一种新型的AUTBUS车辆智能总线

应海文， 陶 莉， 赵海滨， 刘华峰

(内蒙古第一机械集团有限公司，包头 014030)

车辆综合电子信息系统是车辆的神经网络，负责完成车际、车内信息采集、处理、传输、储存、显示等功能，为车内分系统信息互联互通提供软硬件平台.现代车辆信息包括传感器信息、定位信息、地图信息、导航信息、行进路线等信息，为机动平台提供车辆运行状态信息、报警信息，机动平台可以通过控制网发送动力控制信息.传统车辆多采用CAN总线和LIN总线，有些高配的车辆也采用FLEXRAY总线，但总线带宽均有限，无法传输视频.

1 国内外车辆总线技术研究现状

车辆采用总线技术进行信息传输和综合控制已经是比较普遍的应用.在车辆内部采用基于总线的传输方式和架构，可以达到信息共享、减少布线、降低成本以及提高总体可靠性的目的.

车辆总线技术发展日新月异，如何选择一种适合某种车辆的总线类型至关重要.目前车辆的总线有很多种，CAN总线有高性价比、高互换性、高实时性、传输距离远、抗电磁干扰强、数据链路较为简单的特点，所以以往车辆的统型设备，主要单元CAN总线接口居多.但随着车辆信息化的发展，对车辆信息传输的信息量和通讯速度日益提高，所以对CAN总线进行升级，既保持对原有设备的兼容性，又提高CAN总线的性能势在必行.

在一些特种车辆中有些使用传统以太网或者EtherCAT实时以太网进行信息传输和控制.传统以太网和EtherCAT控制网的区别如下：(1)传统的以太网分为千兆和百兆以太网，具有较高的传输速度和数据同吞吐量，在物理层采用RJ45接口和以太网线进行连接，通过路由器可实现多种方式组网.总线协议以TCP/IP协议居多，可以多主方式传送，实时性与常用控制总线相比较差；(2)EtherCAT控制网采用单主多从结构，在物理层采用RJ45接口和以太网线进行连接，采用级联方式组网.在数据链路层采用Control Automation Technology技术，有着较高的传送实时性和效率，读写100个伺服轴的系统可以以10HZ的速率刷新.

表1 以太网和EtherCAT总线参数对比

因此采用EtherCAT控制网可以满足通信量巨大、实时性要求极高的需求.在面对极大数据量通信压力的同时，保持良好的实时性，但该网络属于单主多从的网络.

AUTBUS总线是国内基于CAN总线开发的一种自动化高速工业总线系统，可应用于车辆智能总线系统，具有广阔的应用前景.AUTBUS总线具有高带宽、确定性、低时延、多节点、长距离传输的特点.现代车辆对视频的需求越来越多，AUTBUS可以满足视频传输的要求，能够满足未来车辆发展的需求，也是未来车电总线系统的优先选择.AUTBUS是一种基于时间敏感技术的新型宽带工业总线，它同时结合了现场总线与实时以太网的优势，相比较于CAN总线具有更高带宽和更好实时性，符合全球工业通信网络实现互联互通融合发展的趋势.

2 新型的AUTBUS总线

AUTBUS总线是一种国产、新型、并已获得相关标准的总线，可用于车辆信息、过程控制和离散控制等自动化控制现场的实时数据和非实时数据的传输与应用，兼容ISO/IEC/IEEE802.3以太网、IPv6等应用.

AUTBUS是一种采用两线非桥接媒介在物理层采用了OFDM技术的宽带现场总线，基于AUTBUS技术可实现100Mbps通信带宽，单向传输最小延时40us，数据交付周期最小8us，AUTBUS专用线缆最远传输距离1000米(定制线缆)/100Mbps，最多可支持254个节点；支持实时和非实时业务数据的混合承载，确保各种数据传输的确定性和实时性，兼顾非实时业务的带宽需求；双绞线无极性传输，布线简洁，维护方便，节点隔离，无扰插入和退出；支持总线型，环型，双环型拓扑，通讯可靠；节点以挂接方式接入，支持热插拔，便捷灵活.

AUTBUS总线具有以下各方面的特性.

