有最好只有最合適企業自身，輕型商用車網絡架構的設計應該充分兼顧產品技術發展和成本控制。需要說明的是，本文介紹的思路基于目前以CAN為主流標準的事實和對網絡發展的個人思考，隨著車聯網、汽車安全等現代汽車電子技術的迅速發展，要求車載網絡傳輸速度越來越高，位速率達到10MB／s的CAN-FD和以太網技術以高速率優勢已逐漸表現出替代CAN總線的可能，需要密切跟蹤。

［1］張培仁.CAN總線設計及分布式控制［M］.北京：清華大學出版社，2012.