汽車電子是近年來(lái)的熱門(mén)市場(chǎng)，持續(xù)引領(lǐng)諸多電子元件的需求，大量的電子控制裝置（ECU）因人們對(duì)于汽車的舒適、安全、節(jié)能、信息娛樂(lè)等方面需求而應(yīng)用于汽車上，據(jù)估計(jì)，一個(gè)高端德系車中有超過(guò)200個(gè)ECU，如此多的ECU單元增加了數(shù)據(jù)交換、傳輸和通信方面的復(fù)雜度，使得車內(nèi)電控系統(tǒng)線束、接插件以及車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)迅速增加，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有車載網(wǎng)絡(luò)在帶寬、傳輸速度、可靠性、可擴(kuò)展性以及成本方面提出新的需求。
車載網(wǎng)絡(luò)誕生將近20年，CAN網(wǎng)絡(luò)作為最初的黃金標(biāo)準(zhǔn)，后來(lái)隨著汽車電子復(fù)雜度的增加以及為滿足汽車不同職能的需求，LIN、FlexRay、MOST以及以太網(wǎng)等技術(shù)逐漸被引入，為汽車在安全和舒適方面帶來(lái)了巨大的飛躍和超凡體驗(yàn)。多年前很多高端車遙不可及的選配安全或舒適功能，現(xiàn)在已經(jīng)成為了家用車的標(biāo)配。目前，全球每輛車平均CAN，LIN，F(xiàn)lexRay總線節(jié)點(diǎn)從2006年少于10個(gè)，到現(xiàn)在已超過(guò)20個(gè)，預(yù)計(jì)到2016年，全球汽車車載網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的總數(shù)可能將達(dá)30億個(gè)。
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)攀升，對(duì)車載總線網(wǎng)絡(luò)提出三大需求
隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加，車載網(wǎng)絡(luò)必須實(shí)現(xiàn)更高的性能、更高的帶寬、更高的效率以及更強(qiáng)的可擴(kuò)展性。這些新趨勢(shì)也將帶動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)向更加環(huán)保和智能的方向發(fā)展，恩智浦半導(dǎo)體（NXP）認(rèn)為在未來(lái)的10年中，決定汽車產(chǎn)業(yè)格局的趨勢(shì)是節(jié)能減排和移動(dòng)互聯(lián)。這些領(lǐng)域?qū)囕d網(wǎng)絡(luò)的帶寬，安全性，能效，耐壓，可靠性，抗干擾性，可預(yù)測(cè)性，可擴(kuò)展性，自適應(yīng)性，平臺(tái)設(shè)計(jì)都提出了新的需求。
恩智浦半導(dǎo)體汽車電子事業(yè)部業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)李曉鶴 |
汽車電子的高速發(fā)展對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)提出了更多需求，恩智浦半導(dǎo)體汽車電子事業(yè)部業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)李曉鶴認(rèn)為這些要求主要體現(xiàn)在三方面：性能路線、標(biāo)準(zhǔn)化路線和優(yōu)化路線。
性能路線：更高的帶寬(CAN FD, FlexRay，以太網(wǎng))、更強(qiáng)的EMC/ESD性能(可參閱德國(guó)5車廠的聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn))、更低的功耗、更好地在大規(guī)模不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)中可靠通訊、在新能源車中的高壓隔離通訊、在節(jié)能傳統(tǒng)車中的主動(dòng)能量管理以及在車聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)安全加密和驗(yàn)證等等。