2.1 较优的传输特性

AUTBUS总线传输特性优异，具有高带宽、强确定性、低时延、强实时和高精度的传输特性.AUTBUS总线带宽100 Mbps，可通过预配置或动态申请的方式，提供固定带宽数据服务和支持突发数据的可变带宽数据服务.AUTBUS总线采用时间触发机制(时间敏感网络)，消除总线竞争，可为对时间敏感性和非时间敏感性业务提供确定性的数据传输服务.最小延时40微秒，最小循环周期64微秒，总线时钟同步精度100 ns.

2.2 支持总线虚拟化，实现网络融合

AUTBUS总线支持总线虚拟化，可以解决传统总线的问题，包括解决传统现场总线低带宽、无法同时承载实时和非实时业务的问题，以及解决标准以太网作为竞争网络，无法承载对时间敏感的实时业务的问题.如图2所示，AUTBUS总线可以同时接收各种类型的数据，包括实时和非实时的数据.

2.3 实现多总线融合数据传输

AUTBUS总线支持总线融合数据传输，可以融合图3所示的LIN总线、CAN总线、Modbus总线、Profibus总线、Ethernet等多种类型总线的数据.

2.4 数据交换实时高效

AUTBUS总线设备类型分为管理节点和终端节点.管理节点负责管理、分配和回收系统资源，并实时向终端节点推送系统配置、分配通信带宽等.管理节点和终端节点之间，终端节点和终端节点之间可以直接相互交换数据.

2.5 安全可信

AUTBUS总线采用基于国密算法的高性能对称、非对称加解密处理技术，具有较高的安全性.

2.6 设备连接和系统扩展的方便性

总线的多节点的接入的是带载能力的一个重要体现.AUTBUS总线采取Multi-Drops(直接下挂设备)多节点连接方式，最大节点数可达254个.采用双绞线或无极性传输介质，可实现长距离传输，传输距离可达500米，采用定制线缆最远传输距离可达1 000米.AUTBUS总线组网的拓扑结构可采用环形拓扑，也可采用总线形拓扑结构(如图6所示).

2.7 支持链路供电

AUTBUS总线支持链路供电，可数据、电源导线共用，在供电电源线上同时传输数据，进一步简化了布线，减轻了重量，降低了成本.

AUTBUS总线作为一种国产新型总线，是我国技术自主创新的成果，设计，流片，封装，测试全流程实现了国产可控，安全可信.已于2019年初被IEC/MT9国际工作组认可为国际标准(IEC61158-Type28、IEC61784-CPF22)，这是2011年以来中国控制领域唯一的IEC国际标准.2020年9月，在宜昌审议并通过了标准计划号为20194001-T-604的AUTBUS高速总线国内标准.2022年12月，国家标准《基于时间敏感技术的AUTBUS系统架构与通信规范》正式发布.2023年5月，AUTBUS系列国际标准由IEC/TC65(工业测控和自动化技术委员会)正式发布，共包括5项工业通信技术标准.

3 AUTBUS总线芯片KY3001系列

3.1 主要接口和功能

基于AUTBUS国际标准的我国自主知识产权相关技术及芯片已研制成功，可广泛应用于机器人、汽车、船舶、航空等智能制造相关领域.KY3001(LQFP128封装)、KY3001LR(QFN88封装)和KY3001LRS(QFN56封装)总线芯片提供多种外围接口扩展，实现多接口设备接入到AUTBUS总线网络.总线芯片KY3001系列的主要功能和接口如下：

3.1.1 通用通信接口

KY3001系列芯片提供3路spi接口(其中2路作为spi总线主角色使用，剩下1路作为spi总线从角色使用)、2路i2c接口、1路10/100/1 000 Mbps以太网接口(跟AP-CPU处理器配合在一起，可以开发复杂的应用软件系统)，另外还提供1路10/100Mbps以太网接口，跟BB-CPU处理器配合在一起，应用在AUTBUS跟以太网快速转发的简单系统中.

3.1.2 其他总线接口

KY3001系列芯片提供了2路标准CAN接口(支持CAN2.0B标准)、提供3路标准SUART接口，每一路都可以通过连接外部485收发器，支持跟Profibus，Modbus总线互通).SUART也可以通过外接HART收发器芯片，来支持跟HART总线互通.

