2.1 ECU與汽車總線
在關于軟件定義汽車的眾多討論中，電子電氣架構這一術語頻繁出現。要深入理解汽車的電子電氣架構，必須先掌握ECU和汽車總線這兩個核心概念。其中，ECU的出現頻率顯著高于汽車總線，它已成為新能源整車工程師頻繁使用的專業術語。
2.1.1 ECU
先來介紹一下汽車尤其是電動汽車繞不開的基本概念——ECU。1978年，通用汽車第一次在汽車上引入了包含軟件的半導體設備——發動機控制單元（Engine Control Unit，ECU）。當然現在的ECU不只是控制汽車發動機，Ｅ已經從Engine變成了Electronic，因此，現在的ECU是電子控制單元（Electronic Control Unit）的縮寫。為了避免混淆，原先的ECU現在已經改稱為發動機控制模塊（Engine Control Module，ECM）或發動機管理系統（Engine Management System，EMS）。
ECU俗稱行車電腦、車載電腦，顧名思義，ECU主要是利用各種傳感器設備的反饋信號和總線傳輸數據，判斷車輛狀態以及司機的意圖，并通過執行器來實時監測和操控汽車的各個部件，如發動機、變速器、空調系統、剎車系統、安全氣囊等。
對一輛現代化的汽車來說，ECU的作用非常重要，它可以影響汽車的動力、油耗、排放和安全性。如果ECU出現故障或不匹配，就可能會產生發動機抖動、失火、功率下降、油耗增加、排放超標等問題。ECU的出現徹底改變了傳統的手動控制發動機的方式，是汽車從機械時代步入電子電氣時代的象征。
ECU的內部構造如圖2-1所示。
● 電源：向ECU內的各模塊提供穩定的電壓（5V、3V等），且與發動機艙的12V電池連接；也可用于A/D轉換器的標準電壓，從而實現較高精度。
● 輸入緩沖器：將數字輸入信號轉換為可輸入至微控制器單元的信號級（信號電平）。
● A/D轉換器：將模擬輸入信號轉換為可輸入至微控制器單元的數字值。
圖2-1 ECU的內部構造
● 微控制器單元（Micro Controller Unit，MCU）：MCU又稱單片微型計算機或者單片機，是ECU內部的核心運算器件，其作用是通過各種輸入信號計算出控制量并輸出，車規級MCU芯片已經是汽車電子不可或缺的核心元器件。
● 輸出驅動器：將微控制器單元的輸出信號轉換為執行器可驅動的信號形態，或者增幅電壓。
● 通信電路：近年來為了滿足多種ECU之間密切協同控制，在ECU中還設置了通信手段；通信電路包括通信驅動器/接收器，通信驅動器將微控制器單元的輸出數據轉換為遵循通信協議的通信信號；通信接收器將其他ECU發送的信號轉換為可輸入至微控制器單元的信號級。
ECU已經成為汽車尤其是電動汽車上最常見的部件之一，如圖2-2所示，豪華汽車會配置多達150多個ECU，特斯拉Model Y的ECU數量有26個。
ECU依據不同的功能用途可以分為不同的類型，表2-2列舉了一些常見的ECU，它們直接向執行機構（如電子閥門、繼電器開關、執行馬達等）發送指令，以控制發動機、變速箱、動力電池等協同工作。
圖2-2 多樣化的ECU
表2-2 一些常見的ECU
以電池管理為例，VCU通過CAN總線和BMS進行信息交互，實時獲取電池組的狀態，同時也會根據車主給出的指令控制高壓電是否可以輸出，以及完成能量回收等功能。再如車輛狀態監視功能的實現方式是，VCU通過內部CAN總線網絡實時監控車輛狀態，并通過儀表處理器將各項信息呈現在儀表上，當車輛某項參數值出現異常時，VCU會同時發出報警信號，并將故障通過儀表進行警示。
例如，作為汽車大腦的VCU是整輛汽車的核心控制部件。VCU有很多功能，包括驅動力矩控制、制動能量的優化控制、整車的能量管理、CAN總線的維護和管理、故障的診斷和處理、車輛狀態監視、電池管理等。VCU功能如圖2-3所示。
