典型车载网络总线技术特点、应用和展望

徐 佳，郑广州，朱明哲，李柏林，刘保光

（北京新能源汽车技术创新中心有限公司，北京 100000）

智能化和联网化正引发全球汽车产业转型升级。汽车不再局限在移动工具这一单一属性，而是与信息产业紧密融合，从原本的信息孤岛变为智能终端，更倾向于作为具有交通功能的电子产品而存在，其内涵和外延都在不断扩展［1］。内涵扩展主要体现在汽车功能的增加，外延扩展则表现在汽车与外界的交互，这需要依靠增加大量的ECU来实现。ECU之间的信息传递是通过关联传感器电路和专门的通信线路完成的，如果使用传统点对点连接，需要耗费大量线材同时占用空间。人们采用汽车总线技术解决由此而产生的线束沉重、工艺复杂、经济性下降等问题，建立适合用于车辆使用的物理层链路，满足ECU彼此间共享数据的需求从而实现更高级的功能，经过多年发展，构成了现在多元、异构的车载网络［2］。

1 典型车载网络总线技术介绍

1.1 LIN总线 （LOCAL INTERCONNECT NETWORK，本地互联网络）

LIN总线由摩托罗拉、奥迪等知名企业在1999年联手推出，2003年开始使用，是一种面向汽车低端分布式应用的低成本、低速、开放式串行通信总线。其通信架构中确定有唯一的主节点和多个从节点，并且一般情况下从节点的数量不能超过16个。传输过程中由主节点对从节点发送命令，从节点完成应答的方式进行，通信过程中无需有仲裁和冲突管理机制的参与。采用LIN总线通信的网络有着非常强的确定性，报文发送的周期、长度、以及调度都是提前预设好的，比较适合功能简单的ECU或者传感器。LIN数据传输方式采用总线电压为12V的单线传输，传输速率小于20KB／s。LIN总线主要是为了满足某个局部区域内数据通信，常常作为CAN总线的分支；有着结构简单、成本低、配置灵活 （新添加从节点无需修改网络中其他节点）的特点。非常适合对车窗、中控、后视镜、照明灯、座椅、天窗等一系列传感器的控制。

1.2 CAN总线 （Controller Area Network控制器局域网）

CAN总线通常称为CAN BUS，20世纪80年代由德国BOSCH公司最先提出，是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一。CAN总线是一种串行数据通信协议，数据传输过程为多主通信模式：当总线空闲时，任何单元都可以开始发送消息。如果两个节点需要同时发送，则具有较高优先级消息的单元将获得总线访问。每个控制单元都能发送和接收数据，但只有选择地读取消息来决定是否由他们采取行动。其通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等工作。CAN总线为5V差分信号的双线传输方式，传输速率为10KB／s~1M／s，具有高实时性、抗电磁干扰能力强、兼容度高、成本低等优点，已经形成了完善的标准体系。CAN主要用于车上控制数据传输，低速CAN应用于车辆信息中心、故障诊断、仪表显示等系统，高速CAN应用于与汽车安全相关的领域如车身底盘与发动机的控制。

1.3 FlexRay

FlexRay总线是由宝马、克莱斯勒等公司共同制定的一种通信标准，2000年成立FlexRay联盟［3］。FlexRay总线为周期通信方式，一个通信周期可以划分为静态部分、动态部分、符号窗口和网络空闲时间4个部分，协议在数据静态部分传输基于时间触发 （TDMA）进行，此时消息都在分配的固定时刻发送，接收器可以提前知道信息到达时间；对于动态通信段则釆用灵活时间触发 （FTDMA）的方式，此时消息根据优先级占用带宽。FlexRay在物理上通过两条分开的总线通信，每一条的数据速率是10M／s，总传输速率为20M／s。由于其基于TDMA技术进行数据传输的原理，能够最小化临时偏差幅度，即便行车环境恶劣多变，干扰了系统传输，FlexRay协议也可以确保将信息延迟和抖动降至最低，尽可能保持传输的同步与可预测。此外FlexRay还具备冗余通信能力，支持各种拓扑结构，常被用于需要持续及高速性能的场景如线控制动、线控转向等。

1.4 MOST（Media Oriented System Transport多媒体定向系统传输）

1996年，宝马、别克和SMSC共同开展MOST总线技术的研究［4］，MOST的传输技术近似于数字电话交换机等使用的“帧同步传送”技术，包含数据信道与控制信道的设计定义，一旦设定完成，资料就会持续地从发送处流向接收处，过程中不用再有进一步的封包处理程序，如此设计的运作机制最适合用于实时性音讯、视讯串流传输。MOST在制订上完全合乎ISO／OSI的7层数据通信协议参考模型，在网线连接上MOST采用环状拓朴，不过在更具严苛要求的传控应用上，MOST也允许改采星状或双环状的连接组态，每套MOST传控网络允许最多达64个的装置 （节点）连接。MOST的传输介质通常为光纤，第三代技术MOST150数据传输率能够达到150M／s。MOST能够兼容TCP／IP，物理层完全时钟级别同期，光纤不会受到电磁辐射干扰与搭铁环的影响，支持随插即用 （Plug and Play；PnP）机制，十分适合车载信息娱乐系统中视频、音频的传输。

