汽车总线协议的形势判断

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        本文详细比较了现有几类主流汽车总线系统的特点。这些比较将有助于界定下一代高安全性、高容错性的分布式汽车通信网络标准。

汽车总线协议 

        随着汽车功能的不断增加、可靠性要求的不断提高以及价格的不断下降,越来越多的电子控制单元(ECU)将被引入到汽车中。目前,在高端汽车中一般会有50个以上的ECU。为了使这些ECU能够在一个共同的环境下协调工作,也为了进一步降低成本,人们设计了针对汽车通信网络的总线协议。 

        一般来说,汽车通信网络可以划分为四个不同的领域,每个领域都有其独特的要求。现有的主流汽车总线协议都无法适应所有的要求: 

        信息娱乐系统:此领域的通信要求高速率和高带宽,有时会是无线传输,目前主流应用协议有MOST,正在推出的还有IDB-1394等; 

        高安全的线控系统(X-By-Wire):由于此领域涉及安全性很高的刹车和导向系统,所以它的通信要求高容错性、高可靠性和高实时性。可以考虑的协议有TTCAN、FlexRay、TTP等;

车身控制系统:在这个领域CAN协议已经有了二十多年的应用积累,其中包括传统的车身控制和传动装置控制; 

        低端控制系统:此系统包括那些仅需要简单串行通信的ECU,比如控制后视镜和车门的智能传感器以及激励器等,这应该是LIN总线最适合的应用领域。 

        其中,控制器局域网(CAN)是最有名的、也是最早成为国际标准的汽车总线协议。CAN协议是串行协议,能够有效地支持具有高安全等级的分布实时系统。CAN是一个多主机系统,所以它设计了高效率的仲裁机制来解决传输冲突问题,具有高优先级的系统总能优先得到总线的使用权。CAN还同时使用了其它一些防错手段,能够判断出错的节点并及时关闭之,这样就在很大程度上保证了总线的可靠性。CAN的传输速率和总线长度相关,最高可以到1Mbps,一般车内使用的速率是500Kbps到200Kbps。 

        CAN多年来作为车身控制的主干网已经形成了从IC设计到软件开发和测试验证的完整产业链,而且它还将在新的汽车主干网行业标准确立之前一直充当这一角色。 

        在车内,还有许多ECU的控制并不需要CAN这样高速率和高安全的通信,本地互联网络(LIN)就是为适应这类应用而设计的低成本解决方案。LIN是一个公开的协议,它基于SCI(UART)串行通信的格式,结合了汽车应用的特点。LIN是单一主机系统,不但降低了硬件成本,而且在软件和系统设计上也能更容易地兼容其它网络协议,比如CAN。LIN的传输速率最高可到20Kbps,主要是受到EMI和时钟同步的限制。 

        由于LIN器件易得??几乎所有的IC都带有SCI(UART)接口,LIN很快就在车内低端控制器领域取得领先地位。典型的LIN应用有车门、后视镜、导向轮、马达、照明以及其它智能传感器。LIN不但定义了物理层和数据层,还定义了相关的应用软件层。这些都为LIN方案提供商解决了设备兼容的问题,很有利于汽车工业的规模生产。相信LIN协议会是汽车低端控制网络的未来标准。 

        车内除了嵌入式控制系统以外,还有诸如媒体播放器、导航系统、无线通信系统以及其他多种信息娱乐设备,这些设备之间的互连需要更高速的通信协议。媒体导向系统传输协议(MOST)是目前车载信息娱乐系统普遍接受的高速通信协议。MOST基于ISO/OSI七层网络模型设计,物理层由光纤通信组件构成,具有很好的抗干扰性,设计传输速率可达150Mbps(目前产品可达25Mbps)。除了控制数据外,MOST数据可分为同步传输数据和异步传输数据,具有很大的灵活性??同步数据可直接用于音视频设备,异步数据可用于传输其它数据块,如导航地图数据等,甚至也可用于支持TCP/IP数据包的传输。MOST还定义了应用层,包括MOST设备、功能块、功能函数以及参数格式等等,这些协议可以确保各个厂家生产的设备具有MOST互联性,也有利于车内信息娱乐设备的及时更新换代。 

