汽车总线系统通信协议的探讨与比较

汽车总线系统通信协议的探讨与比较摘要：本文主要针对汽车电子控制系统和车载多媒体系统，探讨汽车总线系统通信协议的发展趋势和技术特点。在对诸多组织和汽车制造商研发的各类汽车总线进行比较和探讨的基础上，对其现状进行了分析；并综合汽车工业的特点对这两大类汽车总线协议的发展前景作了探讨。关键词：汽车总线技术；多媒体通信系统;线控系统总线1．引言随着微控制器在汽车控制领域上的广泛应用，汽车电子化程度越来越高。按照对汽车性能的作用划分，汽车电子系统可归纳为两类：一类是汽车电子控制系统，包括安全系统、各类传感装置、线控转向、线控刹车等。另一类是车载多媒体系统，具有信息处理，如通讯导航，以及娱乐功能，包括DVD和后座娱乐系统等。为减少成本和简化线路，各汽车制造商纷纷采用各种总线控制技术，最早可追溯到70年代。其中被广泛应用的是BUCSH公司提出的CAN系统。开始时大部分汽车制造商都是根据具体的应用要求开发一些能满足当前需求的协议，并没有一个满足所有应用的统一协议。面对汽车控制子系统的不同应用要求，汽车厂采用的方案大多是多个协议混合使用，即由各子系统决定各自采用哪一类协议，如有通信必要，各协议中间再由网关互相连接。在图1可以看到，动力控制系统采用CAN总线，如，防抱死刹车，引擎控制等，其他一些简单的车身控制则采用了LIN总线，如车门，车灯等，车上的多媒体系统则同时采用了IDB1394和MOST系统。这些不同的总线之间用网关联系。但是关于协议统一的问题并没有消失，是多种协议并用，还是单一协议实现各种功能，那一个更经济、更有效率？对这个问题的讨论，随着微处理器在汽车上普及又逐渐展开。此主题相关图片如下：此主题相关图片如下：下文将从汽车电子控制系统和汽车多媒体通信两个方面对汽车总线协议的现状分别予以介绍，再从汽车工业的特点出发分析这些协议的发展趋势。图2中列举了一些近期被讨论得比较多的一些总线协议，和它们的速率以及应用范围。[1]其中车身电子，被动安全，线控系统（XbyWire），主动安全是属于汽车电子控制系统。而信息提供和娱乐是属于多媒体系统。我们可以看到，传输速率的增长非常迅速，而且多媒体系统所需的总线速率远远大于电控系统所需要的。2．汽车电控系统的主要通信协议早期提出的汽车总线协议基本都集中于汽车电子控制系统，如LIN和CAN系统，在SAE的ClassA,B,C三种分类中可以看到其发展过程，目前三种级别的大部分汽车总线，已经有成功的应用。但是由于汽车设计对于控制和监测系统，在传输速率和实时性方面提出了越来越高的要求，使得新的协议不断的被提出。下面就针对电控系统的几种主要总线协议做一些比较分析。2.1协议比较及技术特征分析在下列介绍的总线协议中，LIN是ClassA类的协议，CAN2.0是属于ClassC类的协议。而TTCAN;Byteflight;Flexray;TTP等协议的应用范围和特征规范已经突破了ClassA,B,C的概念，适应了汽车功能模块的新概念。作为CAN协议的一种延伸，TTCAN(TimeTriggeredCAN)协议执行的是一个混合的，时间触发的，按照TDMA方式的同时适用于事件触发的通信。TTCAN提出是希望满足汽车线控系统的新概念，但是目前仍缺乏支持厂商和应用计划。Byteflight的协议结构能保证以一段固定的等待时间专门用于来自安全元件的高优先级信息，而允许低优先级信息使用其余的时段。这种决定性的措施对安全是至关重要的。该协议和塑料光纤相结合，已经在宝马新型车上应用于安全气囊的控制。FlexRay支持先进的汽车高速控制应用的未来要求，通信协议由TDMA和事件两部分构成。TDMA在启动时根据所有后续参与的节点定义，是唯一的传输通道标识符。事件部分的节点采用Bytefligh协议。可以说Flexray是从Byteflight之上发展起来的。Flexray即保证了系统对于安全性的要求，设计了很高的通信带宽水平和容错能力，又尽量保持灵活性，降低节点成本。系统高度可扩展，从单通道总线到双通道多星型拓扑结构。甚至允许在一个系统中同时有单通道和双通道的节点。不同于Flexray，原先应用于航空产品的TTP(Time-triggeredprotocol)协议安全性设计非常严格，基于严格的TDMA时序安排，具有非常可*和容错的特性。系统中包含的每一个节点都和其他节点由两个重复的通道连接。这些节点可以被复制，并分组成为容错单元（FTUs）来弥补通信错误。由于重复信息同时在两个不同的通道上发送，所以传输信息的时间和量值都被复制。该协议的节点成本比其他协议的成本更高。其中TTP/C属于C类协议，用于实时控制。2.2汽车电控系统通信协议的未来发展趋势如前文所述，LIN,CAN,及其他ClassA,B,C的协议已得到具体应用，有些至少被计划用于2005年的车型上。至今CAN系统仍被认为是通用的汽车总线。对于小心谨慎的汽车制造商来说，如果能够继续沿用已有的设计，在成本和设计周期上都能更加有利。但是作者认为汽车制造商将会抓住新的技术发展点，新的协议将会在越来越多的应用方面取代旧的协议，而明显的是Flexray比TTP更据有生命力。因为汽车制造业对于成本的要求非常敏感，原先DaimlerChrysler公司是TTP协议的倡导者之一，但是由于TTP认为有损于安全性，从而拒绝了一些灵活性的更改建议，DaimlerChrysler转变了对该协议的支持，转而支持Flexray。