標(biāo)準(zhǔn)化路線：網(wǎng)絡(luò)通訊發(fā)展的前提是標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化不僅是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)本身，同時(shí)也包括統(tǒng)一的研發(fā)、驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)以保證網(wǎng)絡(luò)在汽車平臺(tái)化設(shè)計(jì)中的可靠，可擴(kuò)展，可預(yù)測(cè)和低成本。比如前面提到的德國(guó)５車廠(包括法國(guó)車廠也在參考)的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器聯(lián)合驗(yàn)證規(guī)范, 又比如NXP與德國(guó)、法國(guó)、中國(guó)車廠合作進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃和仿真等。從1994年推出業(yè)界第一款高速CAN，恩智浦一直密切參與新總線標(biāo)準(zhǔn)的制訂和推廣，恩智浦同樣也是FlexRay, LIN及車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)組織的主要成員。
優(yōu)化路線：現(xiàn)有的功能模塊有很多通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能優(yōu)化的需求，例如局域網(wǎng)絡(luò)總線(Partial Networking)為電池車和新能源汽車提供更高級(jí)的能量控制，使網(wǎng)絡(luò)成為整車能量管理的一部分，系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(System Basis Chip)將網(wǎng)絡(luò)，供電控制，高壓輸入輸出和安全診斷集成一體，基于HVSON微型無(wú)管腳封裝的CAN，LIN總線產(chǎn)品使微型傳感器，微型攝像頭成為可能。
另外，車載網(wǎng)絡(luò)連接的是汽車中樞系統(tǒng)與各個(gè)子系統(tǒng)之間的通信和信息交換，車載網(wǎng)絡(luò)的安全高效離不開(kāi)強(qiáng)大的系統(tǒng)軟硬件支撐，而且相對(duì)而言，子系統(tǒng)越少，為車載網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的壓力越小，出錯(cuò)率就越低。從車載軟硬件系統(tǒng)上優(yōu)化也可大幅提升車載網(wǎng)絡(luò)的效率。
美國(guó)移動(dòng)軟件管理(MSM)供應(yīng)商Redbend公司認(rèn)為將來(lái)車載硬件和軟件架構(gòu)的一個(gè)顯著發(fā)展趨勢(shì)是ECU的統(tǒng)一，即將多個(gè)ECU與處理器集成到一個(gè)處理器中。該公司市場(chǎng)總監(jiān)Yoram Berholtz解釋到：“從硬件上將ECU單元統(tǒng)一，在軟件上采用虛擬化技術(shù)能實(shí)現(xiàn)在同一硬件平臺(tái)上運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)(如RTOS, AUTOSAR, QNX等)，因?yàn)樘摂M化技術(shù)能使多個(gè)操作系統(tǒng)之間相互隔離，從而使?jié)撛诘耐{隔離于高端OS之外，從而達(dá)到提升車載網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)安全性和可靠性的目的。”
Redbend的虛擬化技術(shù)可以對(duì)在同一硬件上平行運(yùn)行不同軟件棧的多臺(tái)虛擬機(jī)（VMs）進(jìn)行管理。每個(gè)域(例如虛擬機(jī)、高級(jí)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序）均可在安全和容錯(cuò)模式下（一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的故障不會(huì)影響其他系統(tǒng))運(yùn)行完全不同的軟件棧，無(wú)論是對(duì)最小的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS還是功能豐富的高級(jí)操作系統(tǒng)HLOS。這種將系統(tǒng)彼此隔離的方式為滿足車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)的不同需求、處理互聯(lián)汽車復(fù)雜的軟件環(huán)境提供了新的解決方案。
本文為《國(guó)際電子商情》原創(chuàng)，版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載
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市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)
