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1、-车辆中的网络技术-第 11 页车辆中的网络技术摘要：本文从系统成本，数据传输能力和容错能力三个角度，对五种最广泛使用的车载网络进行了综合调查。本文回顾了每个网络的利弊，并确定了提高服务质量的可能方法。此外，该调查的结论突出了车载网络技术未来发展的趋势。关键词：车载网络；系统成本；传输容量；容错。1.引言汽车电子技术的飞速发展，使汽车已经变成一个由许多控制器和电器构成的非常复杂的分布式控制系统，这为网络技术在汽车中的应用提供了条件。1尽管汽车的主要功能仍然是运输，但我们已经看到了汽车功能的转变，大部分车辆及其电子产品都具有娱乐功能，同时也具有了高度复杂和电子触发的安全功能，这要求车载网络有更高
2、的通讯和容错能力。2图1. 现代汽车典型网络控制系统的结构编码通信早已被用于在车载网络中不同控制器之间的信号传输。这样做有如下几个原因：一是降低电缆成本。线束系统是发动机和底盘之外车辆中第三大成本最高的系统。为了降低生产成本，提高燃油经济性，使用编码通信线路是一个很好的策略；二是节省包装空间。随着车辆尺寸越来越小，电气和电子功能越来越丰富，线束的布线越来越具有挑战性。同时，由于电缆是电磁干扰的潜在受害者以及热源，封装问题绝对不能忽略；三是满足对更高带宽的要求。在一些高端乘用车内，不完全统计有2500个信号在大约70个ECU（电子控制单元）之间传输。此外，ADAS（高级驱动程序辅助系统）和许多其
3、他复杂应用程序的带宽需求不断上升，因此只能使用编码通信来促进这种巨大的数据交换；四是提高通信可靠性。与传统的点对点模拟线路相比，数字传输在信号完整性和鲁棒性方面具有无与伦比的优势。3现代车内通信系统中有五种最广泛的车载网络：LIN（局域网），CAN（控制器局域网），FlexRay，以太网和MOST（面向媒体的系统传输）。每种网络都有自己的竞争优势，但也有一些缺点，这使得任何一种网络都没有能够取代其它网络。42.CAN网络CAN网络长期以来一直用于传输大多数车载通信信号。尽管随后因为CAN不能满足一些要求而开发了各种不同的网络，但CAN仍然保持在汽车网络中的普及，特别是在动力系统和电子系统中。车
4、载CAN芯片估计已达近5亿片。最近的一项预测甚至预计未来十年CAN网络将在车载通信系统中保持蓬勃发展。图2. 车辆中的CAN网络结构CAN协议保持普及的一个重要原因是其相对较低的成本。一些专家认为，只需要3美元的附加成本就能使现有的微控制器配备CAN。5随着越来越多的节能和电磁复杂的CAN收发器被引入市场，CAN网络的硬件成本下降得非常快。另外一个显着的原因是CAN系统的全套工具链，从数据字典设计到生产代码自动生成，从网络仿真到软件验证。这些都有助于显着降低CAN系统的工程成本。CAN网络可能会带有各种拓扑，具体取决于其采用的不同物理层。例如，最广泛使用的CAN网络是高速CAN（波特率高于12
5、5Kbit / s），通常构成线性总线拓扑结构，其特征在于传输电缆末端有两个120终端电阻。6CAN在过去几年中占主导地位的另一个原因是其较好的的抗噪声和容错能力。 CAN网络使用非屏蔽双绞线（UTP），其外部共模干扰的阻抗要高于LIN网络中的未绞线。7这也可以降低高频噪声的辐射。此外，现如今大多数CAN收发器提供了额外的手段来检测和报告不同种类的物理层故障，这有助于维护网络的稳健运行。3.LIN网络节点数持续的增加，技术复杂性的提高以及保持低成本的要求，使得局域互连网LIN(Local Interconnect Network)总线应运而生。开放的LIN总线标准于1997年产生，该标准涵盖传
