車載網絡技術現狀及對比分析

2022-08-15 07:33:58李良斐張銀平

農機使用與維修 2022年8期

0 引言

現如今，汽車的功能越來越多，不再是單純的交通工具，其數字媒體、輔助駕駛、主動安全、聯網通訊等輔助功能也不斷出現，推動了整個汽車產業的進步和革新

。相信在不久的將來，機器視覺就能代替駕駛員識別道路信息，智能算法能幫助執行簡單的駕駛操作，而多媒體娛樂設備能夠為出行提供更溫馨舒適的氛圍，汽車會更智能、安全和舒適。

支撐這一切進步和改革的基礎，主要是信息技術的硬件和軟件，這其中很重要的一項是數據通訊，也就是人們常說的車載網絡。最初的汽車設備通訊通過金屬線和繼電器等傳輸，成本高而且穩定性不好

。從20世紀60、70年代，電子元件在汽車中開始使用并且占據的比重越來越大，汽車電子元件占整車成本比從1990年的8%左右，提高到2010年的39%左右，相應的各種車載電子設備的故障診斷、狀態檢測數據也越來越龐大，帶來的數據通訊壓力越來越大

。從20世紀80年代以來，以BOSCH為首的眾多汽車廠商，陸續開發了CAN、LIN、MOST、Ethernet、Flex-Ray等通訊協議，以適應不斷增加的數據傳輸壓力。

現階段，車載網絡采用了多種通訊協議混合，CAN網絡負責總通訊、OBD、電控發動機、ABS等部分，LIN線主要用在車身電器、車窗等低速通訊領域，MOST用來傳遞多媒體數據，Flex-Ray用在主動安全等方面，以太網協議在近幾年被引進到車載網絡中，以期替代CAN作為主干網絡，來滿足毫米波雷達、車聯網等技術對通訊速度的更高要求。

1 CAN協議

CAN(Controller Area Network，控制器域網)規范于ISO11898和ISO11519，2005年以后生產的汽車中，絕大部分都采用了CAN，是目前和未來至少5年內，汽車的主流通訊標準。CAN協議由BOSCH公司開發，20世紀80年代就開始在車上運行，應用于大部分發動機、汽車主動安全系統和部分底盤電控系統及車載電器的網絡通訊中，并被推廣到醫療和工業等領域。

商家回應：么么噠，謝謝思密達，對咱這么高的評價和支持，湯制的獅子頭是根據（春夏秋冬四個季節更換的哦），淮揚菜講究不時不食，也就是每種湯制的獅子頭只售賣3個月哦。

如前文所述，CAN總線的通信速率達不到現代汽車對通訊速率和安全性等方面的要求，因此Charles M.Koziero等專家提出了車載以太網的概念。Bob Metcalfe發明的以太網技術，是一種計算機的局域網技術，從20世紀70年代初次應用于個人局域網以來，經歷了飛速的發展，以其為延伸，澳大利亞的高校制定并規范了無線協議Wi-Fi，規范于IEEE 802.11,是目前最主流的民用網絡通訊手段。經過40多年的發展，現代以太網的傳輸速度非常高，能達到萬兆級別。車載以太網用一對雙絞線進行數據傳輸，與民用的4對雙絞線不同，規范于IEEE 802.3bw，也叫100 BASE-T1標準。該標準可以簡化車輛各控制模塊之間的通訊，進一步優化車身網絡結構，并能夠淘汰一部分使用場景有限的標準，如D2B和Flex-Ray等。

21世紀初，戴姆勒和Vector等公司牽頭成立了Flex-Ray聯盟，制定了該協議，規范于ISO17458標準。采用FTDM(Flexible Time Division Multiple Access)技術。Flex-Ray是基于X-by-Wire總線標準指定的，這一標準原應用于航天系統控制中，因其較高的可靠性和容錯能力，被引進到汽車行業中，同源的標準還有事件觸發協議和Byte-flight協議。Flex-Ray通訊速度可高達10 Mbps，比CAN速度更快，相應成本也更高。Flex-Ray的出現基于汽車主動安全系統中電子線控技術的應用，主要用于汽車底盤的控制中(如線控轉向、線控制動等)，其數據傳送具有靈活性、容錯性和確定性高，時延低等優點，以時間觸發(Time trigger)為主，也兼顧事件觸發，拓撲結構多樣。

CAN 控制器根據CAN_L和CAN_H上的電位差來判斷總線電平，有顯性電平和隱性電平兩種，發送方通過使總線電平發生變化，將消息發送給接收方。顯性電平對應邏輯0，此時CAN_H和CAN_L電位差為2 V左右，隱性電平對應邏輯1，CAN_H和CAN_L電位差為0。在CAN總線的終端有一個120 Ω的電阻，作用是減少回波反射。

為了滿足新技術對通訊速度日益增長的要求，在CAN的基礎上，BOSCH又改進制定了CAN-FD和CAN-XL方案，調整了物理層的結構，結合非破壞性仲裁技術，傳輸速率分別最高到5 Mbps和10 Mbps，字節長度也大大延長，支持最大超過64字節，豐富了報文準確性

