汽车网络技术

2003035
汽车网络技术3
秦贵和　葛安林
李柱张　洪先基
(吉林大学,长春　130025)
(韩国科学技术院,韩国)
[摘要]　综述了当前汽车网络技术应用和发展;简要介绍了一些新型汽车网络和线控技术;对汽车网络技术的发展进行了讨论。

叙词:计算机网络,线控技术
In 2Vehicle Networks
Q in G uihe &G e Anlin
Lee Ju 2Jang &H ong Sun 2Gi
Jili n U niversity ,Changchun 130025
Korea A dvanced Instit ute of Science and Technology ,Korea
[Abstract]　In this paper ,the application of in 2vehicle networks is briefly reviewed ,the control 2by 2wire technology is introduced and its future development is discussed 1
K eyw ords :Computer net w ork ,Control 2by 2wire technology
3
KFAS
(K orea Foundation for Advanced Study )资助。

原稿收到日期为2002年7月2日,修改稿收到日期为2002年9月6日。

1　前言
目前汽车电子技术中最活跃的领域包括网络化、线控技术和42V 技术,其中网络技术是关键部分。

它已不仅是解决汽车电子化中出现的线路复杂和线束增加问题的技术,其通讯和资源共享能力成为新的电子与计算机技术在车上应用的一个基础,它是车上信息与控制系统的支撑。

目前较高档轿车上的电子系统成本已达20%强,而且增长很快。

新技术的生长点几乎无一不与电子技术相关[1]。

随着电子部件价格的降低,电子技术向低档车延伸的速度也很快。

汽车上电子装置都将连接到车上网络系统中,所以网络相关软硬件必然要成为每一个控制单元软件中的一部分。

网络使车上电子装置成为一个整体。

网络技术也为通过通信传输操纵信息的“线控CBW (Control 2By 2Wire )”技术提供了有力的支撑。

它将改变汽车和一些机械系统的构造,提高整体驾驶操作水平,降低事故率,提高经济效益[2]。

虽然车上网络技术已经得到较广泛的应用,但对于进一步的需求来看还有很多工作要做。

目前尚
没有满足成本低、可靠并具有容错能力、时间特性好
(包括实时性和事件响应时间设计时可确定性等)和可扩展性好的网络系统[3]。

汽车上网络应用的层次和目的变化很大。

由于汽车对成本价格的敏感,用性能高的系统覆盖低层应用,成本上无法接受,因此汽车上将是多种层次网络的互连网结构。

2　汽车网络技术发展
目前汽车上每一个总成几乎都是机械、电子和信息一体化装置。

在系统中电子和信息部分所起的作用也越来越重要,以至于有人认为汽车正在由一个拥有大量电子技术与装置的机械系统转变为由一定机械装置支撑的电子系统。

车上电子装置的增加使连接的电子线路迅速膨胀,线束越来越复杂。

在汽车设计、装配、维护中的负担甚至到了无法承受的程度。

而且线路接头的增加是引起安全问题的隐患。

另外线的重量和占用的空间也都是值得考虑的问题,重量的增加意味着降低效率。

线路体积(直径)太大在相对运动的部分之间过线非常困难,如车门窗的线束。

所以在电子装置不断增加的情况下,减少线束成为一个必须解决的问题。

使用传统的点
2003年(第25卷)第2期 汽　车　工　程
Automotive Engineering
2003(Vol.25)No.2
到点平行连接方式显然无法摆脱这种困境,基于串
行信息传输的网络结构成为一种必然的选择[1]。

另一方面,随着汽车电子化的深化,以网络通讯为基础的线控技术(X 2By 2Wire )将在车上普遍应用。

这是汽车上对网络技术需求的另一个原因。

所谓线控就是用电子信息的传送取代过去由机械、液压或气动的系统连接的部分,如换挡连杆、油门拉线、转向器传动机构、刹车油路等[3]。

它不仅是取代连接,而且包括操纵机构和操纵方式的变化,以及执行机构的变化(电气化)。

这将改变汽车结构的一些概念。

图1是线控过程的基本组成。

全面线控的实现将意味着汽车由机械到电子系统的转变。

线控技术要求网络的实时性好、可靠性高,而且一些线控部分要求功能实现的冗余,以保证在一定的故障时仍可实现这个装置的基本功能,就象现在的ABS 和动力转向一样,
在线路故障时仍具有刹车和转向的基本功能。