        IDB-1394是从IEEE 1394标准演化而来的另一种支持车内信息娱乐系统的高速通信协议。IDB-1394可以达到400Mbps或更高的传输速率,而且IEEE 1394也是一种很成熟的通信协议,已经有很多设备支持。这些都是IDB-1394的优势,然而由于MOST受到更多厂商的支持,包括一些软件开发商的支持,可以预计MOST将会在汽车工业中进一步扩张势力。 

        汽车线控系统,按照汽车工程师社团(SAE)的定义,需要一个安全等级为C的通信网络架构。如果要实现一个完全的线控汽车,没有传统的机械或液压系统作备份,不但要对传统的机械和液压单元作创新性的ECU替代,而且传统的CAN总线系统也不再适用。CAN的本质是一种事件驱动的协议,在高安全性的系统中,CAN缺乏必要的决定性、同步性和容错性。 

        因此人们开始为线控汽车设计满足安全性要求的新一代汽车主干通信网络。TTCAN、FlexRay和TTP就是其中的主要代表,它们无一例外地都采用了时间驱动的机制。在时间驱动的系统里,信息的发送由预先设立好的时间表确定,所有的节点都知道什莫时间该发送,什莫时间该收取;信息收发的不确定性仅仅是时间同步的误差,而这个误差通常可以控制在非常小的范围内。这一特点使时间驱动的通信网络成为线控汽车通信网络的必然选择。 

        TTCAN由CAN发展而来,数据格式和CAN兼容。它定义了一个时间周期,在此周期内又有多个时间间隔,有些时间间隔专用于特定的网络节点(无需仲裁),其余间隔类似普通的CAN协议。其特点是保留了和传统CAN网络的兼容,同时又具有时间驱动的优点。然而,TTCAN不能提供比CAN更高的传输速率,在容错性方面也没有明确的设计说明。 

        FlexRay协议将其时间周期分为静态段和动态段两个部分。静态段采用TDMA方式传输时间驱动类型的数据,动态段采用Mini-Slot方式传输事件驱动类型的数据。在安全性方面,FlexRay采用冗余通道的方式确保数据正确传输,而其它的容错机制并没有直接在协议中明确说明,而交由应用提供者自己设计。这种方法有很大的设计灵活性,然而会由此产生安全隐患以及兼容性问题。 

        TTP协议对所有的节点采用TDMA的网络通道分配方式,即所有节点在一个周期内都会传输数据至少一次。整个系统采用统一的时间标准,所有的节点都存有预先定义的时间表,一旦传输数据和时间表发生冲突则认为节点错误。只要一个节点有一次错误,那末该节点将退出通信网络,确保网络不受错误节点的干扰。TTP将网络成员检查服务也定义在协议中,确保网络中没有可疑的节点。这些虽然限制了该协议的灵活性,但确保了它的高安全性。

TTCAN、FlexRay和TTP三种协议在其它方面的比较 

        可以看到TTCAN由于受到带宽等的限制,将不会在下一代线控汽车主干网中占有主导地位。FlexRay和TTP都可以使用虚拟CAN通道技术来兼容现有的CAN网络和器件,而两者在安全性和灵活性方面各有优缺点。因为汽车工业的规模化和线控器件的兼容性,双标准并存的状况一定会影响下一代线控汽车的发展。虽然有研究表明TTP节点会具有更低的制造和实现成本,而且TTP也已经在汽车和航空业中得到应用,但是推广FlexRay的企业巨头的影响力决不容忽视。或许下一代汽车通信主干网的决定因素不是技术而是政治。

本文小结

本文通过讨论汽车网络协议,如CAN、LIN、MOST、IDB-1394、TTCAN、FlexRay和TTP等,分析了下一代汽车网络的发展趋势。希望这一讨论能够为正在蓬勃发展的中国汽车制造业以及汽车配件制造业提供一些借鉴。
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