第四節 車載網絡分類和協議標準

國際上眾多知名汽車公司早在20世紀80年代就積極致力于汽車網絡技術的研究及應用，迄今為止，已有多種網絡標準。目前存在的多種汽車網絡標準，其側重的功能有所不同。

按照系統的復雜程度、通信速率、必要的動作響應速度、工作可靠性等方面的因素，SAE車輛網絡委員會將汽車數據傳輸網劃分為A、B、C、D和E共5類。汽車數據傳輸網的類型見表1-7。

一、A類網絡標準

A類網絡是應用在控制模塊與智能傳感器或智能執行器之間的通信網絡（子總線），例如，在大眾邁騰轎車上面就運用了幾個A類網絡用來控制智能刮水器、自動空調等系統，其特點是低傳輸位速率、低成本。

A類網絡標準見表1-8。很多A類總線標準都已淘汰，A類的網絡通信大部分采用UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用異步收發器）標準。目前還在應用的主要是LIN協議、TTP/A協議和豐田專用BEAN協議等。

（1）LIN協議 目前首選的A類網絡標準是LIN。目前有大量的車型采用此協議標準為車載A類網絡。LIN是用于汽車分布式電控系統的一種新型低成本串行通信系統，它是一種基于UART的數據格式、主從結構的單線12V的總線通信系統，主要用于智能傳感器和執行器的串行通信。

LIN采用低成本的單線連接，傳輸速率最高可達20kbit/s，它的媒體訪問采用單主/多從的機制，不需要進行仲裁，在從節點中不需要晶體振蕩器而能進行自同步，采用8位單片機，這極大地減少了硬件平臺的成本，其應用示例如1-31所示。

（2）TTP/A協議 最初由維也納工業大學制定，為時間觸發類型的網絡協議，主要應用于集成了智能變換器的實時現場總線。它具有標準的UART，能自動識別加入總線的主節點與從節點，節點在某段已知的時間內觸發通信但不具備內部容錯功能。

（3）BEAN協議BEAN（Body Electronic Area Network，車身電子局域網絡），是豐田汽車專用的雙向通信網絡。它是一種多總線車身電子局域網，由儀表板BEAN系統、轉向柱BEAN系統和車門BEAN系統等組成。最大傳輸速率10kbit/s，采用單線制，數據長度為1～11個字節。

二、B類網絡標準

B類總線標準見表1-9。從目前來看，主要應用的B類總線標準有三種：低速CAN、J1850和VAN。低速CAN是B類總線的國際標準，以往廣泛適用于美國車型的J1850正逐步被基于CAN總線的標準和協議所取代。B類總線性能比較見表1-10。

（1）J1850 1994年SAE正式將J1850作為B類網絡標準協議。最早，SAEJ1850用在美國Ford、GM以及Chrysler公司的汽車中；現在，J1850協議作為診斷和數據共享被廣泛應用在汽車產品中。但是，J1850并不是一個單一標準。Ford采用的J1850標準，其物理層與GM和Chrysler公司使用的不同；而GM和Chrysler公司在相同的物理層上又使用不同的數據幀格式，并且三個公司使用各自的消息協議。現在已停止使用，全部轉至CAN總線。

（2）低速CAN CAN-BUS是德國博世公司從20世紀80年代初，為解決現代汽車中眾多的控制單元之間數據交換問題和控制單元與測試儀器之間的數據交換問題而開發的一種串行數據通信協議。

低速CAN是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，目前主要應用為雙絞線，通信速率可達125kbit/s。1991年首次在奔馳S系列汽車中實現。同年，Bosch公司正式頒布了CAN技術規范，版本2.0。該技術規范包括A和B兩部分。1993年11月，ISO正式頒布了國際標準ISO11898，為CAN的標準化、規范化鋪平了道路。1994年，美國汽車工程師協會貨車和大客車控制與通信子協會選擇CAN作為SAEJ1939標準的基礎。低速CAN具有許多容錯功能，一般用在車身電子控制中。綜上所述，CAN總線憑借其突出的可靠性、實時性和靈活性已從眾多總線中突顯出來，成為世界接受的B類總線的主流協議。