这就要求用于线控的网络数据传输速度高,时间特性好(通讯事件发生时间是确定的)和可靠性高。

图1　线控过程示意图
汽车上使用网络还有一个原因是计算机网络在生活中的广泛应用和智能交通系统的应用。

这两种应用势必使汽车成为IN TEN ET 上的一个(或多个)终端。

汽车可以提供任何在办公室或家庭中的网络信息服务。

在智能交通体系中汽车应当具有接收和提供相关信息的功能(如接收/发送定位信号、地理信息服务、管理信息服务等),发送本车状态信息、安全服务请求等[4]。

这一部分还与车上媒体系统共用一个网络,即车上多媒体与信息网。

早期汽车行业没有发展自身的通用网络标准,而是采用一些现有的常规标准,如UAR T (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter )。

汽车生产厂家也主要是沿用汽车技术的传统发展模式,根据需要和自己以往的基础来开发网络系统,较少与外部合作[5]。

网络技术本身具有对标准依赖的特点。

汽车网络系统和应用网络系统来源具有多样性,以及与车外网络联系的需要,必然要求形成和采用行业标准,并与电子信息产业合作。

随着合作信心和效益的增加,这种在汽车行业内,以及与电子信息厂家的合作,采用行业标准的趋势越来越明显。

这种标准化有利于不同部件或装置生产厂家产品的集成,这些产品可能来自其它行业。

这种标准化也有
利于设计的可操作性。

设计时可以为尚未存在的装置或可替代的装置留出接口。

最明显的是汽车软件接口(现在车上嵌入系统硬件的水平足以支持相对独立的软件,应当把这些软件看作为一种车上的部件或总成)。

这种标准化即所谓的开放结构(Open Architecture )。

局域网络真正在车上应用是在20世纪80年代[1,6]。

在90年代车身网络和连接一些电控单元的控制网络,包括故障诊断系统,在不同车型上开始应用。

应用最广泛,支撑技术和元器件最丰富的是CAN 和SAE J 1850。

车上媒体网络、线控系统网络和智能交通系统网络处在早期阶段,在网络协议、支撑软硬件技术和元器件等方面多处于试制性阶段。

网络协议等方面有不同的选择,这里有技术的原因,也有集团利益方面的原因。

目前媒体网络倾向于MOST (Media Oriented systems Transport )和D2B (Domestic Digital Bus )。

线控系统网络协议主要有两个选择,一个是TTP/C (Time Triggered Protocol ,SAE Class C ,即满足SAE C 级网络的时间触发协议),目前有Audi 、Volkswagen 、Honeywell 和Delphi
等倾向于选用这个协义作为线控网络的协议标准。

另一个是Flex Ray (动态部分为byteflight 协议),这是一种即支持时间触发,又支持事件触发访问方式的协议,目前有BMW 、Motorola 、Philips 半导体公司、Bosch 和GM 等倾向于选用这个协议作为线控网络的协议标准[8,9]。

为了弥补CAN 事件触发访问方式在实时控制应用中的缺陷,Bosch 也推出了支持时间触发访问方式的CAN 协议TTCAN [9]。

3　汽车网络介绍
美国汽车工程师协会按着汽车上网络系统的性能由低到高划分为A 级、B 级、C 级网络,D 级以上没有定义(有些文献把速度超过1M bps 的车上网络定为D 级[1]),详见表1。

A 级网络主要应用于要求价格低,数据传输速
度、实时性、可靠性要求较低的情况,如车身系统的车门窗和后备箱等系统;也作为一些传感器级和执行器级的底层局部连接网络。

典型的A 级网络如UAR T 。

B 级网络用于对数据传输速度要求较高的系统,包括一些车身控制系统、仪表盘和一些低档的实时控制系统以及故障诊断系统(ODB )等。

典型的B
・251・汽　车　工　程 2003年(第25卷)第2期
表1　SAE 汽车网络级别
特性
A 级网络
B 级网络
C 级网络传输速度/kbit ・s -
1
小于110～125
125～1000
信息传输延时/ms 小于50
小于20
小于5时钟离散度要求/%20
2
0101传输媒体/总线单线单线双绞线信息优先权有有有容错能力
无无
有
级网络如J 1850。

C 级网络主要用于可靠性和实时性要求较高的
系统,如高档的发动机和动力传动系统的实时控制
系统、一些线控系统等。

典型的C 级网络如CAN 。

图2是目前常用和有发展潜力的网络分布[10]。

图2　车上网络系统价格/速度分布
L IN (Local Interconnect Network )是在1998年由汽车生产商Audi 、BMW 、Daimler Chrysler 、Volvo 和Volkswagen 与半导体元器件生产厂Motorola 、开
发工具公司VCT (Volcano Communications Tech 2nologies )联合制定的一个汽车低端网络协议。