3.1.3 处理器和内存

KY3001系列芯片的AP-CPU采用了ARM公司的cortex-A5内核，最高能支持400MHz运行频率.支持标准spi接口flash芯片作为外部存储空间，通过配置Nor Flash和Nand Flash都可以支持.芯片内置512K字节SRAM，作为完全作为用户程序的代码和数据空间使用.

3.1.4 定时器

芯片提供10路独立的定时器模块，每一路都能支持32bits的计数器，可以配置为周期和单次运行模式.最后1路定时器可以支持看门狗功能，当系统出现问题时可以自动进行芯片复位.

3.1.5 捕获和PWM

芯片提供2路独立的CCP(捕获/比较/脉冲调制)模块，每一路都能支持4通道输入捕获和4路比较输出，可以用于无刷电机控制场景使用.

3.1.6 通用ADC/DAC

芯片提供8路ADC通道，支持16bit采样精度，最大采样速率390Ksps.提供2路DAC通道，支持12bit数据精度，最大输出速率12.5 M.

3.2 KY3001芯片典型电路

3.2.1 典型AUTBUS网络

一个典型的AUTBUS网络中，KY3001芯片既可以设置为主控节点，也可以设置为从节点.通常一个AUTBUS现场总线网络中有很多节点，最高可支持254节点，但其中只有一个主控节点(CN)，其他的都是从节点(TN).在需要高可靠性的场合，也可以实现1主1备双CN架构.

3.2.2 AUTBUS节点典型电路

AUTBUS节点典型电路如图11所示.AUTBUS节点典型电路的巴伦阻抗比需要根据系统需求来确定选型，比如针对CAT5双绞线，节点电路中巴伦阻抗比为z∶x∶y=16∶1∶4.C1、C2、C3、C4是信号耦合电容，一般使用0.1uF/16V.R1、R2、R3、R4是阻抗匹配电阻，要求和线缆阻抗、连接器阻抗、巴伦阻抗相匹配，一般使用0Ω/0.25 W.K是模拟开关芯片，需要选择带宽高于40 MHz的型号.

图1 传输时间

图2 传输类别

图3 总线融合图

图4 数据交互

图5 加解密方式

图6 总线结构

图7 AUTBUS连接方式

图8 数据、电源导线共用

图9 芯片管脚定义图

图10 AUTBUS网络

图11 AUTBUS节点电路

图12 AUTBUS节点收发电路模块

3.2.3 AUTBUS节点收发电路模块

为了方便快速完成AUTBUS达标电路设计，KY1000/KY1000P模块可以完成此目的，配合KY3001/KY3001LR芯片使用，大大缩短了硬件设计周期.

3.2.4 典型芯片供电电路

KY3001的典型供电电路如图13所示.为了芯片能有更好的信号质量，需要控制芯片供电电压纹波.特别是给模拟信号供电的1.8V，纹波要尽量小.KY3001芯片整体平均功耗560 mW.

图13 KY3001典型供电电路

图14 KY3001使用无源晶体的时钟电路

图15 有源晶振时钟电路

AUTBUS通信模块还可以搭配POAS直流总线供电模块使用，亦能实现单对双绞线同时供电和通信.供电距离受到线材和节点数的线制，一般情况下性能要低于非总线供电的状态.

3.2.6 时钟电路

KY3001的时钟源可以是无源晶体或者有源晶振.芯片输入时钟要求是25 MHz.时钟精度<10 ppm.振荡幅度为3.3 Vpp(>1 Vpp).

3.2.7 芯片启动模式配置说明

KY3001支持不同的启动模式，并通过4个管脚来设置.在电路设计中，这4个管脚被设置成上拉或者下拉.KY3001将在上电后立即锁存它们的值，bootrom将根据锁存的值选择启动不同的分支程序.

表2所示配置管脚定义，表3所示配置代表的boot启动方式定义.

表2 芯片启动模式配置

表3 Boot启动方式定义

3.3 AUTBUS网络布线规范

建设一个实际的AUTBUS网络时，为了保障通讯可靠、提高抗干扰能力，对总线拓扑、总线布线、电缆选型、连接器选型也有一些规范.

