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車內(nèi)局域網(wǎng)(LAN)通信協(xié)議的現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)向
隨著電子技術(shù)在汽車上廣泛應(yīng)用,導(dǎo)致車身布線龐大而復(fù)雜。據(jù)統(tǒng)計(jì),一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高級(jí)轎車中，其導(dǎo)線長(zhǎng)度可達(dá)2km，電氣接點(diǎn)可達(dá)1500個(gè)，因而汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為汽車技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。
很早以來，多路通信技術(shù)被看成解決車用線束不斷增加的方法。世界各大汽車制造公司都制定專用標(biāo)準(zhǔn)。可是，多路通信技術(shù)由于價(jià)格昂貴只用于高級(jí)車上。近年來，車用電子系統(tǒng)不斷增加，數(shù)據(jù)輸送速度不足，并且小型經(jīng)濟(jì)型車也要求向高功能方向發(fā)展，再加上線束不斷增加，形成“肥大化”，因此，以此為背景，自2000年開始，在國(guó)外轎車上開始使用控制器局域網(wǎng)(CAN)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。
現(xiàn)在,最多使用的通信協(xié)議就是高速CAN，其中最重要的局域網(wǎng)應(yīng)用于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與部件車身系通信。控制器局域網(wǎng)(CAN)的特點(diǎn)是，事件觸發(fā)器(Event trigger)、CSMA/CA方式(如果總線空載，則所有電控單元均能發(fā)出信號(hào)，而當(dāng)信號(hào)沖突時(shí)，讓高優(yōu)先度信號(hào)先發(fā)出，然后再是其他信號(hào)發(fā)出)。當(dāng)網(wǎng)上信息量增加時(shí)，就很難保證響應(yīng)時(shí)間和預(yù)測(cè)性。在現(xiàn)代高級(jí)轎車上設(shè)有70個(gè)以上電控單元，由于網(wǎng)絡(luò)上信息量有不斷增加的趨勢(shì)，所以網(wǎng)絡(luò)加以分割，在每一個(gè)車身系或動(dòng)力傳動(dòng)系分別設(shè)有網(wǎng)絡(luò)，只有必需的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)間連接器(gateway)進(jìn)行轉(zhuǎn)接(在車輛內(nèi)應(yīng)用二個(gè)通信協(xié)議)。
以下概要介紹車身系、動(dòng)力傳動(dòng)系、多媒體系統(tǒng)及用于安全系統(tǒng)的車內(nèi)局域網(wǎng)。
1. 車身系
(1)低速控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network.～125kbps)這是CAN的低速版本。其構(gòu)成與高速CAN基本相同，但是在雙線式總線中，即使單側(cè)發(fā)生故障(短路、斷線)仍然繼續(xù)通信。導(dǎo)線介質(zhì)是銅線，使用單線或雙絞電線。
(2)LIN(Local Interconnect Network,～20kbps)
LIN是局部互聯(lián)網(wǎng)，這是車身系統(tǒng)低速通信專用的通信協(xié)議，使用成本低(I/F為通用型的UART)，主/從方式(采用單個(gè)主控制器/多個(gè)從設(shè)備的方式)。Rev.2.0規(guī)格已經(jīng)公布(2003年9月)，導(dǎo)線采用銅線(單線)。
2. 動(dòng)力傳動(dòng)系
(1)高速控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network,～1Mbps)
這是現(xiàn)在最廣泛使用的車內(nèi)局域網(wǎng)通信協(xié)議。其特點(diǎn)是，事件觸發(fā)器，CSMA/CA方式。預(yù)計(jì)在北美自2007年開始，高速CAN(500kbps)作為診斷用通信協(xié)議將制定標(biāo)準(zhǔn)并成為法規(guī)。導(dǎo)線為銅線，一般使用雙絞線。
(2)FlexRay(～10Mbps)