目前CAN和LIN技術(shù)已經(jīng)成熟用于汽車網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)lexRay和車載以太網(wǎng)技術(shù)也開(kāi)始嶄露頭角，未來(lái)這些技術(shù)根據(jù)各自職能和特性將如何分工？
CAN作為車用主干網(wǎng)已經(jīng)是成熟技術(shù)，大部分車型都已經(jīng)配備兩路以上CAN網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)不同車型，可能使用高速或容錯(cuò)CAN。大部分動(dòng)力系，傳動(dòng)系，安全系，車身電子和娛樂(lè)系統(tǒng)的控制部分都是在CAN網(wǎng)絡(luò)中。
今年CAN又增添了新的改進(jìn)協(xié)議，在第十三屆國(guó)際CAN大會(huì)上，博世發(fā)布了CAN-FD(靈活數(shù)據(jù)傳輸率)協(xié)議，它在后臺(tái)與已被列入ISO 11898-1標(biāo)準(zhǔn)的CAN數(shù)據(jù)連接層協(xié)議兼容。會(huì)上博世和Vector演示了使用遵循ISO 11898-2規(guī)范的收發(fā)器芯片，速率達(dá)15 Mbit/s的CAN-FD網(wǎng)絡(luò)模型。在數(shù)據(jù)框架內(nèi)，將傳送速率進(jìn)一步提高。
對(duì)于這項(xiàng)新協(xié)議，NXP李曉鶴表示：“最近我們正和博世、CAN標(biāo)準(zhǔn)化組織CiA在積極推進(jìn)CAN FD在汽車和工業(yè)界領(lǐng)域的應(yīng)用，這種技術(shù)可以極大的擴(kuò)展CAN網(wǎng)絡(luò)的帶寬界限或物理界限，以緩解目前車載網(wǎng)絡(luò)緊迫的帶寬需求?！?
CAN總線不僅在現(xiàn)有車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成熟，很多公司認(rèn)為其未來(lái)有更大的發(fā)展空間，暫時(shí)的瓶頸會(huì)隨著CAN協(xié)議的更新?lián)Q代而解決，CAN總線方案提供商香港威柏電子（Westpac）技術(shù)顧問(wèn)鐘保榮認(rèn)為：“如果設(shè)計(jì)人員足夠了解CAN系統(tǒng)的能力和極限，CAN是能滿足未來(lái)的汽車產(chǎn)業(yè)需求，如多層拓?fù)湓O(shè)計(jì)比單層CAN系統(tǒng)有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)吞吐能力。這樣，不僅能提升性能，還可減少開(kāi)發(fā)時(shí)間以及生產(chǎn)和維護(hù)成本?！?
他表示，未來(lái)對(duì)于汽車電子內(nèi)數(shù)據(jù)交換的需求是巨大的，設(shè)計(jì)單一聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)適應(yīng)所有數(shù)據(jù)交換的做法是不太現(xiàn)實(shí)的。設(shè)計(jì)人員需要將數(shù)據(jù)分類，以便實(shí)現(xiàn)最優(yōu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這種分類方法就是以CAN作為汽車核心控制網(wǎng)絡(luò)，而非關(guān)鍵數(shù)據(jù)如信息娛樂(lè)系統(tǒng)可以采用單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)，如以太網(wǎng)、Wifi、 Bluetooth、 Zigbee等。
LIN總線因其低速率和低成本效益，一直作為一種輔助的總線網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場(chǎng)合，比如智能傳感器和制動(dòng)裝置之間的通訊使用LIN 總線可大大節(jié)省成本。
NXP李曉鶴表示：“LIN總線在車門(mén)、空調(diào)、座椅、車燈模塊中以低成本占有不可替代的位置。而空調(diào)調(diào)節(jié)電機(jī)，車體環(huán)境燈等應(yīng)用也使自編址LIN總線更為普及。這種技術(shù)在我們UJA1018 LED環(huán)境燈控制產(chǎn)品中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。LIN 源于歐洲，在美國(guó)衍生為SAE2602, 目前在歐美車型中已經(jīng)相當(dāng)普及，其中不乏高端車型車體域控制器上出現(xiàn)6路CAN，17路LIN的情況?！?