圖2-3 VCU功能
車規級芯片是什么？
相較于手機上使用的消費級芯片，車規級芯片的安全性要求更苛刻，
在溫度、濕度、使用壽命、驗證標準等方面都更嚴格。只有通過嚴苛的AEC-Q100、IATF 16949、ISO 26262三大車規級芯片認證，才是嚴格意義上的車規級芯片。車規級芯片要通過車規級認證難度大、周期長，從流片到量產出貨，往往需要3～5年的時間。
2.1.2 汽車總線
總線（bus）是一個計算機術語，指的是計算機設備之間傳輸信息的公共數據通道。汽車總線（Automobile Bus）則是車輛網絡中底層車輛設備和儀器儀表相互連接的通信網絡，任何遵循上述通信協議的供應商生產的ECU都可添加到該網絡系統中或者從網絡系統中移除，幾乎不需要修改硬件和軟件。
汽車總線的快速發展總體上是由于傳統的電氣網絡不能適應汽車電動化和智能化的快速進步而被驅動起來的，因為以往系統間的交互比較少，傳統的電氣系統大多采用點對點的單一通信方式，而電動化和智能化使得電氣部件變多、功能變多、交互變多，這樣線束的粗細、數量、重量和成本會急劇增長，同時線束的體量與有限的載客空間之間產生矛盾，傳統布線方法不能適應新時期的發展。因此，汽車總線向網絡化和集成化兩個方向發展，支持更高的帶寬、更強的實時性和可靠性以及更靈活的網絡拓撲結構。
汽車線束（Automobile Wire Harness）是什么？
從概念上看，汽車線束是電路中連接各電氣設備的接線部件，由絕緣護套、接線端子、導線及絕緣包扎材料等組成。從外觀上看，汽車線束通常由一條長電線和若干分支電線組成，并被包裹在聚氯乙烯絕緣材料外殼內。這些電線可以連接到汽車內部的ECU、車燈、車門鎖、汽車音響系統等各種電氣部件。
汽車線束的質量和防水能力很重要，因為它們必須能夠承受汽車內部的高溫、振動和水泡，同時還要能夠防止電線斷裂或短路，否則線束故障會危
及駕乘安全。汽車線束是汽車電路的網絡主體，連接汽車的電氣電子部件并使之發揮功能，如果沒有汽車線束，汽車電路就不存在。圖2-4展示了一臺新能源車的整車線束。
圖2-4 一臺新能源車的整車線束
目前主流的汽車總線包括以下4種：控制器局域網（CAN）總線、本地互聯網絡（Local Interconnect Network，LIN）總線、高速容錯網絡協議FlexRay總線以及用于汽車多媒體和導航的MOST（Media Oriented System Transport）總線。除上述4種總線外，還有不少特種總線，如低電壓差分信號（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）總線，這些小眾總線不在本書講解范圍之內。
● CAN總線。1986年，為了擺脫車窗、雨刮以及信息娛樂系統等各個ECU通信接口混亂、各自獨立的困境，德國博世公司（Bosch）憤而提出CAN總線，希望以串行通信協議來實現ECU之間的數據交換。CAN總線又被稱為汽車總線，是一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡，它將各個單一的控制單元以某種形式（多為星形）連接起來，形成一個完整的系統。CAN總線具有非破壞性仲裁的載波偵聽、多路訪問、避免沖突等特點，實時性和抗干擾能力很強，可靠性也很高，在現今高檔汽車的電子系統中已得到廣泛應用，成為歐洲汽車制造業的主體行業標準，代表著汽車電子控制網絡的主流發展趨勢。世界上很多著名的汽車制造廠商，如大眾（Volkswagen）、梅賽德斯-奔馳（Mercedes-Benz）、寶馬（BMW）、保時捷（Porsche）、勞斯萊斯（Rolls-Royce）等公司都已經采用CAN總線來實現汽車內部控制系統的數據通信。