严格的TTP或许适用于航空业，但是如果它不能满足汽车业对于低成本的要求，也会逐步丧失支持者。3.汽车多媒体系统的主要通信协议相对于电子控制系统，汽车多媒体系统，以及所谓PConwheel，是个比较新的概念，在ClassA中也有一些协议用来控制汽车音响，如Ford的ACP,GM的Sinebus,等。但是这种控制是十分简单的而且不包括高速数据流的传输。这是一个新添加的汽车辅助功能，协议类别也比较简单。对于多媒体系统的应用，除了主要用于高速数据流传输的协议以外，为了节省节点的成本，根据传输信号的不同，也在一些控制功能上采用低速协议，如D2BSmartwireX；MOSTovercopper；IDB-C。3.1现有通信协议比较及技术特征分析下列要介绍的主要集中在新近提出的协议上，对于早期的音响控制协议，就不再重复介绍了。以下，主要对MOST和IDB-1394的结构再做一些描述。在MOST（MediaOrientedSystemsTransport）网内，用光纤将各个装置进行点到点连接，形成环行。每个接入的装置均有一对端口，可以即插即用。类似其他网络协议，MOST也从应用层到物理层分为七层。信号发送均和网络主时钟同步，可以使用无缓冲的简单发收器，可以传送同步数据和异步数据。这种环形网络结构可根据装置需要而进行单向或双向传输，支持多达64个装置。在IDB-1394(IntelligentTransportSystem)网中，也可以采用光纤连接装置，但各装置相互间为分支排列，其拓扑结构是星形的，也可以即插即用。装置之间连接用二根光缆，一根用于发送数据，另一根用于接收数据，可以处理串行数据和异步信号数据。网络分层也是从应用层到物理层，共七层。它是从通用消费市场的IEEE-1394标准发展出的，针对汽车市场的一种总线协议。但是节点成本较MOST为低。较有吸引力的是开发者设想通过采用一个定义了IDB-1394的客户便利端口，现有的1394便携终端就能够直接插入到新型车用多媒体总线中。3.2车用多媒体系统通信协议的未来发展趋势在这些协议中，MOST在欧洲市场上逐渐占据主要位置，2002年3月上市的宝马7系列高档车上已采用了MOST和POF（塑料光纤）相结合的技术。虽然IDB-1394协议的提出晚于MOST，但是Zayante已开发出的零售市场装置具有1394物理层，并于福特汽车公司一起演示了一个数字照相机，以及有两个显示屏的，可即插即用的DVD播放机。也有人提出，采用蓝牙技术应用于车载多媒体系统，这样彻底解决线束的问题。鉴于汽车工业对可*性的要求，这一设计被普遍应用还为时过早。针对于MOST和IDB-1394互相竞争的局面，本文认为最终的格局可能是两类协议互相融合，形成统一的协议平台。在AMI-C组织（AutomotiveMultimediaInterfaceCollaboration）已计划推出的规范中包括了车辆界面，通信模式，通用信息设置和物理层。其性能和设计规范将涵盖蓝牙，1394，MOST,等多种网络协议。或者汽车制造商可以在车辆上同时使用IDB-1394和MOST协议，前者用于视频相关的应用（例如，DVD,TV,后边/侧边照相系统），后者音频和控制应用。4.结论在汽车总线最初提出时，曾经一度希望能形成一个单一的协议标准。但考虑到成本和各个子系统的不同应用要求时，又认识到不同的协议有同时存在的必要。从上文所介绍的情况可以看出，汽车电子控制系统与汽车的运转情况和安全保障直接关联，容错和数据安全性成为优先级第一的考虑因素，传输速度则取决于应用要求。汽车信息和娱乐装置，特别是汽车的自动导航系统，则需要很高性能的操作系统和很好的连通性，对于传输速度和其他信息媒体装置，如手机、MP3、的兼容性要求较高。在诸多关于汽车总线协议的讨论中，支持者认为他们所支持的协议将迅速取代其他协议成为统一者。但是作者认为在短期内，将维持多种协议并存的现状，只有经过长期的融合和技术的发展产业化，最终才会形成统一的汽车总线协议。不同于其他新兴的通信行业，汽车业是个多个寡头垄断的行业，竞争激烈。几乎每个汽车制造商都有自主开发或支持的协议，它们会继续投入人力和资金，希望能够占据技术前沿。另外由于汽车业的产量十分巨大，对于成本非常敏感，统一的协议必然导致节点价格向高端*拢，这是制造商无法接受的。而且就目前看来，还缺乏一个组织有足够的威望和协调能力来策划和推动协议统一。由于以上原因，同一汽车上应用多种协议的情况，不会很快改变。但是从长期来看，协议的统一又势在必行。因为硬件成本必然会被突破，特别是塑料光纤（POF）已开始成熟，并应用于汽车内部网络通信。随着技术的发展，线缆和节点的成本将进一步下降，到制造商能接受的范围。如果硬件的成本下降到一定水平，主要的成本消耗将体现在产品的设计开发上，多种协议并存，使得汽车零部件商不得不为不同客户重复开发具有相同功能的模块。而元器件商也同样面临这个问题。他们将积极地促使协议统一。最后，汽车未来应用概念将着重于，成为人们移动的生活区，多种协议必然防碍到它和外界其他设施，功能的接入。对于融合统一的过程，可能先是分类统一，例如电子控制系统和多媒体系统先分别有独立的主导协议，然后再逐渐统一，形成一个高度综合的通用协议。鉴于汽车设计更新换代的周期长于一般电子产品，所以这将是一个漫长的过程。