FlexRay是戴姆勒克萊斯勒公司的注冊(cè)商標(biāo)，F(xiàn)lexRay聯(lián)盟負(fù)責(zé)其標(biāo)準(zhǔn)化推廣，欲使之成為新一代汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。在傳輸速率方面，CAN網(wǎng)絡(luò)最高性能極限為1Mbps，LIN和K-LINE分枝網(wǎng)絡(luò)最高性能極限為20Kbit/s，而FlexRay兩個(gè)信道上的數(shù)據(jù)速率最大可達(dá)到10Mbps，總數(shù)據(jù)速率可達(dá)到20Mbit/秒。
FlexRay的優(yōu)勢(shì)在于速率快，并有很強(qiáng)的容錯(cuò)機(jī)制，適合用于線控駕駛，線控剎車，為自適應(yīng)懸掛等模塊提供更好的實(shí)時(shí)控制，故障隔離和可預(yù)測(cè)性，使駕駛更為安全。BMW最新X5上面的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)就使用了FlexRay來(lái)控制?，F(xiàn)在FlexRay的應(yīng)用已經(jīng)從高端車發(fā)展到中端車型，從德國(guó)車廠發(fā)展到美國(guó)，法國(guó)，日本，韓國(guó)。
對(duì)于FlexRay未來(lái)趨勢(shì)，香港創(chuàng)興電子(Jetronic)認(rèn)為，F(xiàn)lexRay有機(jī)會(huì)在未來(lái)幾年得到更快的發(fā)展，因?yàn)樗梢蕴峁└斓耐ㄓ嵥俾?、更靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和更好的容錯(cuò)機(jī)制，相對(duì)高的成本是目前的主要障礙。
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以太網(wǎng)技術(shù)對(duì)于汽車電子產(chǎn)品而言，不是一項(xiàng)陌生的技術(shù)，上面提及的這些網(wǎng)絡(luò)各自獨(dú)立，并沒(méi)有連接起來(lái)。汽車廠商希望能夠統(tǒng)一車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，而以太網(wǎng)則有希望將多種車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)整合為一體，實(shí)現(xiàn)徹底的互聯(lián)互通。
車載網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)比較
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汽車業(yè)選擇以太網(wǎng)正是考慮到技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的相對(duì)成熟度。 但是車載以太網(wǎng)與消費(fèi)類和工業(yè)以太網(wǎng)不同，后者因?yàn)殡姶泡椛?，抗干擾，溫度范圍，耐壓，可靠性和低功耗控制等瓶頸，不能直接使用到汽車應(yīng)用中。NXP李曉鶴認(rèn)為，即便某些消費(fèi)類和工業(yè)芯片廠商可以將一兩款產(chǎn)品作車規(guī)認(rèn)證，其組織結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)流程對(duì)汽車業(yè)要求的穩(wěn)定供貨，生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)管理，質(zhì)量控制和分析體系，生命周期的支持面臨著諸多挑戰(zhàn)。
車載以太網(wǎng)目前還處于推廣前期，應(yīng)用僅限于信息娛樂(lè)和車載診斷(OBD)應(yīng)用，還沒(méi)有面向乘客的應(yīng)用。去年由博通(Broadcom)公司、恩智浦半導(dǎo)體、飛思卡爾半導(dǎo)體和哈曼國(guó)際公司聯(lián)合幾個(gè)車廠成立一個(gè)特別興趣小組(SIG)——OPEN聯(lián)盟(One-Pair Ether-Net)，以促進(jìn)基于以太網(wǎng)的汽車互連的廣泛采用。
博通基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品市場(chǎng)高級(jí)總監(jiān)Ali Abaye |
針對(duì)車載以太網(wǎng)市場(chǎng)，很多公司已經(jīng)有成熟方案，博通基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品市場(chǎng)高級(jí)總監(jiān)Ali Abaye表示：“目前，博通公司提供的BroadR-Reach以太網(wǎng)技術(shù)可以達(dá)到100 Mbps的速度，預(yù)計(jì)在未來(lái)五到八年可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸率。同時(shí)一個(gè)新成立的IEEE 802.3研究組減少了雙絞線千兆以太網(wǎng)方面的研究，同時(shí)在新的標(biāo)準(zhǔn)組織中指明了更高數(shù)據(jù)傳輸速率車載以太網(wǎng)的路線圖。目前，OPEN聯(lián)盟正在推動(dòng)1Gbps的BroadR-Reach解決方案，它將能滿足下一代IVNS的帶寬需求?！?