（3）VAN VAN（Vehicle Area Network，車輛局域網），是現場總線的一種，主要在法國車中應用，由法國的雷諾汽車公司和標致集團聯合開發。VAN通信介質簡單，位傳輸速率可達1Mbit/s（40m內），主要用于車身電子控制。

VAN支持分布式實時控制的通信網絡，可廣泛應用于汽車門鎖、電動車窗、空調、自動報警以及娛樂控制等系統。VAN總線作為串行通信網絡，與一般總線相比，其數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。

三、C類網絡標準

由于高速總線系統主要用于與汽車安全相關，以及實時性要求比較高的地方，如動力系統等，所以其有高傳輸速率，通常在125kbit/s～1Mbit/s之間，支持實時的周期性的參數傳輸，高速網絡主要用于動力控制系統、電子制動系統等。C類總線標準見表1-11。C類總線性能比較見表1-12。

（1）TTP/C協議TTP/C協議由維也納工業大學研究，是基于TDMA的訪問方式。TTP/C是一個應用于分布式實時控制系統的完整的通信協議。它能夠支持多種容錯策略，提供容錯的時間同步以及廣泛的錯誤檢測機制，同時還提供節點的恢復和再整合功能。其采用光纖傳輸的工程化樣品速度將達到25Mbit/s。TTP/C支持時間和事件觸發的數據傳輸。TTP管理組織TTA Group成員包括奧迪、SA、Renault、NEC、TT Chip、Delphi等。

（2）FlexRay FlexRay是BMW、Daimler-Chrysler、Motorola和Philips等公司制定的功能強大的通信網絡協議。它是基于FTDMA的確定性訪問方式，具有容錯功能及確定的通信消息傳輸時間，同時支持事件觸發與時間觸發通信。具備高速率通信能力。FlexRay采用冗余備份的辦法，對高速設備可以采用點對點方式與FlexRay總線控制器連接，構成星型結構，對低速網絡可以采用類似CAN總線的方式連接。

（3）高速CAN歐洲的汽車制造商基本上采用總線標準ISO11898。總線傳輸速率通常在125kbit/s～1Mbit/s之間。據Strategy Analytics公司統計，2008年用在汽車上的CAN節點數目超過7億個。已成為事實上的國際標準，目前在高速網絡通信系統中，應用得最為廣泛。然而，作為一種事件驅動型總線，CAN無法為下一代線控系統提供所需的容錯功能或帶寬，因為X-by-Wire系統實時性和可靠性要求都很高，必須采用時間觸發的通信協議，如TTP/C或FlexRay等。

CAN協議仍為C類網絡協議的主流，但隨著汽車中引進X-by-Wire系統，TTP/C和FlexRay將顯示出優勢。它們之間的競爭還要持續一段時間，在未來的線控系統中，到底哪一種標準更具有生命力尚難定論。

TTP/C和FlexRay應用于X-by-Wire系統（電傳控制），X-by-Wire最初是用在飛機控制系統中，稱為電傳控制，現在已經在飛機控制中得到廣泛應用。由于目前對汽車容錯能力和通信系統的高可靠性的需求日益增長，X-by-Wire系統開始應用于汽車電子控制領域。X-by-Wi re技術將使傳統的汽車機械系統（如制動和駕駛系統）變成通過高速容錯通信總線與高性能CPU相連的電氣系統。

四、D類網絡標準（多媒體系統總線標準、協議）

汽車信息娛樂和遠程信息設備，特別是汽車導航系統，需要功能強大的操作系統和連接能力。目前主要應用的幾種D類總線協議見表1-13。

汽車多媒體網絡和協議分為三種類型，分別是低速、高速和無線，對應SAE的分類相應為IDB-C、IDB-M和IDB-W，其傳輸速率為250kbit/s～100Mbit/s。

低速用于遠程通信、診斷及通用信息傳送，IDB-C按CAN總線的格式以250kbit/s的位速率進行信息傳送。由于其低成本的特性，早期的汽車多媒體網絡多采用該模式，但一般不傳輸媒體信息，主要完成操作指令的傳輸。

