車載網絡總線應用淺析

【摘 要】車載網絡的應用不僅提升了汽車的電子化和智能化水平，還為駕駛者提供了更加安全、舒適、智能和便捷的駕駛體驗。文章對主流的車載網絡CAN/CANFD、LIN、MOST、LVDS總線、車載以太網的應用做簡單介紹。

【關鍵詞】車載網絡;汽車通信;車載以太網;CAN/CANFD;LIN

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）11-0054-04

Analysis on the Application of Vehicle Network Bus

【Abstract】The application of vehicle network not only improves the electronic and intelligent level of cars，but also provides drivers with a safer，more comfortable，intelligent and convenient driving experience.This paper briefly introduces the application of the mainstream vehicle network CAN/CANFD，LIN，MOST，LVDS bus and Automotive Ethernet.

【Key words】vehicle network;automobile communication;automotive ethernet;CAN/CANFD;LIN

伴隨著汽車電動化、網聯化、智能化和共享化的發展需求和電子通信技術的不斷進步，目前車載網絡總線更加高效、智能和互聯。車載網絡的應用主要通過提高通信速度、增加數據傳輸量、降低時延、簡化線路、減少故障率和提升售后檢修的便利性來助力實現汽車新四化的需求。本文從各主流車載網絡總線的特點出發，結合其在汽車上的應用，對車載網絡總線的現狀和發展趨勢進行簡單的分析。

1 主流車載網絡總線介紹

車型開發基于車輛安全性、舒適性、智能性、娛樂性及駕駛性能的需求，目前車載網絡架構設計中存在的車載網絡總線類型有LIN、CAN/CANFD、LVDS、MOST、FlexRay、車載以太網，各網絡總線簡介如下。

1）LIN總線是車載最早的通信協議之一，通信速率較慢，一般應用在局部或私有系統中[1]，是一種采用單主多從方式的低成本串行通信網絡。使用LIN總線降低了汽車ECU的開發及生產成本，補充了CAN總線的不足。

2）CAN/CANFD總線是車內常用的通信協議，被廣泛使用在整車公共網絡中。它具有較高的通信速率、較小的數據量和較強的抗干擾能力等特點，且在通信嚴重出錯時具有自動關閉總線（BUS OFF）功能[2]。

3）FlexRay總線是車載實時控制的高帶寬通信總線，一般應用于高速通信的線控技術，且支持分布式控制，具有傳輸速率高、支持多種總線拓撲結構、通信數據容錯能力強的特點[4]。

4）MOST總線是一種利用光脈沖傳輸數據且專門針對車內使用而開發，用于多媒體通信的數據總線技術。MOST總線采用環形結構，在環形總線內只能朝著一個方向傳輸數據。MOST50采用塑料光纖，提供50Mb/s帶寬。最新的MOST150可以提供150M帶寬，以其高速、抗干擾、靈活等優勢，適應數據傳輸量大、傳輸速度快、格式多樣化的車載多媒體網絡。

5）LVDS總線采用了較厚的屏蔽層和接插件設計來滿足汽車EMC的性能要求，使得線束較重且造價較貴，目前車內主要應用在監控攝像頭及高清視頻數據傳輸。

6）車載以太網基于100BASE-Tx和100/1000BASE-T1的雙絞線實現車內的百兆/千兆高速通信。因其開放性、兼容性架構，易于將應用程序嵌入到拓撲架構中。端口帶寬獨享，不存在仲裁機制，同時開放的以太網標準促使車載以太網流程更加規范。通信架構主要基于TCP/IP協議、AVB/TSN協議，應用層主要使用DoIP、SOME/IP、DDS等協議[8]。