● LIN總線。LIN總線是由摩托羅拉（Motorola）與奧迪（Audi）等知名企業聯手推出的一種新型低成本的開放式串行通信協議，主要用于車內分布式電控系統，尤其面向智能傳感器或執行器的數字化通信場合。LIN總線主要應用于控制電動門窗、座椅調節、燈光照明等。典型的LIN的節點數可以達到12個。以門窗控制為例，在車門上有門鎖、車窗玻璃開關、車窗升降電機、操作按鈕等，只需要一個LIN就可以把它們連接為一體。而通過CAN網關，LIN還可以和汽車的其他系統進行信息交互，實現更豐富的功能。作為CAN總線的補充，LIN總線目前已經成為國際標準，被大多數汽車制造商和零部件生產商所接受，LIN總線的結構如圖2-5所示。
圖2-5 LIN總線的結構
● FlexRay總線。FlexRay是FlexRay聯合組織提出的一種用于汽車的高速、確定性的具備故障容錯能力的總線技術，它將事件觸發和時間觸發兩種方式相結合，具有高效的網絡利用率和系統靈活性，可以作為新一代汽車內部網絡的主干網絡，應用在無源總線或星形網絡拓撲結構中，也可以應用在這兩者組合的拓撲結構中。這兩種拓撲結構均支持雙通道ECU，這種ECU集成了多個系統級功能，以節約生產成本并降低復雜性。雙通道架構提供冗余功能，并使可用帶寬翻了一番。每個通道的最大數據傳輸速率達到10Mbit/s。目前FlexRay主要應用于事關安全的線控系統和動力系統，應用在寶馬的高端車型上。
● MOST總線。MOST是面向媒體的系統傳輸總線，是寶馬公司、戴姆勒-克萊斯勒（Daimler Chrysler）公司、音響系統制造商Harman/Becker公司和 Oasis Silicon Systems公司的一項聯合成果，而不是正式的標準。MOST總線的設計旨在提供高質量、高帶寬的音頻和視頻數據傳輸，支持各種類型的多媒體設備。MOST總線通過環狀結構連接各個控制單元，具有高傳輸速率、低時延、高可靠性等特點。
三代CAN總線
? 1986年，博世發明了CAN，第一代CAN CC（CAN Classic）的一幀數據最長為8字節。
? 2011年，博世發布了第二代CAN通信技術CAN FD（Flexible Data-Rate），優化了通信帶寬和有效數據長度，CAN FD的一幀數據最長為64字節，使得通信速率可達到5Mbit/s，在大眾第八代高爾夫車型上得到應用。
? 2020年，第三代CAN通信技術CAN XL（eXtended Length）啟動，XL的一幀數據最長為2048字節，可實現高于10Mbit/s的比特率，填補了CAN FD與100BASE-T1（以太網）之間的空白。
常見汽車總線的對比如表2-3所示。
表2-3 常見汽車總線的對比
*類別：絕大多數車用總線被美國汽車工程師協會（Society of Automotive Engineers，SAE）下屬的汽車網絡委員會按照協議特性分為A（低速）、B（中速）、C（高速）、D（高性能）四類。
這4種總線各有優勢，套用網上的一句話，我們就能很形象地理解它們各自的定位：“CAN是中堅，LIN是CAN的副手，FlexRay是未來的希望，MOST則負責文化事業”。為了支持更多的電動汽車應用場景，更高帶寬、更低時延的總線方案指向了以太網，以太網數據傳輸速率可高達1 Gbit/s，遠高于傳統車載網絡技術，如CAN或FlexRay，這使得以太網特別適用于像自動駕駛這類數據密集型的應用場景。同時，以太網標準化程度比較高，成本效益比較可觀，技術成熟度很高，雖然以太網上車仍然存在網絡管理復雜度高、時延高、丟包率高等問題，但其諸多優勢使得以太網取代CAN/LIN等傳統汽車車內通信網絡的趨勢成為必然。