車輛中的網(wǎng)絡技術

1、車輛中的網(wǎng)絡技術摘要：本文從系統(tǒng)成本，數(shù)據(jù)傳輸能力和容錯能力三個角度，對五種最廣泛使用的車載網(wǎng)絡進行了綜合調(diào)查。本文回顧了每個網(wǎng)絡的利弊，并確定了提高服務質量的可能方法。此外，該調(diào)查的結論突出了車載網(wǎng)絡技術未來發(fā)展的趨勢。關鍵詞：車載網(wǎng)絡；系統(tǒng)成本；傳輸容量；容錯。1.引言汽車電子技術的飛速發(fā)展，使汽車已經(jīng)變成一個由許多控制器和電器構成的非常復雜的分布式控制系統(tǒng)，這為網(wǎng)絡技術在汽車中的應用提供了條件。1盡管汽車的主要功能仍然是運輸，但我們已經(jīng)看到了汽車功能的轉變，大部分車輛及其電子產(chǎn)品都具有娛樂功能，同時也具有了高度復雜和電子觸發(fā)的安全功能，這要求車載網(wǎng)絡有更高的通訊和容錯能力。2圖1. 現(xiàn)代

2、汽車典型網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的結構編碼通信早已被用于在車載網(wǎng)絡中不同控制器之間的信號傳輸。這樣做有如下幾個原因：一是降低電纜成本。線束系統(tǒng)是發(fā)動機和底盤之外車輛中第三大成本最高的系統(tǒng)。為了降低生產(chǎn)成本，提高燃油經(jīng)濟性，使用編碼通信線路是一個很好的策略；二是節(jié)省包裝空間。隨著車輛尺寸越來越小，電氣和電子功能越來越豐富，線束的布線越來越具有挑戰(zhàn)性。同時，由于電纜是電磁干擾的潛在受害者以及熱源，封裝問題絕對不能忽略；三是滿足對更高帶寬的要求。在一些高端乘用車內(nèi)，不完全統(tǒng)計有2500個信號在大約70個ECU（電子控制單元）之間傳輸。此外，ADAS（高級驅動程序輔助系統(tǒng)）和許多其他復雜應用程序的帶寬需求不斷上升

3、，因此只能使用編碼通信來促進這種巨大的數(shù)據(jù)交換；四是提高通信可靠性。與傳統(tǒng)的點對點模擬線路相比，數(shù)字傳輸在信號完整性和魯棒性方面具有無與倫比的優(yōu)勢。3現(xiàn)代車內(nèi)通信系統(tǒng)中有五種最廣泛的車載網(wǎng)絡：LIN（局域網(wǎng)），CAN（控制器局域網(wǎng)），F(xiàn)lexRay，以太網(wǎng)和MOST（面向媒體的系統(tǒng)傳輸）。每種網(wǎng)絡都有自己的競爭優(yōu)勢，但也有一些缺點，這使得任何一種網(wǎng)絡都沒有能夠取代其它網(wǎng)絡。42.CAN網(wǎng)絡CAN網(wǎng)絡長期以來一直用于傳輸大多數(shù)車載通信信號。盡管隨后因為CAN不能滿足一些要求而開發(fā)了各種不同的網(wǎng)絡，但CAN仍然保持在汽車網(wǎng)絡中的普及，特別是在動力系統(tǒng)和電子系統(tǒng)中。車載CAN芯片估計已達近5億片。最

4、近的一項預測甚至預計未來十年CAN網(wǎng)絡將在車載通信系統(tǒng)中保持蓬勃發(fā)展。圖2. 車輛中的CAN網(wǎng)絡結構CAN協(xié)議保持普及的一個重要原因是其相對較低的成本。一些專家認為，只需要3美元的附加成本就能使現(xiàn)有的微控制器配備CAN。5隨著越來越多的節(jié)能和電磁復雜的CAN收發(fā)器被引入市場，CAN網(wǎng)絡的硬件成本下降得非?？?。另外一個顯著的原因是CAN系統(tǒng)的全套工具鏈，從數(shù)據(jù)字典設計到生產(chǎn)代碼自動生成，從網(wǎng)絡仿真到軟件驗證。這些都有助于顯著降低CAN系統(tǒng)的工程成本。CAN網(wǎng)絡可能會帶有各種拓撲，具體取決于其采用的不同物理層。例如，最廣泛使用的CAN網(wǎng)絡是高速CAN（波特率高于125Kbit / s），通常構成線