主流車載網絡的通信速率對比如圖1所示，其各項性能參數對比見表1。

2 車載網絡應用淺析

2.1 LIN總線應用

因為LIN總線的通信速率較慢，所以應用在數據量較少且通信簡單的ECU系統中，主要用于防夾電機、天窗、光雨量傳感器、氛圍燈、多功能方向盤、液冷多通閥及PTC加熱等功能較為簡單的場景中。例如：車內氛圍燈系統將儀表臺、車門、座椅的氛圍燈通過LIN總線與主節點BCM進行通信，實現整車的氛圍燈控制;AC空調系統中相關的傳感器或執行器可以通過LIN總線與AC進行通信[1];天窗系統中天窗開關和天窗防夾模塊等都可以作為LIN節點與BCM進行通信，實現開關和防夾功能;車燈雨刮系統中光雨量傳感器采用LIN總線與BCM進行通信，實現自動雨刮和自動車燈功能。

2.2 CAN/CANFD總線應用

CAN總線的應用很廣，可以應用在低端車型公共網段或者中高端車型的部分私有網段。例如在公共網段中發動機與變速器控制模塊之間的扭矩交互，BCM和PEPS關于門鎖控制的交互等。在私有網段中，部分控制器的傳感器或執行器僅在系統內部通信，不需要與整車ECU進行通信，可采用私有CAN協議。在診斷通信上，整車診斷采用CAN總線來實現ECU與診斷儀之間的診斷通信。

CANFD總線由于有效載荷增加到64Byte，主要應用在中高端車型對負載率要求較高的動力網段、智駕網段、底盤網段和安全網段。目前ADAS方案采用CANFD通信，可以增加毫米波雷達、超聲波雷達、攝像頭與ADAS控制器之間更多的信號交互來實現信息融合。基于信息安全方面考慮，如果采用傳統CAN總線8Byte的數據載荷來增加密文會導致帶寬的浪費，但是CANFD有效數據載荷達到64Byte可以輕松實現加密通信。

2.3 MOST總線應用

MOST在制訂上參考了ISO/OSI的7層模型，主要采用環狀拓撲進行網絡連接，每套MOST傳控網絡允許最多64Byte的連接[3]。MOST主要應用在多媒體系統中的音視頻信息傳輸，實現了娛樂信息的共享。因為MOST的通信介質為光纖且芯片成本較高，目前只有國外高端車型使用，隨著車載以太網技術的使用，MOST總線將逐步被淘汰。

2.4 FlexRay總線應用

FlexRay總線最早由BMW推動，由多個主機廠組成FlexRay聯盟。FlexRay應用場景主要為車內不同域之間通信的主干網絡。國外高端車型使用較多，寶馬在其X5和7系車型中的動力和底盤系統都有使用FlexRay總線。奧迪在A8車型的自動駕駛系統和底盤系統中也局部使用了FlexRay總線通信[7]。因全球應用普及度不高且早期只有高端車型使用，導致FlexRay總線芯片成本較高，所以并沒有完全推廣開，在北美和歐洲短暫盛行過一段時間后趨于平常，國內主要有吉利基于沃爾沃的技術平臺有所使用。因為FlexRay芯片供應商少，使用成本高價格，目前有被以太網取代的可能性。

2.5 LVDS應用

LVDS主要集中在用于駕駛支持（電子后視鏡、泊車距離控制、超視距顯示）的視頻顯示系統、車載娛樂系統等，這些應用要求高速數據傳輸，以滿足圖像傳遞的要求[5]。LVDS目前主要應用在中低端未采用車載以太網作為主干網的車型中，但是隨著使用車載以太網作為主干網以及AVB/TSN協議的使用，低成本和輕量化程度更優的車載以太網通信方案將逐步取代LVDS。

2.6 車載以太網應用

車載以太網是一種專為汽車內部通信而設計的網絡技術，它基于傳統以太網標準進行改進和優化，以滿足汽車行業中對高帶寬、低時延和高可靠性的要求。車載以太網應用層協議主要包括UDPNM、Some/IP和SOME/IP-SD、DoIP，以及傳統以太網通用的DHCP、TCP、UDP、ICMP、ARP和AVB/TSN等協議。各協議的特點和車載應用場景見表2。