1.5 LVDS（Low Voltage Differential Signals低电压差分信号）

LVDS最早由美国国家半导体公司在1994年提出，是一种低摆幅的差分信号技术。与CAN总线类似，LVDS使用两条线传输的方法发送数字数据，发送信号时，一条线是正值，另一个为负值，在接收机处从这两条信号线之间的差分电压提取完整的信号［5］。有研究表明，LVDS是目前在汽车视频传输中最有效的解决方案，其固有的共模抑制能力提供了高水平的抗干扰性，由于具有较高的信噪比，信号幅度可以降低到大约350mV［6］，加上差分结构，LVDS传输线具有最小的电磁辐射［7］。LVDS早在20世纪90年代就已经成为用于高速数据传输的通用接口标准，定义在2个国际标准中，分别为TIA／EIA （电讯工业联盟／电子工业联盟）ANSI／EIA-644-A-2001标准和IEEE1596.3标准。ANSI／EIA建议了655MB／s的最大速率和1.823 GB／s的无失真媒质上的理论极限速率［8］。LVDS兼容于各种总线拓扑，具有兼容低电源电压、功耗低、终端和布线简单等优点，多用于车内屏幕和各驱动板之间的数据传输。

1.6 Ethernet

以太网 （Ethernet）是由施乐公司创建，联合英特尔和美国数字设备公司在1980年开发的基带局域网规范［9］，车载以太网技术在 2010年由宝马联合美国博通公司共同提出。人们对以非同步方式工作的传统以太网进行了修改，以满足汽车严格的电磁兼容、电磁干扰和实时性的要求。最受关注的为TSN（Time-sensitive networking，时间敏感网络）和TTEthernet（Time-triggered ethernet，时间触发以太网）。

1）TSN

2006年，IEEE802.1工作组成立AVB音频视频桥接任务组，并在随后的几年里成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题，2012年，AVB任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围，并同时将任务组名称改为现在的TSN任务组。TSN指的是在IEEE802.1标准框架下，基于特定应用需求制定的一组“子标准”，利用数据整形，确保延迟达到微秒级 （一般每桥不超过250微秒），利用帧复制和消除 （Frame Replication and Elimination），确保无论发生链路故障、电缆断裂以及其他错误，均能强制实现可靠的通信。此选项确保关键流量的复本在网络中能以不相交集的路径进行传送，只保留首先到达目的地的任何封包，从而实现无缝冗余，达到超高的可靠性，这对无人驾驶尤其重要。

2）TTEthernet

TTEthernet是一种实时以太网扩展，它提供3种不同的流量类别，时间触发 （TT）、速率约束 （RC）和尽力而为（BE），用来分别满足不同的故障安全和同步协议，分配全局有效时间。所有参与者都使用共享和预定义的计划，防止在传输的线路上发生冲突。这种协作时分多址 （TDMA）方法扩展了标准交换以太网协议，具有传输严格实时要求的消息的能力［10］。时间触发的以太网还包括复制的数据包通信，即使一个通道出现故障，也可以保证消息的传输，无需任何额外的切换延迟。 这可确保在出现故障时最大限度地提高系统安全性。相关标准为SAE AS6802，与IEEE 802.3以太网完全兼容。

鉴于以太网带宽充裕 （100M／s和1G／s两种规格）、拓扑结构灵活 （几乎不受限）、传输介质成本低 （一对非屏蔽双绞线实现100M／s数据传输）、具备数据线供电 （PoDL）可能性、互联扩展的优势，车载以太网在车内信息娱乐系统、高级驾驶辅助系统 （ADAS）、车联网 （V2X）和电动汽车领域应用具有广阔前景。

2 现有汽车总线技术存在的问题

显然，传统汽车总线技术LIN、CAN和FlexRay的带宽均不能满足高品质信息娱乐，自动驾驶和云计算等智能汽车对数据传输的需求。MOST环形结构决定了其容错能力有限，同时存在睡眠电流导致功耗较大，且其垄断性强开发费用高。LVDS的协议为非完全开放协议，开放性较差，相关连接器复杂而昂贵，同时在信号品质方面的测试成本也非常高。车载以太网中，功能安全和网络安全是对立关系，目前二者兼顾的完美方案还没有出现，评价体系也还不完善，需要在长期使用中结合实际用途持续探讨。

3 车载总线技术发展趋势

德国大陆集团提出的汽车总线系统展望中显示，到2020年左右，MOST、LVDS、FlexRay将有可能被汽车行业淘汰，以太网将在汽车通信上占据半壁江山。虽然不乏OPEN SIG、IEEE、AVNU、AUTOSAR等组织在积极推动车载以太网的发展，但事实证明短期内多种总线技术并存的情形并不会改变。目前异构通信技术之间的必要转换通过域控制器和中央网关完成，这种基于域的体系结构使车载网络架构具有更好的可扩展性，而且能够基于不同总线技术的优势实现最优的组合方案。此外，在汽车向移动电子终端变化的趋势下，越来越多的在如工业、消费电子、智能家居等其他领域成熟的通信技术可能会被应用到汽车上，比如MIPI（Mobile Industry Processor Interface）、Byteflight、蓝牙等。由此带来的新型总线技术车辆应用场景分析、不同通信协议相互转换、整车电子电气架构设计、关键技术测试方法标准制定、配套开发优化组件和测试工具等方面研究的进展，将决定下一代车载总线技术能否作为主干网络占据主导地位，进而影响企业甚至国家在汽车产业的发展水平。