L IN
标准不仅定义了通信协议,而且定义了开发工具接口和应用软件接口(API )。

它的目标是提供廉价的底层传感器和执行器级的局域网络标准。

L IN 联合体不仅提出协议标准,而且包括开发工具以及API 标准的做法,为汽车设计用户提供了方便,可能为以后汽车网络标准所仿效。

L IN 的协议标准以SCI (UAR T )(Serial Communication Interface )为基础,物理层适应汽车故障诊断标准ISO 9141,满足车辆环境下的EMC 和ESD 要求[10]。

由TTTech 拥有的TTP/A (Time Triggered Protocol/Class A )的应用目标与L IN 基本一致。

它是基于时间触发访问方式的协议。

使用不同的物理层,数据传输速度可在很大范围内选择。

美国的三大汽车公司Ford 、GM 和Chrysler ,较
多采用J 1850作为B 级网络,实际上SAE J 1850就是由这些公司提出的。

由Bosch 提出的CAN 标准(CAN/B 为B 级CAN ,CAN/C 为C 级CAN )最早在欧洲汽车上被广泛采用,后来包括美国、日本汽车行业也使用它作为B 级或C 级汽车网络。

而且也被其它行业采用。

CAN 是目前应用最广泛的汽车网络标准。

CAN110、112、210A 为标准CAN (Standard CAN ),
使用11位标识码(Identifier )。

CAN210B 可以使用
29位标识码,称为CAN (Extended CAN )。

它分为被动CAN210B (CAN210BPassive )和主动CAN210B (CAN210BActive )。

被动CAN210B 接收/发送标准格式桢,但接收到扩展格式桢时不作为错误桢;主动CAN210B 可以接收/发送标准格式桢和扩展格式桢。

适用于货车的SAE J 1939标准就基于CAN210B [11]。

TTP/C (Time Triggered Protocol/Class C )和FlexRay 是以线控系统为主要应用目标的C 级网络
协议,相关支撑元器件和应用系统开发测试工具等都处于初期阶段。

到底在未来的线控系统中那一个标准更具有生命力尚难定论。

MOST 和D2B 是由媒体领域引入的标准。

由
于媒体信息、音像的传输数据量大,所以比车上控制网络要求更高的传输速度(带宽),一般要求光纤或同轴电缆作为物理层媒介。

无线局域网络在汽车上控制或媒体系统中的应用只是有一些探索工作。

蓝牙技术(Bluetooth )可以作为媒体网络的一部分[12]。

由于车辆的种类很多,而且车上网络技术处于发展阶段,应用于车辆上的网络系统有多种标准。

如果包括飞机、船只、农机以及其它独立行走和运载工具等这些与汽车有一些共同特点(长途移动,相对独立、自带动力源)的系统上的网络,网络标准不下几十种。

这些网络有很多应用在多个领域,如CAN 在汽车、非公路行走机械(Off 2road Vehicle )、飞机等都有应用。

表2是一些车辆类系统应用的网络系统标准,这里的主要内容参照文献[1]。

4　车上网络特点
汽车中以家庭用轿车量最大,也是最复杂的家庭应用设备。

因而要求安全、使用方便、性能可靠,
对价格敏感。

汽车又是应用环境恶劣、范围很大的设备。

汽车上系统应当考虑以下因素。

・
351・2003年(第25卷)第2期 汽　车　工　程
表2　车辆网络标准
协议机构应用领域介质位编码访问方式错误检测数据域
(位)
位速率
(bit/s)
ABUS VW控制单线NRZ竞争检验位16500k APC Ford媒体双绞线NRZ CSMA/CA校验和64916 AU TOLAN G eneral Inst控制双绞线API主/从CRC0～644M BEAN Toyota控制单线NRZ CSMA/CD CRC8～8810k CAN Bosch控制双绞线NRZ+位填充竞争CRC0～641M CCD Crysler传感器总线双绞线NRZ CSMA/CR CRC无限制0～718k
CSC Crysler传感器总线双绞线电压
Polling/
Addres sing
10～1k
D2B Optical Chip媒体光纤PWM竞争12M DAN Alfa Romeo仪表板双绞线NRZ主/从CRC8916k DSI Motorola传感器总线双线电压/电流主/从CRC165k IVMS Nissan控制双绞线PWM Polling奇偶校验160～2718k J1850PWM SAE控制双线PWM CSMA/CR CRC8～644116k J1850VPW SAE控制单线VPW CSMA/CR CRC8～641014k J1939SAE控制双绞线NRZ+位填充竞争CRC0～641M MML Delphi多媒体光纤NRZ主/从2048110M MOST Most Co-op多媒体光纤25M PALMN ET Mazda控制双绞线NRZ竞争CRC32或641M TTP TTTech实时控制双通道MEM TDMA CRC1282M VAN Renault&PSA控制双绞线manchester竞争CRC0～640～250k FlexRay协议联合体控制双通道FTDMA CRC9610M
(1)温度范围要求在-40℃～125℃。