。

2 LIN協議

嚴格來說，以太網技術并不是一個協議，而是IEEE 803.2的一系列標準協議簇。車載以太網擁有傳輸速度高(實驗驗證為CAN的12倍左右

)、成本低、低時延、擴展性、兼容性和安全性強等優點，能夠滿足輔助駕駛、主動安全等現代系統的要求。根據OSI標準模型，以太網的每一層都可以添加防火墻及認證加密的機制，例如傳輸層的TLS協議，通過TLS，可以進行TCP/IP的節點認證，報文加密和簽名等，因此安全性更高。

3 MOST總線

MOST(Media Oriented Systems Transport，面向媒體的系統傳輸)主要應用在液晶顯示、組合儀表、CD、影像和導航等設備上，是高速車載網絡技術，可應用于車內和車外類似的多媒體信息傳遞協議還有IEEE1394和D2B等。MOST采用多簇或環形拓撲結構同步數據，負責車內多媒體信息傳遞。現在MOST主要由Mircochip公司更新，從其官網可以免費查閱MOST各個版本的標準文件。

車載以太網還可以更便捷高效地實現車聯網，應用于ECU的遠程刷機、固件升級、行車數據獲取和故障診斷等場景，其數據傳輸速度比傳統的CAN等更快，安全性更高。

那些被自己內在目標驅動的人比較不容易損耗自控力，而認為自己是被迫進行自我控制的人以及那些出于討好和滿足他人需求去行動的人更容易耗盡自控力。

4 Flex-Ray

CAN的硬件結構主要包括控制模塊、CAN controller、收發器和數據線，通過雙絞線進行數據交互，以減少電磁干擾。CAN包含數據幀和遙控幀等5種幀，數據幀由幀起始、仲裁、控制、數據、CRC、ACK和幀結束7個段構成，其報文仲裁、自檢等功能完善

，采用破壞性仲裁技術，高優先級的報文基本上沒有時延。

借助以太網的技術，ISO開發和制定了DoIP(Diagnostic Communication over IP)協議，即ISO 13400。由于Ethernet比CAN和Flex-Ray等傳統通訊方式有更高速率和安全性，從而可在Transport Layer擁有更高的速度，支持更多節點，通過DoIP可以實現更高效的車輛故障預判和診斷，是目前UDS協議的主要研究方向。

Flex-Ray比CAN的通訊方式更復雜，成本也更高，但是其傳輸速度和安全性的提升有限，大部分廠商還是習慣于以CAN為主的架構，而且CAN陣營也不甘示弱，推出的CAN-XL有最高10 Mbit·s

的傳輸速度，足以填補CAN FD和車載以太網之間的空缺，而且完全向下兼容傳統的CAN，而Flex-Ray與Ethernet成本相近但傳輸速度不如后者，所以仍沒有得到很好的推廣。

5 Ethernet

CAN協議完全參照ISO的7層模型制定，包括物理和數據鏈路等層面。11898和11519在物理層不一樣，從而在成本、傳輸效率上有折中，ISO11898通訊速率為1 Mbps，ISO11519-2速率為最高125 Kbps，屬于低CAN，容錯性較好，成本相對較高。

LIN(Local Interconnect Network，局域互聯網)，作為CAN總線的輔助功能，主要用在車窗等不需要高速信號的設備控制上。LIN由汽車廠商合作開發，從2000年左右開始使用，現在采用的版本是LIN2.2，屬于串行總線，傳輸速率低，不超過40 Kbps，硬件上只需要用一根線而不是雙絞線，程序邏輯相比I2C或Modbus更加簡單，與UART一樣，LIN的每個字節中有1個起始位、8個數據位和1個停止位，沒有ACK、仲裁段和CRC段，通過奇偶檢驗位來判斷數據的準確性。LIN是單主多從體系架構，從UART接口通訊，也無需單獨的晶振來同步，非常適合應用于對傳輸速度要求不高的場景中。LIN也有一些缺點，例如傳輸速度低、數據的抗干擾性差等。另外，LIN的節點數不能太多，否則節點帶來的阻抗會影響信號的傳輸，因此，LIN線只能作為CAN網絡的分支。

MOST通過光纜或電纜(MOST25,MOST50,MOST150)傳遞信息，運行速度最高能到50 Mbps，硬件成本高，所以只在部分場景中使用。MOST的時鐘絕對同步，數據的傳輸和提取在發送前明確，所以基本沒有時延。MOST的傳輸線束對環境要求更高，溫度、振動和電磁兼容性等方面都要兼顧，例如，采用光纜傳導時，曲率半徑應不低于25 mm，光纜布置的時候，若光導纖維彎折過度，就會使信號減損。

車載以太網是目前最有希望替代CAN總線的技術，相信在不久的將來，車載以太網會伴隨著智能汽車實現應用。

在對大級別浪形進行劃分后，我們對明年的行情有了個最基本的判斷和掌握。那么我們再來看一下當前的小級別的浪形如何來進行劃分。

6 OBD和UDS

OBD最初是為監控排放相關的系統，由美國和歐洲指定的標準，全稱是Onboard Diagnose，規范于ISO 15031(Road vehicles—Communication between vehicle and external equipment for emissions-related diagnostics)。起初OBD通過K線進行通訊，現在大多經過CAN總線。車載網絡診斷協議現代汽車強制配備的一項功能，用戶和后市場從業人員可以通過OBD通用接口訪問和控制ECU和VCU，進行相應的故障讀取、診斷和功能測試等操作。

