汽车计算平台新技术综述 - 文章

汽车计算平台新技术综述

作者：中国单片机公共实验室吕京建

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摘要：本文回顾了近20 年来国际上汽车总线技术和汽车网络标准的发展历史，得出网络就是计算机，网络标准就是计算平台的观点，通过对FlexRay 的技术性综述，阐明未来汽车电子工业将推动汽车向更安全、更智能化的方向快速发展。汽车网络平台与Internet 计算平台的结合将推动智能交通领域出现一场技术革命。从国际上看汽车工业与信息产业的融合才是推动汽车计算平台技术发展的关键，希望引起国内产业界的注意。
关键字：汽车计算平台、FlexRay、CANopen 、J1939、ISO BUS、BlueBUS

引言：汽车网络平台的历史与现状

目前，世界上有多达十多种车辆网络标准，其中最主要的有：控制器局域网CAN-BUS（Controller Area Network），局部互联协议LIN（Local Interconnect Protocol）；车辆多媒体网络IDB1394 等，值得注意的是具有高速容错功能的网络协议FlexRay，它的发展非常迅速。FlexRay 标准联盟的出现，以及面向对象联接的CANopen 标准的广泛应用预示着汽车电子技术向智能化迈出了重要一步。

国际上在汽车工业巨头和电子信息技术公司的合力推动之下国际标准化组织于1992 年基于CAN-BUS 发布了ISO11898 标准，为日后汽车计算平台联盟和相关标准的出现奠定了工业化基础。CAN-Bus 经过20 年的发展，目前在汽车动力总成中已占据85%的市场份额。2008年全球主要汽车生产厂商生产欧III / 欧Ⅳ排放标准以上的汽车后，采用CAN-BUS 的汽车即将超过95%，基于CAN 和ISO11898 标准，美国SAE（汽车工程学会）在10 年前组织制定的SAE J1939 被认为是全球范围内最开放和最具响应力的汽车网络标准之一，在欧III以上的商用车型中100%采用J1939 构造汽车计算平台,主要用于发动机、变速箱、燃料箱和仪表等传动系统的互联。

在国际CAN 行业组织的CiA 的推动下2002 年国际标准化组织ISO 又发布了简称为ISO BUS 的国际标准ISO11783，ISO BUS、J1939 和CANopen 均是基于CAN-BUS 的网络标准，这些标准的相互连接构成了面向未来的复杂汽车系统的网络计算平台，特别是CANopen 对未来主导市场的环保汽车（混合动力汽车、电动汽车和燃料电池汽车）多功能汽车、工程机械及客车车身控制网络起着决定性的作用。2000 年起FlexRay 联盟的成立，推动着汽车网络计算平台向车辆安全控制系统方面标准化的发展。

LIN 作为CAN 网络的补充，是一种低成本的通讯标准，1998 年由国际上著名的汽车厂商和电子厂商在德国组成了LIN BUS 联盟组织，LIN BUS 主要用于车内灯光、后视镜和座椅调节等非安全性部件的互联。IDB1394 和MOST 总线则是目前为汽车多媒体网络和消费类电子产品的互联建立的平台型标准。

上述汽车网络平台标准的制定均没有中国企业的参与，这是我们汽车工业落后的主要原因。但特别应引起我们注意的是UWB 无线超宽带技术的成熟应用将很有可能成为新一代汽车网络多媒体总线的国际性标准。由中国提出的“闪联”标准于2006 年7 月1 日已正式被国际标准化组织ISO 接纳。这为中国企业为主参与新的汽车网络计算平台国际标准的制定奠定了基础。

一、汽车安全与FlexRay 计算平台

从车辆工程角度上看，CAN 的速率、可靠性和成本指标在汽车的动力系统总成中应用是最为适宜的。但对于安全等级需求更高的系统,如转向控制和制动系统及安全气囊的网络互联问题则应制定一个新的标准，这就是FlexRay。CAN 的成功应用及FlexRay 的标准开发推动了新的X-by-wire 车辆系统设计思想的完善，也导致了车辆系统对信息传送速度尤其是对故障容错与时间确定性的需求的不断增加。FlexRay 通过在确定的时间槽中传递信息，以及在两个通道上的故障容错和冗余信息的传送，满足了这些新增加的要求。

FlexRay 作为下一代汽车网络协议，提供了充足的带宽、可靠性和实时响应能力，以实现线控应用，如安全气囊、制动、转向和车辆稳定性控制系统。该标准已开始被越来越多的汽车制造商采用。