車載以太網的應用主要有以下4個方面。

1）作為網絡拓撲的主干網。隨著電子電氣架構發展趨勢（圖2）由分布式往域集中式、中央集中式的技術方向發展，將車載以太網作為車內主干網將成為高端車型發展的大趨勢。車載以太網作為主干網可以使得各個域控制器實現大數據量低時延、高可靠通信。2023年上市的嵐圖追光車型成為國內首款采用SOA中央集中式電子電氣架構的量產車。

2）用于大文件的診斷刷寫。隨著高級別智能駕駛的需求不斷提高，智駕系統的刷寫文件包大小也早已達到了GB的量級，傳統的CAN/CANFD總線刷寫無法滿足時效性要求，基于車載以太網DoIP協議的刷寫能完美滿足此需求，并且智能網聯車型的OTA升級需求也是促使整車廠使用車載以太網的重要因素。診斷刷寫連接方案如圖3所示。

3）在影音娛樂系統中使用。隨著用戶對汽車影音娛樂、導航信息同步、多屏互動和云端互聯體驗需求的不斷提升，高清音視頻傳輸成為車載網絡的重要需求。車載以太網以其高帶寬和低時延的特性，能夠輕松應對高清媒體內容的傳輸要求，為乘客提供流暢、高品質的娛樂體驗。此外，車載以太網還支持智能座艙的功能，使駕駛者能夠通過語音指令控制車輛和娛樂系統，提升駕駛便利性和舒適性。

4）在主動安全系統中使用。車載以太網在車輛控制和安全系統中的應用也日益廣泛。通過高精度、高可靠、高速率的數據傳輸，車載以太網能夠實現車輛各系統之間的協同工作，提高車輛穩定性和安全性。例如，在智能駕駛系統中，車載以太網通過V2X技術支持車輛與環境、其他車輛以及道路基礎設施之間的實時信息交換以及多種傳感器數據的信息融合處理，為智駕控制器提供全面的感知能力。車載以太網通過TSN技術能夠確保傳感器、控制器和執行器之間的實時通信，為車輛提供準確的感知和決策支持。

3 車載網絡發展趨勢及各網絡總線通信交互方式

隨著汽車電子技術發展，高端車型網絡架構設計將朝著車載以太網作為主干網，CAN/CANFD作為域內通信網絡，LIN實現局部通信的方向發展。中低端車型網絡架構從成本考慮，近期仍將采用CAN/CANFD作為主干網和域內通信網絡，LIN實現局部通信，LVDS滿足音視頻傳輸通信，智駕控制器采用以太網DoIP協議刷寫的設計。如圖4所示。

基于SOA的車載網絡總線之間的通信交換主要有以下方式。

1）車載以太網端口間的純SOME/IP服務報文交互，此類通信將有服務需求的以太網端口依據SOME/IP通信矩陣中的服務定義來明確服務報文的發送和調用關系。

2）車載以太網端口與CAN/CANFD/LIN節點之間的通信使用UDP協議封裝CAN/CANFD/LIN報文信號，通過開發車載以太網CAN/CANFD/LIN通信表和車載以太網PDU路由規范將其打包成的SOME/IP服務報文來實現通信交互。

3）CAN/CANFD節點間的通信通過開發CAN通信矩陣和網關路由表來明確通信關系。

4）CAN/CANFD與LIN節點間的通信通過開發CAN/CANFD-LIN網關通信路由表明確通信關系。

4 結束語

隨著智能駕駛、智能座艙和智能網聯技術的不斷發展，結合電子電氣架構發展趨勢，車載網絡總線的發展將朝著車載以太網作為主干網，輔以LIN和CAN/CANFD總線作為局部網絡的方向。以太網技術的發展也將進一步推動智能電動汽車技術的發展，使得具備自動駕駛功能的智能車輛，不久將成為人們生活中的一部分[6]。然而，車載以太網技術在應用過程中仍面臨著網絡安全、兼容性、成本等挑戰，需要不斷優化和完善。

參考文獻：

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