5、性總線拓撲結構，其特征在于傳輸電纜末端有兩個120終端電阻。6CAN在過去幾年中占主導地位的另一個原因是其較好的的抗噪聲和容錯能力。 CAN網(wǎng)絡使用非屏蔽雙絞線（UTP），其外部共模干擾的阻抗要高于LIN網(wǎng)絡中的未絞線。7這也可以降低高頻噪聲的輻射。此外，現(xiàn)如今大多數(shù)CAN收發(fā)器提供了額外的手段來檢測和報告不同種類的物理層故障，這有助于維護網(wǎng)絡的穩(wěn)健運行。3.LIN網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)持續(xù)的增加，技術復雜性的提高以及保持低成本的要求，使得局域互連網(wǎng)LIN(Local Interconnect Network)總線應運而生。開放的LIN總線標準于1997年產(chǎn)生，該標準涵蓋傳輸協(xié)議規(guī)范、傳輸媒體規(guī)范、開發(fā)工

6、具接口和應用編程接口。LIN協(xié)議作為一個成本低、距離短、速度慢的串行通訊網(wǎng)絡規(guī)范，能夠連接車輛內(nèi)各種子系統(tǒng)，增強子系統(tǒng)之間的通訊效率，提高可靠性。同時，在帶寬要求不高、功能簡單、性能指標較低的情況下，使用更低成本的解決方案補充類似CAN的高端汽車總線的不足。8圖3. 基于CAN、LIN總線的的整車管理系統(tǒng)總體結構LIN的最顯著的優(yōu)點是它比其他主要網(wǎng)絡低得多的成本。這個優(yōu)點來自于各方面。首先，LIN控制器比較便宜。LIN模塊使用UART（通用異步收發(fā)器）端口來發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)。由于UART端口幾乎可以在所有微控制器上使用，所以即使最便宜的微芯片也可以用作LIN控制器。其次，LIN的物理通信電纜

7、費用要少得多。LIN站只需要一條非屏蔽信號線來傳輸數(shù)據(jù)，其他站只需要相對于自己的地線測量該線上的電壓，而不需要額外的參考電纜。第三，LIN軟件堆棧比其他主要車載網(wǎng)絡相對容易開發(fā)，并且只需要有限的內(nèi)存空間。9因為LIN控制器在幾乎所有的MCU上都可以使用，所以通常只需要在收發(fā)器和電纜上投入12美元來構建最簡單的LIN網(wǎng)絡。目前，LIN仍然廣泛應用于汽車網(wǎng)絡，主要是因為其無與倫比的成本競爭力。LIN網(wǎng)絡主要構成線性總線拓撲結構，并以自動從屬模式運行?？紤]到汽車LIN網(wǎng)絡中通常使用的波特率為19.6 Kbit / s，LIN有效載荷的理論極限為10.12 Kbit / s。然而，實際上由于許多原因，

8、例如浪費帶寬和高達40的位時間容限，此限制可能無法充分利用。因此，LIN不適用于時序要求嚴格的通訊。10LIN采用一個補碼加法校驗和來檢測傳輸錯誤。然而，這仍然不能檢測補償誤差，也不是數(shù)據(jù)無關的。分析表明，在最壞的情況下，這種校驗和算法在LIN通信中可能會有大約1/16的未檢測到的兩位錯誤率，對于任何與安全相關的應用來說，這種差錯相當差。雖然與其他主要車載網(wǎng)絡相比，LIN網(wǎng)絡的容錯能力有限，但其輪詢傳輸機制可以有效消除消息沖突和仲裁延遲。其他網(wǎng)絡也可以采用這種機制來加強其確定性。114.FlexRay 網(wǎng)絡為了解決不確定性，增加帶寬和增強LIN和CAN等網(wǎng)絡的故障抵抗的目標，F(xiàn)lexRay由F

