1.2.2 車載通信與總線技術(shù)

1.導(dǎo)線傳遞信號(hào)的時(shí)代

汽車線束又被稱為汽車神經(jīng)，是汽車傳送電氣信號(hào)的載體，它由電線、接插件和外部包扎及其他器件組成。為了區(qū)分不同導(dǎo)線的功能，1937年彩色汽車導(dǎo)線第一次被應(yīng)用到汽車上。

這里以制動(dòng)燈為例，說明在用導(dǎo)線傳遞信號(hào)的時(shí)代如何實(shí)現(xiàn)制動(dòng)燈隨制動(dòng)踏板自動(dòng)亮起的功能。制動(dòng)燈（20世紀(jì)40年代后期出現(xiàn)）及高位制動(dòng)燈（20世紀(jì)60年代后期出現(xiàn)）是陸續(xù)被發(fā)明和應(yīng)用的電器，它能有效預(yù)警后方汽車前方車輛的狀態(tài)，避免追尾事故。在圖1-5中，ON檔位開關(guān)聯(lián)通的時(shí)候表示車輛運(yùn)行中，此時(shí)如果制動(dòng)踏板踩下實(shí)施制動(dòng)，開關(guān)閉合，那么制動(dòng)燈亮起。由于檔位ON開關(guān)、制動(dòng)開關(guān)、制動(dòng)燈分別位于儀表臺(tái)前側(cè)、乘員艙底部、整車尾部外側(cè)及發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，為了完成該功能，需要用到四根導(dǎo)線及至少4個(gè)接插件（當(dāng)然還沒考慮電器盒、熔絲等）。

電器之間在功能上或工作狀態(tài)上往往存在著各種關(guān)系，比如聯(lián)動(dòng)關(guān)系、制約關(guān)系、互斥關(guān)系等等。通過導(dǎo)線的連接、分配器和繼電器等電器來實(shí)現(xiàn)“與”“或”“非”等各種邏輯，完成電器之間的相互協(xié)調(diào)工作。

由于新電器、新應(yīng)用的出現(xiàn)，從20世紀(jì)80年代開始，汽車內(nèi)部線束數(shù)量開始出現(xiàn)跳躍式增長。據(jù)估計(jì)，在2000年一輛高檔汽車已經(jīng)擁有多達(dá)400多個(gè)接插件和多達(dá)3000個(gè)接線端子，一輛普通高檔汽車其電纜總長度達(dá)到了1500～2000m。Gabriel統(tǒng)計(jì)了自汽車發(fā)明以來至2000年車內(nèi)平均使用連線總長度的增長，如圖1-6所示。

汽車導(dǎo)線和接插件經(jīng)常引起失效故障，據(jù)德國一家研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，車上電氣系統(tǒng)30%～60%的失效源于線束中的接插件。

2.早期的多路復(fù)用技術(shù)

多路復(fù)用技術(shù)（Multiplexing Technology）的目的就是用一條信號(hào)通道傳遞多個(gè)信號(hào)，代替以前使用導(dǎo)線來傳遞信號(hào)的方式，也稱為車載總線技術(shù)。車載總線技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的早期，各個(gè)汽車生產(chǎn)廠家并沒有遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而是各自獨(dú)立開發(fā)。如二十世紀(jì)八、九十年代，各個(gè)汽車廠家以不同的定義和規(guī)格，各自發(fā)展出如圖1-7所示的車載通信技術(shù)。由于早期的車載總線技術(shù)互不兼容，極大地制約了技術(shù)的普及和推廣。

這其中比較著名的有博世公司的CAN總線、美國汽車工程師協(xié)會(huì)制定的J1850總線、國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定的VAN總線、飛利浦公司的D2B總線、LIN協(xié)會(huì)的LIN總線等多種總線標(biāo)準(zhǔn)。為方便研究和設(shè)計(jì)使用，美國汽車工程師協(xié)會(huì)將車載總線根據(jù)速率劃分為A、B、C三類，如表1-4所示。

3.低速總線技術(shù)

A類總線的特點(diǎn)是電磁兼容性較好、成本低，主要包括通用汽車公司制定的UART總線、原克萊斯勒公司制定的CCD總線、豐田公司的BEAN總線、福特公司的ACP和UBP總線以及維也納工業(yè)大學(xué)制定的TTP/A總線。

LIN是1999年由LIN協(xié)會(huì)共同努力下推出的，用于汽車分布式電控系統(tǒng)的開放式的低成本串行通信標(biāo)準(zhǔn)。LIN是一種基于UART的數(shù)據(jù)格式、主從結(jié)構(gòu)的單線12V的總線通信系統(tǒng)，主要用于智能傳感器和執(zhí)行器的串行通信。2001年梅賽德斯-奔馳公司率先在SL級(jí)轎車上使用了LIN總線，LIN總線事實(shí)上已成為A類網(wǎng)絡(luò)的主流。

