典型車載網絡總線技術特點、應用和展望

徐 佳，鄭廣州，朱明哲，李柏林，劉保光

（北京新能源汽車技術創新中心有限公司，北京 100000）

智能化和聯網化正引發全球汽車產業轉型升級。汽車不再局限在移動工具這一單一屬性，而是與信息產業緊密融合，從原本的信息孤島變為智能終端，更傾向于作為具有交通功能的電子產品而存在，其內涵和外延都在不斷擴展［1］。內涵擴展主要體現在汽車功能的增加，外延擴展則表現在汽車與外界的交互，這需要依靠增加大量的ECU來實現。ECU之間的信息傳遞是通過關聯傳感器電路和專門的通信線路完成的，如果使用傳統點對點連接，需要耗費大量線材同時占用空間。人們采用汽車總線技術解決由此而產生的線束沉重、工藝復雜、經濟性下降等問題，建立適合用于車輛使用的物理層鏈路，滿足ECU彼此間共享數據的需求從而實現更高級的功能，經過多年發展，構成了現在多元、異構的車載網絡［2］。

1 典型車載網絡總線技術介紹

1.1 LIN總線 （LOCAL INTERCONNECT NETWORK，本地互聯網絡）

LIN總線由摩托羅拉、奧迪等知名企業在1999年聯手推出，2003年開始使用，是一種面向汽車低端分布式應用的低成本、低速、開放式串行通信總線。其通信架構中確定有唯一的主節點和多個從節點，并且一般情況下從節點的數量不能超過16個。傳輸過程中由主節點對從節點發送命令，從節點完成應答的方式進行，通信過程中無需有仲裁和沖突管理機制的參與。采用LIN總線通信的網絡有著非常強的確定性，報文發送的周期、長度、以及調度都是提前預設好的，比較適合功能簡單的ECU或者傳感器。LIN數據傳輸方式采用總線電壓為12V的單線傳輸，傳輸速率小于20KB／s。LIN總線主要是為了滿足某個局部區域內數據通信，常常作為CAN總線的分支；有著結構簡單、成本低、配置靈活 （新添加從節點無需修改網絡中其他節點）的特點。非常適合對車窗、中控、后視鏡、照明燈、座椅、天窗等一系列傳感器的控制。

1.2 CAN總線 （Controller Area Network控制器局域網）

CAN總線通常稱為CAN BUS，20世紀80年代由德國BOSCH公司最先提出，是目前國際上應用最廣泛的開放式現場總線之一。CAN總線是一種串行數據通信協議，數據傳輸過程為多主通信模式：當總線空閑時，任何單元都可以開始發送消息。如果兩個節點需要同時發送，則具有較高優先級消息的單元將獲得總線訪問。每個控制單元都能發送和接收數據，但只有選擇地讀取消息來決定是否由他們采取行動。其通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先級判別等工作。CAN總線為5V差分信號的雙線傳輸方式，傳輸速率為10KB／s~1M／s，具有高實時性、抗電磁干擾能力強、兼容度高、成本低等優點，已經形成了完善的標準體系。CAN主要用于車上控制數據傳輸，低速CAN應用于車輛信息中心、故障診斷、儀表顯示等系統，高速CAN應用于與汽車安全相關的領域如車身底盤與發動機的控制。

1.3 FlexRay

FlexRay總線是由寶馬、克萊斯勒等公司共同制定的一種通信標準，2000年成立FlexRay聯盟［3］。FlexRay總線為周期通信方式，一個通信周期可以劃分為靜態部分、動態部分、符號窗口和網絡空閑時間4個部分，協議在數據靜態部分傳輸基于時間觸發 （TDMA）進行，此時消息都在分配的固定時刻發送，接收器可以提前知道信息到達時間；對于動態通信段則釆用靈活時間觸發 （FTDMA）的方式，此時消息根據優先級占用帶寬。FlexRay在物理上通過兩條分開的總線通信，每一條的數據速率是10M／s，總傳輸速率為20M／s。由于其基于TDMA技術進行數據傳輸的原理，能夠最小化臨時偏差幅度，即便行車環境惡劣多變，干擾了系統傳輸，FlexRay協議也可以確保將信息延遲和抖動降至最低，盡可能保持傳輸的同步與可預測。此外FlexRay還具備冗余通信能力，支持各種拓撲結構，常被用于需要持續及高速性能的場景如線控制動、線控轉向等。

1.4 MOST（Media Oriented System Transport多媒體定向系統傳輸）

1996年，寶馬、別克和SMSC共同開展MOST總線技術的研究［4］，MOST的傳輸技術近似于數字電話交換機等使用的“幀同步傳送”技術，包含數據信道與控制信道的設計定義，一旦設定完成，資料就會持續地從發送處流向接收處，過程中不用再有進一步的封包處理程序，如此設計的運作機制最適合用于實時性音訊、視訊串流傳輸。MOST在制訂上完全合乎ISO／OSI的7層數據通信協議參考模型，在網線連接上MOST采用環狀拓樸，不過在更具嚴苛要求的傳控應用上，MOST也允許改采星狀或雙環狀的連接組態，每套MOST傳控網絡允許最多達64個的裝置 （節點）連接。MOST的傳輸介質通常為光纖，第三代技術MOST150數據傳輸率能夠達到150M／s。MOST能夠兼容TCP／IP，物理層完全時鐘級別同期，光纖不會受到電磁輻射干擾與搭鐵環的影響，支持隨插即用 （Plug and Play；PnP）機制，十分適合車載信息娛樂系統中視頻、音頻的傳輸。