9、lexRay聯(lián)盟提出。目前，它已經(jīng)越來越多地用于車輛動力學領域和域間通信。12FlexRay網(wǎng)絡具有比LIN和CAN快得多的傳輸速度和更大的容錯能力,因此也具有更高的成本。13從系統(tǒng)組成的角度來看，F(xiàn)lexRay使用與CAN相同的傳輸媒體，通常要求CAN兩倍的電纜和收發(fā)器冗余，以實現(xiàn)高容錯能力。因此，即使對于僅具有兩個節(jié)點的最簡單的FlexRay網(wǎng)絡，也將有四個收發(fā)器和兩個分開布線的傳輸電纜，總共可能需要1214美元，更不用說兩個獨立通道之間協(xié)調(diào)工程的復雜性。與其他汽車總線不同，F(xiàn)lexRay具有兩個并行通道，每個通道高達10 Mbit / s。額外的通道被設計為在另一個通信故障的情況下備份。

10、然而，由于兩個通道的獨立性，兩個通道并不總是需要傳輸相同的數(shù)據(jù)，這實際實現(xiàn)了FlexRay 20 Mbit / s的傳輸帶寬（以冗余丟失為代價）。與LIN和CAN類似，F(xiàn)lexRay網(wǎng)絡通常只需要參考用于車載通信的OSI模型的物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。14有關FlexRay傳輸能力的三個最突出的屬性：一是它可以在同一周期內(nèi)傳輸確定的動態(tài)數(shù)據(jù);二是它具有比LIN和CAN更大的有效載荷; 三是在網(wǎng)絡拓撲方面非常靈活。15FlexRay擁有一系列有特色的功能，有助于增強其故障抵抗能力。最突出的特點是它有兩個獨立的渠道。兩個通道不僅通過不同的硬件路徑（如通信線路和總線驅動器）物理分離，而且還分別執(zhí)行

11、信號采樣，編碼，解碼和冗余校驗。不可避免地，F(xiàn)lexRay在容錯方面也有一些缺陷。例如，F(xiàn)lexRay不支持故障通知/確認機制，這意味著接收方將丟棄錯誤的消息而不通知發(fā)送方。由于不提供重傳，如果靜態(tài)消息無法在一個時隙中成功傳遞，則發(fā)送方必須等待下一個周期才能進行下一次嘗試。165.以太網(wǎng)絡隨著ADAS（高級驅動程序輔助系統(tǒng)）和多媒體功能在較新車輛中的應用越來越多，車載網(wǎng)絡帶寬越來越大。以太網(wǎng)是CAN和FlexRay以外的下一代車載網(wǎng)絡非常有希望的候選者。近年來，汽車行業(yè)越來越受到重視。以太網(wǎng)作為一個新興的汽車網(wǎng)絡具有與IT（信息技術）和電信等其他大行業(yè)共享成本的獨特優(yōu)勢，因為千兆級的高速以太網(wǎng)

12、已經(jīng)在這些行業(yè)得到廣泛應用。 但是因為屏蔽電纜價格昂貴以及內(nèi)部處理單元的高要求，千兆以太網(wǎng)目前不適用于汽車行業(yè)。這可能部分解釋了為什么以太網(wǎng)大多使用的速度比千兆比規(guī)格低得多，只有在諸如ECU閃存的應用中，而不是相機或許多其他先進的車輛安全系統(tǒng)。顯然，成本過去一直是阻礙以太網(wǎng)滲透到汽車市場的關鍵因素。與其他主要車載網(wǎng)絡相比，以太網(wǎng)具有非常高的有效載荷和協(xié)議效率。IEEE 802.3標準以太網(wǎng)分組格式（最小數(shù)據(jù)幀大小應不小于64字節(jié)）清楚地表明以太網(wǎng)分組的最大有效載荷為1500字節(jié)，分組長度為1538字節(jié)。以太網(wǎng)的最大協(xié)議效率等于97.53。17以太網(wǎng)容錯的能力與傳輸媒體，有效載荷，傳輸模式等多重

13、因素有關。例如，使用光纜可能會比使用非屏蔽電纜顯著降低比特出錯概率（BER）。如果受保護的位長度從2975到91607，則32位CRC僅具有4的漢明距離，但如果受保護的位長度為2974或更小，則漢明距離可以升高到5。媒體訪問控制（CSMA / CD機制）僅響應半雙工模式，但在全雙工模式下忽略它們。6.MOST網(wǎng)絡MOST是針對車載多媒體和信息娛樂數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化的高速網(wǎng)絡。MOST公司開發(fā)的MOST網(wǎng)絡已經(jīng)從MOST25（光）到MOST50（電/光）和最新的MOST150（基于同軸電纜/光電的電器）發(fā)展，對于同步和異步數(shù)據(jù)傳輸都是可靠的。多年來，MOST網(wǎng)絡受到消費電子設備日益增長的影響?，F(xiàn)在的趨