NXP認(rèn)為車載以太網(wǎng)源于診斷的應(yīng)用需求，但未來(lái)會(huì)看到更多的擴(kuò)展到攝像機(jī)主動(dòng)安全，多媒體，車聯(lián)網(wǎng)甚至車輛域計(jì)算的應(yīng)用。
關(guān)于多種總線網(wǎng)絡(luò)同時(shí)存在于車載網(wǎng)絡(luò)的局面，各受訪公司意見(jiàn)基本一致：各種總線技術(shù)因職能和定位不同，在長(zhǎng)期以來(lái)和很久以后都將是共存共榮。
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360度全景泊車等應(yīng)用為車載以太網(wǎng)帶來(lái)新契機(jī)
隨著人們對(duì)車載帶寬的需求日益增長(zhǎng)，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了信息娛樂(lè)和導(dǎo)航等應(yīng)用，這將重新定義車輛運(yùn)動(dòng)和安全應(yīng)用范疇。
博通Ali Abaye認(rèn)為基于以太網(wǎng)的360度泊車系統(tǒng)是具有突破性的一步，他介紹：“基于以太網(wǎng)的360度泊車系統(tǒng)，它結(jié)合了多個(gè)數(shù)字傳感器和攝像頭，具有靈敏的低光照感光度及高清晰度圖像和視頻捕捉能力，它的突破性在于將車輛運(yùn)動(dòng)管理從一個(gè)封閉的應(yīng)用轉(zhuǎn)變成一個(gè)開(kāi)放和可擴(kuò)展的駕駛輔助網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)系統(tǒng)可以訪問(wèn)和共享其中的重要信息?！?
他還表示，通過(guò)將成本敏感的以太網(wǎng)技術(shù)與具備高像素的經(jīng)濟(jì)型CMOS圖像傳感器結(jié)合起來(lái)，汽車OEM廠商就可以將先進(jìn)的泊車輔助系統(tǒng)從豪華車擴(kuò)展到非豪華車。標(biāo)準(zhǔn)化的IP技術(shù)有能力推動(dòng)整個(gè)車輛的音頻和視頻數(shù)據(jù)顯示、信息娛樂(lè)、座椅控制管理等更多應(yīng)用。
如果將以太網(wǎng)與新技術(shù)融合，還可催生更新創(chuàng)新車載應(yīng)用，例如香港創(chuàng)興（Jetronic）認(rèn)為將車載以太網(wǎng)與云技術(shù)融合就是一種。車載娛樂(lè)系統(tǒng)可以利用以太網(wǎng)來(lái)播放云端的各種資源、成為云計(jì)算的一部分；車載導(dǎo)航系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)更新路況，并提供最優(yōu)化的路徑選擇。
在車載以太網(wǎng)應(yīng)用方面，NXP也在積極布局和推廣，并著手解決目前車載以太網(wǎng)面臨的一些問(wèn)題，如車載以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化和工業(yè)化。
李曉鶴介紹NXP在兩方面的解決方案：“標(biāo)準(zhǔn)化方面，包括標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試，開(kāi)發(fā)工具，外圍部件，例如線束，連接器，以及和其它國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和未來(lái)千兆以上以太網(wǎng)的對(duì)接等等，以盡快搭建以太網(wǎng)在汽車業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)。工業(yè)化方面，將以太網(wǎng)技術(shù)移植到NXP專為汽車質(zhì)量、耐壓、可靠性、EMC、溫度范圍定制的技術(shù)平臺(tái)，用每天供貨100萬(wàn)收發(fā)器的成熟汽車級(jí)芯片制造體系為整車廠提供可靠的支持。”
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責(zé)編：Quentin
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