4.中速總線技術(shù)

B類總線具有中等速率的數(shù)據(jù)傳輸能力以及較好的電磁兼容性，包括美國汽車制造商采用的J1850總線、歐洲雷諾、標(biāo)致公司采用的VAN總線和低速CAN總線等。SAE的J1850總線有41.6kbit/s雙線差分脈寬調(diào)制和10.4kbit/s單線可變脈沖寬度兩種類型，總線最長可達(dá)35m，驅(qū)動(dòng)32個(gè)節(jié)點(diǎn)，主要用于故障診斷和車載信息共享，被用在美國福特公司、通用公司以及克萊斯勒公司的汽車中。1994年SAE正式將J1850作為B類網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。但J1850并不是一個(gè)單一標(biāo)準(zhǔn)，福特公司采用的J1850標(biāo)準(zhǔn)，其物理層與通用公司和克萊斯勒公司使用的不同，而通用公司和克萊斯勒公司在相同的物理層上又使用不同的數(shù)據(jù)幀格式。CAN總線是德國博世公司從20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1Mbit/s。1991年博世公司正式頒布了CAN技術(shù)規(guī)范。1993年11月ISO正式頒布了ISO11898，為CAN的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化鋪平了道路。此后，越來越多的北美和日本汽車公司也開始采用CAN。1994年美國汽車工程師協(xié)會(huì)貨車和大客車控制通信協(xié)會(huì)選擇CAN作為SAEJ1939標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。低速CAN還發(fā)展出一種具有容錯(cuò)功能的協(xié)議規(guī)范，在汽車應(yīng)用中可靠性大大增加。由于CAN總線具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)成為B類和C類網(wǎng)絡(luò)的主流和標(biāo)準(zhǔn)。

5.高速總線技術(shù)

C類標(biāo)準(zhǔn)主要用于與汽車安全相關(guān)、實(shí)時(shí)性要求比較高的地方，如傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)，所以其傳輸速率比較高，通常在125kbit/s到1Mbit/s之間。C類網(wǎng)絡(luò)中的主要協(xié)議包括高速CAN（ISO11898-2）、TTP/C、FlexRay、ByteFlight、車載以太網(wǎng)等協(xié)議。

TTP/C協(xié)議由維也納工業(yè)大學(xué)研發(fā)，基于TDMA的訪問方式。TTP/C是一個(gè)應(yīng)用于分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的完整的通信協(xié)議，它能夠支持多種的容錯(cuò)策略，提供了容錯(cuò)的時(shí)間同步以及廣泛的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，同時(shí)還提供了節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)和再整合功能。其采用光纖傳輸?shù)墓こ袒瘶悠匪俣葘⑦_(dá)到25Mbit/s。TTP/C支持時(shí)間和事件觸發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸。

FlexRay是寶馬、梅賽德斯-奔馳、Motorola和Philips等公司制定的功能強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，基于FTDMA的確定性訪問方式，具有容錯(cuò)功能及確定的通信傳輸時(shí)間，同時(shí)支持事件觸發(fā)與時(shí)間觸發(fā)通信，具備高速率通信能力。FlexRay采用冗余備份的辦法，對(duì)高速設(shè)備可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式連接，構(gòu)成星型結(jié)構(gòu)，對(duì)低速網(wǎng)絡(luò)可以采用類似CAN總線的方式連接。

ByteFlight是由寶馬主導(dǎo)推出的高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，其位數(shù)率高達(dá)10Mbit/s數(shù)據(jù)更新率可達(dá)4kHz。為了抑制電磁干擾，ByteFlight采用了光纜作為傳輸媒介。ByteFlight主要是面向安全氣囊系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，還可用于X-by-Wire系統(tǒng)的通信和控制。

車載以太網(wǎng)初衷是希望滿足汽車行業(yè)對(duì)帶寬、延遲、同步、干擾、安全性和網(wǎng)絡(luò)管理等方面的要求，是近幾年流行起來的一種車用有線通信網(wǎng)絡(luò)。最早在2004年寶馬公司考慮采用博通公司（Broadcom）的以太網(wǎng)技術(shù)，并于2008年在寶馬7系上成功量產(chǎn)，其中關(guān)鍵點(diǎn)在于博通公司的單對(duì)非屏蔽以太網(wǎng)全雙工技術(shù)，保證EMC測(cè)試全部成功。2013年BroadR-Reach技術(shù)成功在寶馬環(huán)視系統(tǒng)中應(yīng)用。近年來，由著名汽車整車廠與供應(yīng)商組成的OPENAlliance SIG相繼發(fā)布了TC8（車載以太網(wǎng)ECU測(cè)試規(guī)范），以及TC10（車載以太網(wǎng)休眠喚醒規(guī)范）。