14、勢是在一個MOST網(wǎng)絡中ECU的數(shù)量較少，但ECU的復雜性和網(wǎng)絡帶寬正在急劇增加。18成本是MOST網(wǎng)絡的一個非常關鍵的因素。自從其首次引入汽車以來，在接下來的幾年中MOST已被越來越多的車型所采用。然而，一些車輛平臺在其后來的車型中放棄了MOST，這僅僅是因為與其他車載網(wǎng)絡相比，成本高昂不可接受。MOST物理層的主要成本不是聚合物光纖（POF）電纜，而是連接器和收發(fā)器。主要原因是光連接器必須被屏蔽并放置在不同的情況下，加上光發(fā)射器和接收器通常需要制成兩個獨立的封裝。19雖然MOST150（MOST網(wǎng)絡的帶寬為150 Mbit / s）支持同軸電纜上的電氣物理層，這比聚合物光纖（POF）便宜得

15、多，但是最簡單的MOST150網(wǎng)絡在物理組件上的花費仍然達到10美元。20由于其傳輸不同類型數(shù)據(jù)的帶寬和通用性高得多，所以MOST從許多車載通信網(wǎng)絡中脫穎而出。在過去幾年中，MOST技術不斷發(fā)展，以滿足對傳輸速度和數(shù)據(jù)類型日益增長的需求。一般來說，MOST支持從大約25Mbit / s到150Mbit / s的波特率傳輸流數(shù)據(jù)，分組數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)。MOST150的最大協(xié)議效率為96.88，相應的有效負載大小和數(shù)據(jù)幀長度分別為372字節(jié)和384字節(jié)。由于其高吞吐量和確定性，MOST150被一些專家認為能與ADAS完美契合。首先，光纜免受電磁干擾，其接口通訊錯誤率低于10-9。其次，諸如CRC和創(chuàng)

16、建冗余互連環(huán)的一些其他特征也有助于增加其對錯誤的抵抗力。217.傳輸數(shù)據(jù)類型A控制數(shù)據(jù)（1）低帶寬控制應用車輛中低帶寬，低服務質量（QoS）要求的控制子系統(tǒng)。這包括控制車輛方面不是安全關鍵的系統(tǒng)，例如舒適子系統(tǒng)中的電子控制座椅和鏡子。（2）實時控制應用車輛內(nèi)具有相對較低帶寬要求但高/實時QoS要求的系統(tǒng)，例如懸架和制動系統(tǒng)，ABS，牽引力控制等。通常，在現(xiàn)代車輛中，這些系統(tǒng)使用CAN總線網(wǎng)絡，其提供低帶寬但是高可靠性。B安全數(shù)據(jù)越來越多的現(xiàn)代車輛配備了一些內(nèi)置駕駛員輔助安全系統(tǒng)。這些可以包括使用LIDAR或RADAR傳感器的自適應巡航控制，停車傳感器和使用紅外傳感器的夜間行人檢測。C.信息娛樂

17、數(shù)據(jù)信息娛樂流量包含與車內(nèi)娛樂和駕駛員信息系統(tǒng)相關的所有網(wǎng)絡流量。這包括全球定位系統(tǒng)系統(tǒng)，僅顯示相機饋送，音頻和視頻娛樂以及其他網(wǎng)絡流量（例如，3G / UMTS / 4G因特網(wǎng)連接）。D司機協(xié)助相機駕駛員輔助攝像機在車輛中越來越普遍。它們需要高帶寬，并且根據(jù)應用，高QoS。這可以包括無源系統(tǒng)，例如用于顯示給駕駛員的反轉攝像機或主動系統(tǒng)，例如使用前后光學攝像機的車道偏離檢測。8.車輛互聯(lián)網(wǎng)車聯(lián)網(wǎng)將會是未來的互聯(lián)網(wǎng)的一部分，未來的車輛將能夠同周圍的其它車輛或環(huán)境共享信息和服務，如駕駛信息，生態(tài)駕駛信息，交通狀況信息，以及周圍的車輛和環(huán)境信息，車聯(lián)網(wǎng)所帶動的新興服務將是未來互聯(lián)網(wǎng)服務不可分割的組成