與OBD相類似的還有一套基于CAN的車載故障診斷協議UDS(Unified Diagnostic Services)，上述的各類通訊協議互不兼容、各有優劣，汽車制造商為了提高性能和降低成本，在車上都搭載了多種通訊方式，這給OEM(Original Equipment Manufacture)和下游的廠商增加了很多不必要的成本，隨著技術的發展，這種情況可能會越來越嚴重。UDS的出現就是為解決這個問題，它把各種通訊協議和原理匯編為一個ISO標準。在OSI模型的七層中，UDS定義了基于各種協議的應用，如圖1所示，涵蓋了CAN、Flex-Ray和Ethernet等主流通訊方式，通常來講，排放相關的車輛是需要同時支持以上幾種協議的。

《中國移動互聯網發展報告(2017)》藍皮書調查數據顯示，我國移動互聯網用戶規模連續三年保持11%左右增長率。2016年一季度，移動端閱讀人數較桌面電腦端多2 000萬人。隨著移動通信技術的研發與應用，主流移動手機終端己具備流暢接收與處理圖片、音頻、視頻等多媒體資源的能力。人們可以不受時空限制獲取信息，學習形式呈現碎片化特點，移動學習(M-Learning)興起。移動學習是利用無線網絡技術，通過智能手機、個人數字助理PDA等無線移動通信設備獲取教育信息、教育資源和教育服務的一種新型數字化學習形式[2]。

7 其他類型的車載網絡傳輸協議

車載網絡的通訊手段種類繁多，很多廠商為此付出了大量努力，也有一些標準曾經風靡一時又逐漸被淘汰，這其中應用最多的是K線，但是K線通訊速率太低，無法滿足目前車載網絡的需求，已被逐步淘汰。

SAE也推出了一種汽車傳感器與 ECU 通信的新標準SAE J2716，簡稱SENT(Single Edge Nibble Transmission，單邊半波傳輸)。該標準具有成本低、邏輯簡單且抗干擾等優勢，但是SENT是連續單向傳輸，因此應用范圍有限。奧托立夫和BOSCH等公司還協同制訂了PSI5協議，該協議硬件成本低，抗干擾性好，主要應用在外設氣囊等安全部件上。

由旅游外語系教師管理，并聘請前廳和客房經理負責公寓的運營，下設“接待服務部”負責日常管理運行，并配備了穩定的勤工助學隊伍。

（2）問卷調查：可用于小組成員之間的自評、互評，同時教師也可對本組學生的表現進行綜合評價，多采用自行設計問卷，涉及對教學形式的態度、在本次教學中的投入和參與程度、學習效果、能力的提高、評判性思維、分享精神、教師的作用、PBL教案評價等方面[10]。

還有一些已經基本銷聲匿跡的網絡通訊手段，例如UART、通用的E&C、克萊斯勒的CCD、福特的ACP和豐田的BEAN等，還有諸如藍牙、IEEE 802.11、Safety Bus、IDB和物聯網等應用不是特別廣泛的協議。目前，藍牙主要應用在音樂等場景中，基于Wi-Fi和物聯網的協議應用也并不多，不過其在Car-Play等車載軟件應用中很有前景，可以實現安全高效的手機車輛通訊、車聯網，甚至取代傳統的汽車鑰匙來控制車輛。或許在不久的將來，隨著車載以太網的發展和安全性的提高，這會是最有潛力的協議之一。

8 結語

總體來看，目前的車載網絡技術種類繁多，標準各異，車載網絡的標準制定和推廣任重道遠，既要考慮傳輸效率和抗干擾能力，又要兼顧安全性、成本等諸多因素。車輛網、車輛大數據平臺、智能輔助駕駛等技術已經是大勢所趨，在這個群雄紛爭的領域，相信時代會大浪淘沙，留下最適合汽車的車載通訊黃金標準，也相信我們國家的汽車行業和高校會在后續的標準制定和推廣中，做出不可磨滅的貢獻。

[1] 白洋.下一代汽車車載網絡中以太網技術的性能研究[D].長沙：湖南大學,2016.

[2] 于晨斯.現代汽車車載網絡技術應用探析[J].科技資訊,2015:11.

[3] 魯松濤.基于Internet的汽車電子遠程診斷技術研究[D].南京：南京航空航天大學,2004.

[4] 張海逢.基于CAN總線的車輛數據采集與遠程監控系統研發[D].重慶：重慶大學, 2019.

[5] Charles M.Kozierok, Colt Correa, et al.Automotive ethernet-the definitive guide[M].IntrepidCS.com.2014:77-105.

[6] 張莉,林琳.基于Ethernet的車載BootLoader設計與實現[C]//第19屆亞太汽車工程年會暨2017中國汽車工程學會年會論文集,2017:952-955.