高速主要用于實時的音頻和視頻通信，如MP3、DVD和CD等的播放，所使用的傳輸介質是光纖，這一類里主要有D2B、MOST和IEEE1394。

無線通信方面，采用藍牙規范。

五、E類網絡標準（安全總線標準）

安全總線主要用于安全氣囊系統，以連接氣囊控制電腦、加速度計、安全傳感器等裝置，為被動安全提供最佳保障。

典型的安全總線標準如BMW公司的Byteflight。Byteflight協議是由BMW、Motorola、Elmos和Infineon等公司共同開發的，試圖用于安全保障系統。此協議基于靈活的時分多路TDMA協議，以10Mbit/s的速率傳送數據，光纖可長達43m。其結構能夠保證以一段固定的等待時間專門用于來自安全元件的高優先級信息，而允許低優先級信息使用其余的時段。這種決定性的措施對安全是至關重要的。

Byteflight不僅可以用于安全氣囊系統的網絡通信，還可用于X-by-Wire系統的通信和控制。BMW公司在2001年9月推出的BMW7系列車型中，采用了一套名為ISIS的安全氣囊控制系統，它是由14個傳感器構成的網絡，利用Byteflight來連接和收集前座保護氣囊、后座保護氣囊以及膝部保護氣囊等安全裝置的信號。在緊急情況下，中央電腦能夠更快、更準確地決定不同位置的安全氣囊的施放范圍與時機，發揮最佳的保護效果。

六、診斷系統總線標準、協議

故障診斷是現代汽車必不可少的一項功能，使用診斷系統的目的主要是為滿足OBD-Ⅱ、OBD-Ⅲ或E-OBD標準。目前，汽車的故障診斷主要是通過一種專用的診斷通信系統來形成一套較為獨立的診斷網絡。

OBD-Ⅱ第二代隨車電腦診斷系統，由美國汽車工程學會1994年提出。自1994年以來，美、日、歐的一些主要汽車生產廠為了維修方便逐漸使用OBD-Ⅱ隨車診斷系統。這一系統集故障自診斷系統軟硬件結構、故障碼、通信方式系統、自檢測試模式為一體，具有監視發動機微機和排放系統部件的能力。

2004年，美國GM、Ford、DC三大汽車公司對乘用車采用基于CAN的J2480診斷系統通信標準。在歐洲，從2000年開始，歐洲汽車廠商就已經能夠開始使用一種基于CAN總線的診斷系統通信標準ISO15765。采用了CAN總線作為診斷總線后，需要使用CAN專用診斷頭以連接車載控制單元。目前，除了CAN網絡，LIN協議也已經成為汽車診斷的總線標準。目前應用的主要診斷總線見表1-14。

七、汽車網絡的發展趨向

X-by-Wire，即線控操作，是未來汽車的發展方向。X-by-Wire在汽車上的實際應用如圖1-32所示。該技術來源于飛機制造，基本思想就是用電子控制系統代替機械控制系統，減輕重量，提高可靠性，如Steer-by-Wire和Brake-by-Wire等。由于整個設計思想涉及動力、制動、方向控制等關鍵功能，對汽車網絡也就提出了不同要求。在未來的5～10年里，X-by-Wire技術將使傳統的汽車機械系統變成通過高速容錯通信總線與高性能CPU相連的電氣系統。在一輛裝備了綜合駕駛輔助系統的汽車上，目前存在幾種相互競爭的網絡技術，包括前文提到的TTP、Byteflight和FlexRay以及TTCAN（時間觸發的CAN）。

隨著汽車智能化時代的到來，道路運輸實況報告、安全行車、停車位管理、高速公路自動計費、旅游向導、社區汽車服務等都可以實現全面的智能化。信息技術給人類生活帶來了便利，同時也改變了人類的出行方式。

國際上大型整車制造商掌握著網絡總線技術，它們有一整套自己的網絡總線標準體系。為了保證所有零部件在網絡總線中能夠相互通信，供應商都必須按照標準來開發零部件。網絡總線的開發大多是V模式開發流程，即先定義系統功能，進行成本和可靠性分析，然后按照需求設計拓撲結構、定義ECU功能，參考國際標準制定協議、ECU實現、組建測試、集成測試、ECU測試等，最終對設計出來的網絡總線節點功能及結構進行驗證和集成，如圖1-33所示。