6、输协议规范、传输媒体规范、开发工具接口和应用编程接口。LIN协议作为一个成本低、距离短、速度慢的串行通讯网络规范，能够连接车辆内各种子系统，增强子系统之间的通讯效率，提高可靠性。同时，在带宽要求不高、功能简单、性能指标较低的情况下，使用更低成本的解决方案补充类似CAN的高端汽车总线的不足。8图3. 基于CAN、LIN总线的的整车管理系统总体结构LIN的最显着的优点是它比其他主要网络低得多的成本。这个优点来自于各方面。首先，LIN控制器比较便宜。LIN模块使用UART（通用异步收发器）端口来发送和接收串行数据。由于UART端口几乎可以在所有微控制器上使用，所以即使最便宜的微芯片也可以用作LIN控
7、制器。其次，LIN的物理通信电缆费用要少得多。LIN站只需要一条非屏蔽信号线来传输数据，其他站只需要相对于自己的地线测量该线上的电压，而不需要额外的参考电缆。第三，LIN软件堆栈比其他主要车载网络相对容易开发，并且只需要有限的内存空间。9因为LIN控制器在几乎所有的MCU上都可以使用，所以通常只需要在收发器和电缆上投入12美元来构建最简单的LIN网络。目前，LIN仍然广泛应用于汽车网络，主要是因为其无与伦比的成本竞争力。LIN网络主要构成线性总线拓扑结构，并以自动从属模式运行。考虑到汽车LIN网络中通常使用的波特率为19.6 Kbit / s，LIN有效载荷的理论极限为10.12 Kbit /
8、 s。然而，实际上由于许多原因，例如浪费带宽和高达40的位时间容限，此限制可能无法充分利用。因此，LIN不适用于时序要求严格的通讯。10LIN采用一个补码加法校验和来检测传输错误。然而，这仍然不能检测补偿误差，也不是数据无关的。分析表明，在最坏的情况下，这种校验和算法在LIN通信中可能会有大约1/16的未检测到的两位错误率，对于任何与安全相关的应用来说，这种差错相当差。虽然与其他主要车载网络相比，LIN网络的容错能力有限，但其轮询传输机制可以有效消除消息冲突和仲裁延迟。其他网络也可以采用这种机制来加强其确定性。114. 网络为了解决不确定性，增加带宽和增强LIN和CAN等网络的故障抵抗的目标，
9、FlexRay由FlexRay联盟提出。目前，它已经越来越多地用于车辆动力学领域和域间通信。12FlexRay网络具有比LIN和CAN快得多的传输速度和更大的容错能力,因此也具有更高的成本。13从系统组成的角度来看，FlexRay使用与CAN相同的传输媒体，通常要求CAN两倍的电缆和收发器冗余，以实现高容错能力。因此，即使对于仅具有两个节点的最简单的FlexRay网络，也将有四个收发器和两个分开布线的传输电缆，总共可能需要1214美元，更不用说两个独立通道之间协调工程的复杂性。与其他汽车总线不同，FlexRay具有两个并行通道，每个通道高达10 Mbit / s。额外的通道被设计为在另一个通信
10、故障的情况下备份。然而，由于两个通道的独立性，两个通道并不总是需要传输相同的数据，这实际实现了FlexRay 20 Mbit / s的传输带宽（以冗余丢失为代价）。与LIN和CAN类似，FlexRay网络通常只需要参考用于车载通信的OSI模型的物理层，数据链路层和应用层。14有关FlexRay传输能力的三个最突出的属性：一是它可以在同一周期内传输确定的动态数据;二是它具有比LIN和CAN更大的有效载荷; 三是在网络拓扑方面非常灵活。15FlexRay拥有一系列有特色的功能，有助于增强其故障抵抗能力。最突出的特点是它有两个独立的渠道。两个通道不仅通过不同的硬件路径（如通信线路和总线驱动器）物理分
11、离，而且还分别执行信号采样，编码，解码和冗余校验。不可避免地，FlexRay在容错方面也有一些缺陷。例如，FlexRay不支持故障通知/确认机制，这意味着接收方将丢弃错误的消息而不通知发送方。由于不提供重传，如果静态消息无法在一个时隙中成功传递，则发送方必须等待下一个周期才能进行下一次尝试。165.以太网络随着ADAS（高级驱动程序辅助系统）和多媒体功能在较新车辆中的应用越来越多，车载网络带宽越来越大。以太网是CAN和FlexRay以外的下一代车载网络非常有希望的候选者。近年来，汽车行业越来越受到重视。以太网作为一个新兴的汽车网络具有与IT（信息技术）和电信等其他大行业共享成本的独特优势，因为