1.5 LVDS（Low Voltage Differential Signals低電壓差分信號）

LVDS最早由美國國家半導體公司在1994年提出，是一種低擺幅的差分信號技術。與CAN總線類似，LVDS使用兩條線傳輸的方法發送數字數據，發送信號時，一條線是正值，另一個為負值，在接收機處從這兩條信號線之間的差分電壓提取完整的信號［5］。有研究表明，LVDS是目前在汽車視頻傳輸中最有效的解決方案，其固有的共模抑制能力提供了高水平的抗干擾性，由于具有較高的信噪比，信號幅度可以降低到大約350mV［6］，加上差分結構，LVDS傳輸線具有最小的電磁輻射［7］。LVDS早在20世紀90年代就已經成為用于高速數據傳輸的通用接口標準，定義在2個國際標準中，分別為TIA／EIA （電訊工業聯盟／電子工業聯盟）ANSI／EIA-644-A-2001標準和IEEE1596.3標準。ANSI／EIA建議了655MB／s的最大速率和1.823 GB／s的無失真媒質上的理論極限速率［8］。LVDS兼容于各種總線拓撲，具有兼容低電源電壓、功耗低、終端和布線簡單等優點，多用于車內屏幕和各驅動板之間的數據傳輸。

1.6 Ethernet

以太網 （Ethernet）是由施樂公司創建，聯合英特爾和美國數字設備公司在1980年開發的基帶局域網規范［9］，車載以太網技術在 2010年由寶馬聯合美國博通公司共同提出。人們對以非同步方式工作的傳統以太網進行了修改，以滿足汽車嚴格的電磁兼容、電磁干擾和實時性的要求。最受關注的為TSN（Time-sensitive networking，時間敏感網絡）和TTEthernet（Time-triggered ethernet，時間觸發以太網）。

1）TSN

2006年，IEEE802.1工作組成立AVB音頻視頻橋接任務組，并在隨后的幾年里成功解決了音頻視頻網絡中數據實時同步傳輸的問題，2012年，AVB任務組在其章程中擴大了時間確定性以太網的應用需求和適用范圍，并同時將任務組名稱改為現在的TSN任務組。TSN指的是在IEEE802.1標準框架下，基于特定應用需求制定的一組“子標準”，利用數據整形，確保延遲達到微秒級 （一般每橋不超過250微秒），利用幀復制和消除 （Frame Replication and Elimination），確保無論發生鏈路故障、電纜斷裂以及其他錯誤，均能強制實現可靠的通信。此選項確保關鍵流量的復本在網絡中能以不相交集的路徑進行傳送，只保留首先到達目的地的任何封包，從而實現無縫冗余，達到超高的可靠性，這對無人駕駛尤其重要。

2）TTEthernet

TTEthernet是一種實時以太網擴展，它提供3種不同的流量類別，時間觸發 （TT）、速率約束 （RC）和盡力而為（BE），用來分別滿足不同的故障安全和同步協議，分配全局有效時間。所有參與者都使用共享和預定義的計劃，防止在傳輸的線路上發生沖突。這種協作時分多址 （TDMA）方法擴展了標準交換以太網協議，具有傳輸嚴格實時要求的消息的能力［10］。時間觸發的以太網還包括復制的數據包通信，即使一個通道出現故障，也可以保證消息的傳輸，無需任何額外的切換延遲。 這可確保在出現故障時最大限度地提高系統安全性。相關標準為SAE AS6802，與IEEE 802.3以太網完全兼容。

鑒于以太網帶寬充裕 （100M／s和1G／s兩種規格）、拓撲結構靈活 （幾乎不受限）、傳輸介質成本低 （一對非屏蔽雙絞線實現100M／s數據傳輸）、具備數據線供電 （PoDL）可能性、互聯擴展的優勢，車載以太網在車內信息娛樂系統、高級駕駛輔助系統 （ADAS）、車聯網 （V2X）和電動汽車領域應用具有廣闊前景。

2 現有汽車總線技術存在的問題

顯然，傳統汽車總線技術LIN、CAN和FlexRay的帶寬均不能滿足高品質信息娛樂，自動駕駛和云計算等智能汽車對數據傳輸的需求。MOST環形結構決定了其容錯能力有限，同時存在睡眠電流導致功耗較大，且其壟斷性強開發費用高。LVDS的協議為非完全開放協議，開放性較差，相關連接器復雜而昂貴，同時在信號品質方面的測試成本也非常高。車載以太網中，功能安全和網絡安全是對立關系，目前二者兼顧的完美方案還沒有出現，評價體系也還不完善，需要在長期使用中結合實際用途持續探討。

3 車載總線技術發展趨勢

德國大陸集團提出的汽車總線系統展望中顯示，到2020年左右，MOST、LVDS、FlexRay將有可能被汽車行業淘汰，以太網將在汽車通信上占據半壁江山。雖然不乏OPEN SIG、IEEE、AVNU、AUTOSAR等組織在積極推動車載以太網的發展，但事實證明短期內多種總線技術并存的情形并不會改變。目前異構通信技術之間的必要轉換通過域控制器和中央網關完成，這種基于域的體系結構使車載網絡架構具有更好的可擴展性，而且能夠基于不同總線技術的優勢實現最優的組合方案。此外，在汽車向移動電子終端變化的趨勢下，越來越多的在如工業、消費電子、智能家居等其他領域成熟的通信技術可能會被應用到汽車上，比如MIPI（Mobile Industry Processor Interface）、Byteflight、藍牙等。由此帶來的新型總線技術車輛應用場景分析、不同通信協議相互轉換、整車電子電氣架構設計、關鍵技術測試方法標準制定、配套開發優化組件和測試工具等方面研究的進展，將決定下一代車載總線技術能否作為主干網絡占據主導地位，進而影響企業甚至國家在汽車產業的發展水平。