FlexRay是高速容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,是新一代的車內(nèi)局域網(wǎng)通信協(xié)議。以歐洲為中心，正在開發(fā)中。Ver.2.0規(guī)格已公布(2004年9月)，其特點(diǎn)是高速性，采用TDMA方式(采用同步方式，以通信程序進(jìn)行管理)，高可靠性(設(shè)有雙線束驅(qū)動(dòng)器，具有信號(hào)發(fā)送定時(shí)監(jiān)視功能)，可考慮應(yīng)用于汽車安全系統(tǒng)中，搭載Flex Ray的汽車預(yù)計(jì)在2008年問世。在Ver.2.0上使用銅線。
(3)多媒體系統(tǒng)
①M(fèi)OST(Media Oriented Systems Transport,～)
它是以歐洲車為中心，已經(jīng)實(shí)用化。通信導(dǎo)線使用塑料光纖(POF：plastic fiber)。
②IDB-1394(～400Mbps)
這是廣泛應(yīng)用于個(gè)人微機(jī)的周邊設(shè)備、家電的IEEE1394的車載版，導(dǎo)線為銅線及塑料光纖(POF),但尚未用于車輛上，不過在2004年世界智能交通系統(tǒng)(ITS)會(huì)議在日本愛知、名古屋展出過試制車。
4. 安全系統(tǒng)
(1)Safe-by-wire(～160kbps)
Safe-by-wire就是車載安全系統(tǒng)的電子線控，它是應(yīng)用在安全氣囊等安全系統(tǒng)的專門通信協(xié)議。Safe-by-wire Consortium與BST合并，成立Safe-by-wire plus Consortium，并公布了ASR2.0(2004年9月)。其特點(diǎn)是電源重疊方式，TDMA方式，高可靠性(網(wǎng)絡(luò)雙重化)導(dǎo)線采用銅線。
現(xiàn)在正在對(duì)車身系的各個(gè)系統(tǒng)適用的專用通信協(xié)議進(jìn)行分析。今后，由于成本、信息量及其所要求的可靠性，必須考慮使用對(duì)各系統(tǒng)最適用的通信協(xié)議。
對(duì)于通信線束來說，由于通信速度的高速化發(fā)展，必須考慮電磁兼容性(EMC)問題而采取必要的屏蔽措施。將來有可能從現(xiàn)在采用的雙絞線改為屏蔽線或者進(jìn)一步改為塑料光纖(POF)。采用塑料光纖既能解決電磁兼容性問題，又能實(shí)現(xiàn)輕量化。由玻璃制造的光纖的應(yīng)用將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更高速通信，但必須解決成本、組裝性、環(huán)境友好性諸類的問題。
此外，通過車內(nèi)局域網(wǎng)的擴(kuò)大應(yīng)用，使電控單元(ECU)軟件開發(fā)作業(yè)增加。由于是專業(yè)軟件，因此很難在其他車種上再利用。所以，為了解決這一問題，現(xiàn)在出現(xiàn)了基礎(chǔ)軟件通用化應(yīng)用的動(dòng)向，如AUTOSAR，JASPAR通用化基礎(chǔ)軟件。通過應(yīng)用通用化基礎(chǔ)軟件，不需要有意識(shí)地區(qū)別硬件的不同，所以可以提高開發(fā)效率(只屬于應(yīng)用性開發(fā))，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的再利用。由此可以縮短開發(fā)時(shí)間，提高質(zhì)量以確保汽車整車公司與汽車零部件制造公司的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
從通信基礎(chǔ)設(shè)施來看，車內(nèi)局域網(wǎng)的特點(diǎn)與難點(diǎn)
通過CATV或ADSL的英特網(wǎng)連接服務(wù)成為寬帶網(wǎng)絡(luò)英特網(wǎng)的快速普及的原動(dòng)力。而且也通過FTTH連接，在2004年每月有8萬～9萬用戶以上增加數(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在日本用戶應(yīng)用CATV約274萬戶，而應(yīng)用ADSL則約1233萬戶，超過150萬人。在很短時(shí)間中大幅度增加(據(jù)2004年7月，日本總務(wù)省統(tǒng)計(jì))。此外，由于家庭內(nèi)與網(wǎng)絡(luò)匹配的機(jī)器增加，不僅在辦公室，甚至在家庭中，無線局域網(wǎng)也在不斷普及。而且以i-mode為代表的通過手機(jī)(便攜式電話)進(jìn)行英特網(wǎng)訪問。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004年8月在日本用戶(加入者)已經(jīng)超過7000萬人，在日本國(guó)內(nèi)成為最大英特網(wǎng)的應(yīng)用手段。