(2)油、水、盐雾、尘土以及可能遇到的化学腐蚀物质的影响。

(3)机械震动、颠簸、冲击等的影响。

(4)电磁兼容问题。

系统必须有承受外来电磁干扰的能力和不能对环境造成电磁干扰。

家庭环境的电磁场为3V/m,工厂为10V/m,汽车环境可能大于200V/m。

(5)环境保护问题。

工作中的释放物(包括声、光、电磁、油和气等)必须满足环保要求,部件和整车报废时的处理问题,以及资源消耗。

(6)可能的故障和误操作,如电源反接、线头脱落、短路/断路、摩擦等,造成的损失应尽量小。

(7)事故时的保护措施或对安全的影响应充分考虑。

(8)任何部件必须保证高的可靠性,在要求的使用周期内发生故障的概率足够小。

(9)批量生产成本价格为市场接受。

车上网络系统还应当考虑下列因素。

(1)结点与总线连接接头的电气与机械特性及连接头数量。

(2)网络系统和应用系统的评估与性能检测方法。

(3)容错和故障恢复问题。

(4)实时控制网络的时间特性。

(5)安装与维护中的布线。

(6)网上结点的增加与软硬件更新(可扩展性)。

汽车网络系统要求可靠、廉价、与应用系统一体化、线路简单和实时性等特点。

它的范围小、结点相对较少,多数应用要求的传输速度不高。

5　结束语
汽车网络技术中已经出现了很多在车上应用的系统,而且有一些网络标准已广泛被接受,如CAN。

但由于应用系统层次变化很大,从底层的开关、传感器以及简单执行机构的连接网络到线控系统网络,涉及到的应用范围宽,有控制系统、多媒体系统以及信息服务系统。

所以汽车上不可能由单一的网络标准覆盖所有的应用。

将来的发展趋向可能在每一个层次上和领域形成一两个通用标准,这些网络互连构成车上互连网络,并有与IN TERN ET连接的出口。

这样兼顾了标准化和成本优化。

下一步,底层网络协议主要在TTP/A和L IN 间的选择,高层控制网络主要是在TTP/C和Flex Ray(byteflight)间的选择,或出现一个两者结合的协议标准。

但目前应用情况CAN210和J1850在中低档系统中仍然是主流。

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长远来看,车上网络还远没有达到成熟阶段,信息与电子技术发展很快,车辆上的应用又有比较大的滞后,所以车上信息与电子技术的应用还有很大的发展空间。

它们将对车上通信与控制网络提出一些新的需求,同时为新的车上网络技术提供技术支持。

车上的嵌入式系统软件发展也很快,应用系统早已突破在裸机上开发应用软件的阶段,开始在一些较大的系统软件层上开发应用程序。

这些软件支持车上网络功能,如OSEK(德语:Offene Systeme und deren Schnittstellen fur die Elektronic im Kraftahrzeug)[1]。

测试与系统仿真软件也成为一个不可缺少的手段。

一些协议在定义与开发阶段就包括系统软件和工具软件的开发和标准化[7]。

但这些软件仍有很多方面需要开发。

将会有一些新的车上网络标准,网络支持器件和支持网络功能的车上嵌入式系统软件出现。

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KVASERAB,2001
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3　Papazoglou Michael P,Ribbers Piet,Tsalgatidou Aphrodite.Integrat2 ed Value Chains and Their Implications from a Business and Tech2 nology Standpoint.Decision Support Systems,2000,29(4)4　Ross Anthony D1Performance2based Strategic Resource Allocation in Supply Networks1Int1J1Production Economics,2000,63
(上接第185页)
～616×10-5左右。

通过分析得到了计算所应选取的最佳参数。

摸索出性能分析计算和使用的一套方法,可供液力减速器的进一步设计制造和使用选取。

参考文献
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3　闫国军,李有义,程晓忠,陆肇达.液力变矩器输出特性的变充液量调节.工程机械,2000(3)
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