12、千兆级的高速以太网已经在这些行业得到广泛应用。 但是因为屏蔽电缆价格昂贵以及内部处理单元的高要求，千兆以太网目前不适用于汽车行业。这可能部分解释了为什么以太网大多使用的速度比千兆比规格低得多，只有在诸如ECU闪存的应用中，而不是相机或许多其他先进的车辆安全系统。显然，成本过去一直是阻碍以太网渗透到汽车市场的关键因素。与其他主要车载网络相比，以太网具有非常高的有效载荷和协议效率。IEEE 802.3标准以太网分组格式（最小数据帧大小应不小于64字节）清楚地表明以太网分组的最大有效载荷为1500字节，分组长度为1538字节。以太网的最大协议效率等于97.53。17以太网容错的能力与传输媒体，有效载
13、荷，传输模式等多重因素有关。例如，使用光缆可能会比使用非屏蔽电缆显着降低比特出错概率（BER）。如果受保护的位长度从2975到91607，则32位CRC仅具有4的汉明距离，但如果受保护的位长度为2974或更小，则汉明距离可以升高到5。媒体访问控制（CSMA / CD机制）仅响应半双工模式，但在全双工模式下忽略它们。6.MOST网络MOST是针对车载多媒体和信息娱乐数据传输优化的高速网络。MOST公司开发的MOST网络已经从MOST25（光）到MOST50（电/光）和最新的MOST150（基于同轴电缆/光电的电器）发展，对于同步和异步数据传输都是可靠的。多年来，MOST网络受到消费电子设备日益增
14、长的影响。现在的趋势是在一个MOST网络中ECU的数量较少，但ECU的复杂性和网络带宽正在急剧增加。18成本是MOST网络的一个非常关键的因素。自从其首次引入汽车以来，在接下来的几年中MOST已被越来越多的车型所采用。然而，一些车辆平台在其后来的车型中放弃了MOST，这仅仅是因为与其他车载网络相比，成本高昂不可接受。MOST物理层的主要成本不是聚合物光纤（POF）电缆，而是连接器和收发器。主要原因是光连接器必须被屏蔽并放置在不同的情况下，加上光发射器和接收器通常需要制成两个独立的封装。19虽然MOST150（MOST网络的带宽为150 Mbit / s）支持同轴电缆上的电气物理层，这比聚合物光
15、纤（POF）便宜得多，但是最简单的MOST150网络在物理组件上的花费仍然达到10美元。20由于其传输不同类型数据的带宽和通用性高得多，所以MOST从许多车载通信网络中脱颖而出。在过去几年中，MOST技术不断发展，以满足对传输速度和数据类型日益增长的需求。一般来说，MOST支持从大约25Mbit / s到150Mbit / s的波特率传输流数据，分组数据和控制数据。MOST150的最大协议效率为96.88，相应的有效负载大小和数据帧长度分别为372字节和384字节。由于其高吞吐量和确定性，MOST150被一些专家认为能与ADAS完美契合。首先，光缆免受电磁干扰，其接口通讯错误率低于。其次，诸如
16、CRC和创建冗余互连环的一些其他特征也有助于增加其对错误的抵抗力。217.传输数据类型A控制数据（1）低带宽控制应用车辆中低带宽，低服务质量（QoS）要求的控制子系统。这包括控制车辆方面不是安全关键的系统，例如舒适子系统中的电子控制座椅和镜子。（2）实时控制应用车辆内具有相对较低带宽要求但高/实时QoS要求的系统，例如悬架和制动系统，ABS，牵引力控制等。通常，在现代车辆中，这些系统使用CAN总线网络，其提供低带宽但是高可靠性。B安全数据越来越多的现代车辆配备了一些内置驾驶员辅助安全系统。这些可以包括使用LIDAR或RADAR传感器的自适应巡航控制，停车传感器和使用红外传感器的夜间行人检测。C
