标准化推进汽车总线技术应用深入

作者：中国科学院电工研究所 唐晓泉

欢迎访问e展厅 展厅 2 汽车电子展厅 车灯, 遥控发射器, 汽车娱乐系统, TPMS胎压监测, 汽车防盗器, ... 随着电子与信息技术在汽车中的渗透，汽车中内嵌CPU的智能化零部件在不断增加，在智能零部件之间充当信息交互桥梁的总线，包括CAN、CIN、FlexRey、MOST、IDB1394等已成为现代汽车的关键技术。 应用层标准化是促进总线技术应用的重要措施 总线是实施汽车内部智能零部件信息交互的桥梁，而总线应用层的标准化则是促进总线技术应用的重要措施。 一个具体的总线系统包括：数据链路层，如SJA1000、FlexCAN等；物理层，如82C250、TJA1050、双绞线、光纤等；应用层，如SAE J1939，因此总线系统的标准化包括数据链路层、物理层和应用层的标准化。只有遵循同一总线标准的智能零部件才能构成可实施信息交互的总线系统。 与总线数据链路层相关的是总线控制器，与总线的物理层相关的总线收发器和通信介质。在设计总线系统过程中，总线控制器、总线收发器和通信介质等总线元器件是由半导体厂家或其他元器件厂家设计制造。为了确保不同厂家生产元器件之间的互连性，涉及总线系统的元器件都遵循同一标准并通过了一致性测试，汽车制造厂家和汽车零部件制造厂家只需要从这些元器件中选择符合自己要求的元器件，标准化工作已由生产元器件的厂家完成。但涉及总线系统数据定义的应用层却是由汽车制造商和汽车制造商的核心零部件厂家自己制定的。 目前在轿车行业，在不同的汽车制造商甚至同一汽车制造商的不同系列轿车中，尽管它们使用同一总线和同一总线的物理层，其应用层是不相同的。以轿车为例，目前几乎所有轿车在动力系统使用的CAN总线的通信速率都是500Kbps、通信介质都是双绞线，但它们的应用层协议是完全不相同的，如BOSCH有自己的应用层协议，大众甚至产量十分有限的保时捷都有自己不同的应用层协议。总线的应用层直接涉及到智能零部件中MCU的硬件资源和软件结构，同一个汽车零部件厂家在设计功能相同、但是为不同汽车制造厂家甚至同一汽车制造厂家不同型号汽车用的智能零部件时，不仅需要建设适应不同总线协议的测试体系，重新设计智能零部件的硬件系统和软件系统，而且还必须进行智能零部件的重新认证。 目前总线系统应用层的“百花齐放”现象不仅没有促进汽车电子技术的健康发展，而且增加了智能零部件设计和生产成本，降低了智能零部件的可靠性和生命周期。甚至一些国际汽车制造巨头为利益所驱动，借助总线应用层来阻止其他成员进入其产业链，已严重阻挠了我国汽车智能零部件产业的发展。 为了实施汽车总线标准化工作，美国汽车工业协会(SAE)在1996年颁布了应用于卡车和客车应用的J1939。ISO在1998年颁布了用于拖头和拖车之间信息交换的ISO11992。J1939和ISO11992都是建立在CAN总线基础上的应用层标准，其中J1939遵循CAN总线的数据链路层(ISO11898-1)和物理层(ISO11898-2)。ISO19992遵循CAN总线的数据链路层(ISO11898-1)，为了增强总线的抗干扰能力，ISO11992物理层信号的高电平由ISO11898-3的5V提高到了24V。经过多年的推广应用，J1939已成为全球商用车的事实标准，ISO-11992也正处于推广期。除了J1939和ISO11992，以CAN总线为基础的应用层标准还有J2411、J2284、ISO11519、ISO/DIS15765等。 规范设计方法建立总线标准化测试体系 汽车最重要的性能是行车安全，在汽车中采用了总线，其优势是很明显的：构建了整车的信息交互平台，有助于整车的柔性制造和可持续发展；串行的网络拓扑结构减少了整车线束和接插件，简化安装、维护和管理。这是它的优势，但同时这也是总线系统固有的安全隐患。因为所有整车的控制信息、维护信息都是通过单一总线进行信息交互的，一旦总线上的某一关键零部件发生故障，就有可能造成整车信息瘫痪，最终影响汽车的行车安全。 为了提高总线系统的可靠性和安全性，一方面以CAN总线为代表的车用总线在其创造过程就采用了一系列故障处理措施来提高总线系统的可靠性和安全性；另一方面各个汽车制造厂和各种标准化组织制定了一系列标准(如AEC-Q100、ISO7637-3、ISO11452)，来确保汽车智能零部件及其总线系统的可靠性和安全性。表面上看在智能零部件的设计中，具有总线接口的智能零部件的研发和其他电子产品的研发具有很多相同之处，仅仅是一个电子元件的理解和应用过程，但总线同时又是智能零部件与外部进行信息交互的通道，是连接到外部的桥梁，同时也接收外部干扰和向外部辐射，而且汽车使用环境十分恶劣。因此，数据链路层、物理层和应用层的标准化仅仅能保证最基本的信息交互，要保证总线系统安全可靠地进行信息交互，还应规范设计方法，建立总线标准化测试体系。 规范设计方法是指规范与总线相关的电路原理和软件结构，而总线系统标准化测试体系除了包括物理层测试、应用层测试和EMC测试外，同时还包括总线系统的装配规范。在“十五”期间，作者参照国际上的相关标准和同事一起起草了《电动汽车总线测试规范》，目前该规范已引起国内同行的关注。 总线系统对于汽车行业，特别是对于我国的汽车行业来说还是一项新生事物，总线系统和传统汽车电器有着本质的不同。从研发、应用和维护出发，为整车提供一个安全可靠的总线系统，以达到以“X-BY-WIRE”的目标还需要业界付出长期的努力。 我国在汽车总线标准化进展情况 为了加速我国汽车总线技术的标准化进程，在"十五"期间，科技部连续五年支持电动汽车总线通信协议方面的研究工作，国家汽车标准化组织也成立了《商用车控制系统局域网络(CAN总线)通讯协议》起草小组。其中电动汽车总线通信协议以J1939为基础，并针对电动汽车的特点进行了补充。根据目前得到的信息，《商用车控制系统局域网络(CAN总线)通讯协议》是完全基于J1939的，同时国内一些单位也研发出符合J1939的汽车智能零部件。而作者在研发《重型汽车数字化平台》过程中，其应用层协议采用的是ISO11992。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/9/2005)