于是，在英特網(wǎng)作為個(gè)人的信息交流為主的通信基礎(chǔ)設(shè)施的今天，不論是乘車時(shí)使用，還是以其他任何方式應(yīng)用英特網(wǎng)，就成為來自用戶的自然要求，即使車輛在變化，這種趨向仍是自然流行的。在這種場(chǎng)合，作為車輛的作用，并不是提供在車內(nèi)利用PC機(jī)時(shí)的環(huán)境，而且車輛本身與英特網(wǎng)連接，由汽車本身進(jìn)行信息的發(fā)射與接收，例如在車輛導(dǎo)航裝置等方面，很多已經(jīng)搭載在汽車上的信息設(shè)備也追加英特網(wǎng)功能，從而也為擴(kuò)大汽車的方便性更好結(jié)合實(shí)際需要。以下對(duì)現(xiàn)有的車載式信息設(shè)施擴(kuò)大或增加網(wǎng)絡(luò)功能場(chǎng)合所遇到的問題作概要說明。
1. 現(xiàn)有的車內(nèi)局域網(wǎng)的課題
隨著汽車高功能化而增加的電控單元(ECU)，為了有效搭載在汽車上，同時(shí)為了減少或限制線束的重量而考慮到推廣應(yīng)用英特網(wǎng)，但是，與此同時(shí)傳送的信息量增加，作為現(xiàn)在屬于主流通信協(xié)議的控制器局域網(wǎng)中已經(jīng)到了能力飽和的狀態(tài)。因此，根據(jù)用途采用二個(gè)(或多個(gè))通信協(xié)議作為解決方法。并且也在考慮采用FlexRay等新的標(biāo)準(zhǔn)。
與此同時(shí)，在現(xiàn)有的車內(nèi)局域網(wǎng)中，能夠進(jìn)行直接IP通信，由于受到各個(gè)通信協(xié)議或用途的制約而變得困難。例如在CAN場(chǎng)合，在1幀中能夠傳送的數(shù)據(jù)只有8 byte(位)，即使IPv4的header(20byte)為了發(fā)射信號(hào)也必需3幀，如果UDP或TCP的上位層也包括的話，則必要的幀數(shù)還要增加。由于這些幀造成總線的壓擠，從而引起車輛控制數(shù)據(jù)的滯后或缺失，這是必須避免的。
另一方面，MOST作為多媒體系統(tǒng)用的通信協(xié)議，已部分實(shí)裝使用，而且對(duì)IEEE1394標(biāo)準(zhǔn)也正在重新分析。利用MOST也將使IP的應(yīng)用達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。
IEEE1394與袖珍式音樂收放機(jī)或PC機(jī)，以及以單體形式銷售使用的信息機(jī)有良好的親和性。如果使它滿足車載的多變環(huán)境條件，那么就能夠在車輛上搭載各種信息機(jī)。
由于這種狀況,車內(nèi)局域網(wǎng),以及與控制器局域網(wǎng)(CAN)等的控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)的通信局域網(wǎng)一起,則有希望將采用能夠處理IP方式的娛樂節(jié)目或車輛導(dǎo)航信息用的適合于大容量傳送的通信協(xié)議。
此外，為了采用42V電氣系統(tǒng)，也必須考慮加速應(yīng)用具有高抗電磁噪聲的光導(dǎo)纖維，在特定的信息機(jī)器之間也可能利用以太網(wǎng)(Ethernet)，而且，今后也有可能利用藍(lán)牙(Blue Tooth)與汽車自診斷系統(tǒng)連接，汽車本身實(shí)現(xiàn)多媒體化，這些可能性或許都會(huì)出現(xiàn)。
2. 車外：與英特網(wǎng)連接
隨著英特網(wǎng)的普及，不僅在公司中，就是在一般家庭中，等的無線局域網(wǎng)也在不斷進(jìn)入。所以，在與車輛連接時(shí)，目前不要過多注意特別的通信協(xié)議，而合理的是利用b,g,或者，此外為了確保安全可靠，或許也要考慮IPv6的應(yīng)用。
3. 移動(dòng)中連接與車與車之間的連接
移動(dòng)體英特網(wǎng)連接是汽車特有的課題。利用便攜式電話(手機(jī))的服務(wù)已經(jīng)逐步實(shí)用化，但是還存在著通信速度或通信收費(fèi)諸類的課題。
另一方面，不一定把IP通信作為前提，但是，在不停車收費(fèi)的車載器(ETC)中使用的DSRC的服務(wù)則仍在研討中，使人注目。今后車內(nèi)局域網(wǎng)應(yīng)用動(dòng)向見圖2
此外，以無線方式的車與車之間通信的實(shí)用化為目的車輛通信聯(lián)合體(Car 2 Car Communication Consortium)于2004年已成立，其動(dòng)向也令人注目。