17、.信息娱乐数据信息娱乐流量包含与车内娱乐和驾驶员信息系统相关的所有网络流量。这包括全球定位系统系统，仅显示相机馈送，音频和视频娱乐以及其他网络流量（例如，3G / UMTS / 4G因特网连接）。D司机协助相机驾驶员辅助摄像机在车辆中越来越普遍。它们需要高带宽，并且根据应用，高QoS。这可以包括无源系统，例如用于显示给驾驶员的反转摄像机或主动系统，例如使用前后光学摄像机的车道偏离检测。8.车辆互联网车联网将会是未来的互联网的一部分，未来的车辆将能够同周围的其它车辆或环境共享信息和服务，如驾驶信息，生态驾驶信息，交通状况信息，以及周围的车辆和环境信息，车联网所带动的新兴服务将是未来互联网服务不可
18、分割的组成部分。来自环保，安全，经济，福利等方面的社会需求，必将导致利益相关者大力推动这些新兴服务的发展。车联网服务与未来的互联网服务是互动的，而未来互联网概念会是车联网概念的基石。对于未来的车联网发展，未来的车辆均应配置以下功能：（1）自动控制模块 ：自动驾驶 ；（2）车辆状态感知模块 ：胎压、车速、车身系统、硬件配置是否工作正常；（3）周围环境感知 ：交通信息、道路信息 ；（4）驾驶员身体状态感知 ：疲劳度、注意力；（5）无线通信模块：与路侧单元、周围车辆、控制中心通信；（6）辅助驾驶模块 ：语音控制、导航控制、定位精确；（7）娱乐信息模块：网络购物、聊天、上网、多媒体下载、电子商务等等
19、；（8）其他硬件配置：车辆身份证、数字仪表、自动空调、感应雨刷、灯光控制、电控座椅、智能玻璃（娱乐信息、导航等模块数据可以在前挡风玻璃上显示）；（9）软件配置：智能交通控制系统、智能人车协同系统、自我学习。车辆互联网正在发展成为一个全球性的车辆网络。智能交通中“连接驱动”的新兴概念是车联网的基础。车联网的两个主要目标包括车辆各种安全和效率特征的自动化以及车辆网络的商业化。如果挑战和问题将得到解决，车联网的未来是光明的。9.总结和展望本文回顾了目前最受欢迎的五个车载通信网络。分析和比较主要从系统成本，通信能力和容错能力的角度出发。每个网络的主要特点如下。LIN网络具有无与伦比的成本优势和工程简单
20、性。这些特点使其在许多低速和简单的应用中仍然受欢迎。22经过几十年的发展，CAN通信已成为一种被广泛接受和可靠的技术。然而，标准CAN现如今已无法满足诸如ADAS等流行安全系统的时序或带宽要求。23FlexRay目前具有最高的确定性和容错能力，因此非常适用于车辆动力学和安全控制。到目前为止，实际上只有有限数量的车型使用了FlexRay 通讯控制系统。许多人只是利用其宽带宽和高确定性，并将其仅用作通信骨干。24FlexRay系统成本仍然相对昂贵，在当前阶段具有很高的工程复杂性，这可能会阻碍其快速扩展到许多其他领域。尽管以太网是一种用于车载通信网络的新兴通信技术，它已经在许多其他行业中被长期使用。
21、它可能会逐渐将整个车载网络转变为全面的端到端以太网解决方案。尽管被认为是整合许多其他车载网络的最佳定位网络，但MOST在传输和故障抵抗能力方面仍然需要很大的进步。 目前，仅在串联生产车辆的信息娱乐和导航系统中成功应用。MOST150网络的性能仍远远低于MOST技术的理论极限，预计将来有很大的发展空间。25参考文献1 K. Pretz, “Fewer wires, lighter cars,” IEEEThe Institute, Piscataway, NJ, USA, Apr. 12, 2013 Online. accessed on Nov. 07, 2014.2 J. Chacko, “
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