6.車載總線協(xié)議結(jié)構(gòu)

相對(duì)于CAN的3層結(jié)構(gòu)（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層），車載以太網(wǎng)協(xié)議是一組具有5層結(jié)構(gòu)的協(xié)議系統(tǒng)，從下到上分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。5層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于OSI參考模型，并且提供了各種協(xié)議框架下形成的協(xié)議簇及高層應(yīng)用程序，區(qū)別于傳統(tǒng)以太網(wǎng)，車載以太網(wǎng)的協(xié)議架構(gòu)如圖1-8所示。

以太網(wǎng)的物理層（BroadR-Reach，Layer1）采用差分電壓實(shí)現(xiàn)，單對(duì)雙絞線可實(shí)現(xiàn)100Mbit/s通信速率，因?yàn)閭鬏斔俾矢撸瑢?duì)物理層一致性測(cè)試要求更嚴(yán)格。

數(shù)據(jù)鏈路層（MAC + VLAN Layer）為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路及虛擬局域網(wǎng)控制協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層可細(xì)分為邏輯鏈接控制（Logic Link Control，LLC）以及媒介訪問控制（Media Access Control，MAC）兩個(gè)層級(jí)。此兩層級(jí)定義與作用如下：LLC層負(fù)責(zé)向上層提供服務(wù)，管理數(shù)據(jù)鏈路通信，鏈接尋址定義等，與所用物理介質(zhì)沒有關(guān)系；MAC層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)幀的封裝，總線訪問方式，尋址方式以及差錯(cuò)控制等，MAC層的存在則可以使得上層軟件與所用物理鏈路完全隔離，保證了MAC層的統(tǒng)一性。其中LLC子層的服務(wù)在IEEE 802.2 LAN協(xié)議中有所定義，MAC層的主要功能則在IEEE 802.3中有定義，并采用CSMA/CD訪問控制方式，一般MAC層協(xié)議在俗稱的“網(wǎng)卡”中實(shí)現(xiàn)，MAC層完整的幀格式如圖1-9所示。

特別說明一下，如圖1-9所示，“VLAN Tag”字段可選，當(dāng)沒有VLAN Flag則為基本MAC幀，當(dāng)存在該字段時(shí)，則為VLAN MAC幀，即MAC幀可分為基本MAC幀（無VLAN）和標(biāo)記MAC幀（包括VLAN）兩種。其中“類型”字段通常可以為以下幾種類型，且該類型列表由IEEE組織來維護(hù)，表1-5列舉了車載以太網(wǎng)領(lǐng)域常用的Ethernet Type。

網(wǎng)絡(luò)層就是IP協(xié)議所在的層級(jí)，IP協(xié)議可以分為IPV4以及IPV6，常用的主要是IPV4，IP協(xié)議的主要作用就是基于IP地址轉(zhuǎn)發(fā)分包數(shù)據(jù)。同時(shí)IP也是一種分組交換協(xié)議，但是IP卻不具備自動(dòng)重發(fā)機(jī)制，即使數(shù)據(jù)沒有達(dá)到目的地也不會(huì)進(jìn)行重發(fā)，所以IP協(xié)議屬于非可靠性協(xié)議。車載以太網(wǎng)主要使用IPV4協(xié)議，同時(shí)由于該協(xié)議也屬于傳統(tǒng)以太網(wǎng)范疇，所以不會(huì)對(duì)該模塊做過多細(xì)節(jié)性闡述。

傳輸層還是基于TCP/IP協(xié)議簇，主要負(fù)責(zé)主機(jī)到主機(jī)之間的端到端通信。TCP/IP兩個(gè)關(guān)鍵的傳輸協(xié)議為用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）和傳輸控制協(xié)議（TCP），TCP/UDP作為傳統(tǒng)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在這里同樣不做過多展開。

傳輸層之上是應(yīng)用層協(xié)議，它是用戶與網(wǎng)絡(luò)的交互界面，負(fù)責(zé)處理網(wǎng)絡(luò)特定的細(xì)節(jié)信息覆蓋了OSI參考模型的第5層至第7層。應(yīng)用層可根據(jù)用戶需求為用戶提供多種應(yīng)用協(xié)議，如超文本傳輸協(xié)議（HTTP）、通信控制（SOME/IP）、服務(wù)發(fā)現(xiàn)（Service Discovery）、動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）、流媒體服務(wù)（Stream Media Service）、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、連接管理和控制協(xié)議（IEEE 1722.1 AVDECC）等。