3.3.1 电缆选型最低要求

通常，AUTBUS总线采用差分信号传输方式，以双绞线作为物理层，需要有2根线作为差分信号线(ATB_P、ATB_N).如果使用屏蔽双绞线，屏蔽层应被连接到ATB_Shield或外壳.在一些特殊领域，如有需要，也可以采用同轴电缆，这需要改变AUTBUS设备接口设计予以匹配.

3.3.2 电缆选择的要素

1)线长

如果外部干扰比较弱，AUTBUS总线中的分支(长度≤0.25 m，例如在T型连接器)可以采用非屏蔽电缆.通常，用带屏蔽层的双绞线作为差分信号传输线会更可靠.带屏蔽层的双绞线通常被用作长度>0.25 m的电缆.线缆的衰减越小，T型连接器的匹配越好，分支线缆允许的长度则更长.

2)线缆衰减

电缆的衰减参数是AUTBUS总线信号传输最远距离的决定性因素，标准的AUTBUS线缆，要求1 MHz≤1.0 dB/100 m；32 MHz≤5.0 dB/100 m.

3)特征阻抗

电缆的特征阻抗是AUTBUS总线信号传输最远距离的重要因素，标准的AUTBUS线缆所采用的传输线的特征阻抗约为100Ω.由于AUTBUS总线接头的使用，AUTBUS总线的特征阻抗可能发生变化.因此，不能过高估计所使用电缆的特征阻抗.

4)有效电阻

所使用电缆的电阻必须足够小，以避免线路压降过大，影响位于总线末端的接收器件.为了避免信号反射，在总线两端需要连接终端电阻，特别是小于0.5米的短距离.

5)回波损耗

电缆的回波损耗是AUTBUS总线信号传输最远距离的重要因素，标准的AUTBUS线缆，要求1 MHz≥20 dB；32 MHz≥20 dB.

6)比特率

由于取决于传输线的信号延迟时间，同时更高的比特率意味着更高的编码模式，AUTBUS总线的通讯距离可以随着比特率减小而增加.

7)外界干扰

必须考虑外界干扰，例如由其他电气负载引起的电磁干扰.尤其注意有大功率电机运行或其它在设备开关时容易引起供电线路上电压变化的场合.如果无法避免出现类似于AUTBUS总线与电压变化强烈的供电线路并行走线的情况，AUTBUS总线可以采用带双屏蔽层的双绞线.

4 车辆AUTBUS总线使用架构

一根AUTBUS总线连接多个信息设备，彻底打破传统点对点连接模式，一根总线即可解决多路传输和供电，254个节点的接入能力大大拓展了车辆电子的功能要求.用更少、更简单的布线满足更高的要求，AUTBUS总线芯片在车辆上的应用，不仅节省了布线空间与电缆重量，高带宽、低时延、多节点等特点，克服了传统技术的局限，创新性的为汽车发展提供更为可靠的方案支持.

使用AUTBUS总线连接车辆设备各种类型总线的示意图如图16所示.使用AUTBUS总线可以方便将原有车辆设备的传统总线接入AUTBUS总线进行传输，提高总线传输的可靠性和带宽，与原车辆设备具有很高的兼容性.

图16 AUTBUS总线与车辆设备各种类型总线连接示意图

5 结 论

未来车辆所搭载的设备会越来越多，设备的类型也越来越复杂，各设备通讯的信息量和速度越来越高.综合电子信息系统是车辆的神经网络，负责完成车内信息采集、处理、传输、储存、显示等功能，是车内分系统信息互联互通提供软硬件平台.所以未来车辆对信息系统的传送速度、数据吞吐量、实时性将要求会更高，信息系统采用更先进、高效的总线也会是必然.

现代车辆信息包括传感器信息、定位信息、地图信息、导航信息、综合显控、视频等信息，信息的类型也多种多样.传统车辆多采用CAN总线和LIN总线，有些高配的车辆也采用FLEXRAY总线，但总线带宽均有限，无法传输视频，实现多类型总线数据高速、实时传输.

AUTBUS车辆智能总线作为一种新型总线，具有高带宽、确定性、低时延、多节点、长距离传输的特点.AUTBUS可以满足视频传输的要求，实现多种总线数据的融合，能够满足未来车辆发展的需求，也是未来车电总线系统的优先选择，将会有着广泛的应用空间.