18、部分。來自環(huán)保，安全，經(jīng)濟，福利等方面的社會需求，必將導致利益相關者大力推動這些新興服務的發(fā)展。車聯(lián)網(wǎng)服務與未來的互聯(lián)網(wǎng)服務是互動的，而未來互聯(lián)網(wǎng)概念會是車聯(lián)網(wǎng)概念的基石。對于未來的車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，未來的車輛均應配置以下功能：（1）自動控制模塊 ：自動駕駛 ；（2）車輛狀態(tài)感知模塊 ：胎壓、車速、車身系統(tǒng)、硬件配置是否工作正常；（3）周圍環(huán)境感知 ：交通信息、道路信息 ；（4）駕駛員身體狀態(tài)感知 ：疲勞度、注意力；（5）無線通信模塊：與路側單元、周圍車輛、控制中心通信；（6）輔助駕駛模塊 ：語音控制、導航控制、定位精確；（7）娛樂信息模塊：網(wǎng)絡購物、聊天、上網(wǎng)、多媒體下載、電子商務等等 ；（8）其

19、他硬件配置：車輛身份證、數(shù)字儀表、自動空調(diào)、感應雨刷、燈光控制、電控座椅、智能玻璃（娛樂信息、導航等模塊數(shù)據(jù)可以在前擋風玻璃上顯示）；（9）軟件配置：智能交通控制系統(tǒng)、智能人車協(xié)同系統(tǒng)、自我學習。車輛互聯(lián)網(wǎng)正在發(fā)展成為一個全球性的車輛網(wǎng)絡。智能交通中“連接驅動”的新興概念是車聯(lián)網(wǎng)的基礎。車聯(lián)網(wǎng)的兩個主要目標包括車輛各種安全和效率特征的自動化以及車輛網(wǎng)絡的商業(yè)化。如果挑戰(zhàn)和問題將得到解決，車聯(lián)網(wǎng)的未來是光明的。9.總結和展望本文回顧了目前最受歡迎的五個車載通信網(wǎng)絡。分析和比較主要從系統(tǒng)成本，通信能力和容錯能力的角度出發(fā)。每個網(wǎng)絡的主要特點如下。LIN網(wǎng)絡具有無與倫比的成本優(yōu)勢和工程簡單性。這些特

20、點使其在許多低速和簡單的應用中仍然受歡迎。22經(jīng)過幾十年的發(fā)展，CAN通信已成為一種被廣泛接受和可靠的技術。然而，標準CAN現(xiàn)如今已無法滿足諸如ADAS等流行安全系統(tǒng)的時序或帶寬要求。23FlexRay目前具有最高的確定性和容錯能力，因此非常適用于車輛動力學和安全控制。到目前為止，實際上只有有限數(shù)量的車型使用了FlexRay 通訊控制系統(tǒng)。許多人只是利用其寬帶寬和高確定性，并將其僅用作通信骨干。24FlexRay系統(tǒng)成本仍然相對昂貴，在當前階段具有很高的工程復雜性，這可能會阻礙其快速擴展到許多其他領域。盡管以太網(wǎng)是一種用于車載通信網(wǎng)絡的新興通信技術，它已經(jīng)在許多其他行業(yè)中被長期使用。它可能會逐

21、漸將整個車載網(wǎng)絡轉變?yōu)槿娴亩说蕉艘蕴W(wǎng)解決方案。盡管被認為是整合許多其他車載網(wǎng)絡的最佳定位網(wǎng)絡，但MOST在傳輸和故障抵抗能力方面仍然需要很大的進步。 目前，僅在串聯(lián)生產(chǎn)車輛的信息娛樂和導航系統(tǒng)中成功應用。MOST150網(wǎng)絡的性能仍遠遠低于MOST技術的理論極限，預計將來有很大的發(fā)展空間。25參考文獻1 K. Pretz, “Fewer wires, lighter cars,” IEEEThe Institute, Piscataway, NJ, USA, Apr. 12, 2013 Online. accessed on Nov. 07, 2014.2 J. Chacko, “Elect

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