FlexRay 是一种用于汽车的高速可确定性的，具备故障容错的总线系统，它的基础源于戴姆勒·克莱斯勒公司（奔驰公司）的典型应用以及BMW 公司（宝马公司）byteflight 通信系统开发的成功经验。Byteflight 是BMW 公司专门为被动安全系统（气囊）而开发的，为了同时能够满足主动安全系统的需要，在Byteflight 协议基础之上，被FlexRay 协会进一步开发成了一个与确定性和故障容错有密切关系的，更可靠的高速汽车网络系统。今天，BMW，Daimler· Chrysler，General Motors，Ford，Volkswagen 和一些半导体公司如Bosch，Freescale，Philips 等组成了FlexRay 联盟。2006 年应用FlexRay 技术的汽车将进入市场。

1、FlexRay 的传输介质和访问

FlexRay 符合TDMA（Time Division Multiple Access）的原则，部件和信息都被分配了确定的时间槽，在此期间它们可以唯一的访问总线。时间槽有固定的重复周期。信息在总线上的时间是完全可以预测出来的，因而对总线的访问是确定性的。

不过，通过为部件和信息分配时间槽的方法来固定的分配总线带宽，其不利因素是导致总线的带宽没有被完全的利用。出于这个考虑，FlexRay 把周期分成了静态段（Static Seg.）和动态段（Dynamic Seg.），确定的时间槽适用于位于信息开始的静态段。在动态段，时间槽是动态分配的。每种情况下都只有一小段时间是允许唯一的总线访问的（这段时间称为“mini-slots”），如果在mini-slot 中出现了总线访问，时间槽就会按照需要的时间来扩展。因此总线带宽是动态可变的。

图1 FlexRay 的通信周期、帧的静态、动态部分的结构示意

2、FlexRay 的数据速率和网络拓扑

FlexRay 在物理上通过两条分开的总线通信，每一条的数据速率是10MBit/s。这两条线主要是用于冗余和故障容错的信息传输，但也可以传递不同的信息，后者的数据吞吐量是翻倍的。

FlexRay 也可以在2.5MBits/s 和5MBits / s 低数据率下工作，并且为数据传输定义了主动星型、被动星型或是两者混合的总线拓扑结构，因此FlexRay 网络节点的连接是非常灵活的。

图2 FlexRay 的主动星型网络拓扑示意

图3 FlexRay 的星型、总线型混合网络拓扑示意

3、FlexRay 节点的同步和协议帧结构

为了实现功能的同步和通过两条信息间的短距离来优化带宽，该通信网络中的分布组件都要有一个共同的时基（全局时间）。为了时钟同步，同步信息是在周期的静态段传输的。通过增添一个特殊的算法，部件的本地时钟被修正为所有的本地时钟与全局时钟同步。

图4 FlexRay 协议帧的静态、动态部分的结构示意

4、FlexRay 网络节点的结构

FlexRay 的网络节点是由主处理器（Host）、FlexRay 通信控制器（Communication Controller）、可选的总线监控器（BG）和总线驱动器（BD）组成的。主处理器提供和产生数据，并通过FlexRay 控制器传送出去。

总线驱动器连接着通信控制器和总线，或是连接总线监控器和总线。主处理器把FlexRay控制器分配的时间槽通知给总线监视器，然后总线监视器就允许FlexRay 控制器在这些时间槽中来传输数据。数据可以在任何时候被接收。

图5 FlexRay 的网络结构。

二、未来发展最快的技术是什么？

未来发展最快的技术是汽车电子与信息产业、智能交通相互融合发展而产生的新兴技术。这些新技术主要用于解决与安全、环保有关的系统性问题，如：转向控制、制动控制、安全气囊、OBD 侦测及更广义上的汽车故障诊断技术和远程服务等。

现代汽车的刹车和转向系统其实同一百多年前汽车刚被发明时一样，都借助于机械连接和液压传动，使驾驶者的意图传递到车轮和引擎。而未来将通过线控系统网络将指令发送到刹车执行单元、转向步进马达单元，并通过微处理器及电子执行装置（FlexRay 节点）来进行制动和转向控制。线控新技术还能简化某些功能的实现，如自适应巡航控制、自动车道保持、防碰撞，并为汽车最终实现自动驾驶打下基础。而对安全性至关重要的部件，如转向和制动系统，安全气囊网络，电子稳定系统（ESP）等，必须能够进行更可靠的、无缝配合和自动诊断。FlexRay 与CAN-BUS 构成的仿真单元和网络计算平台已可以方便的集成到汽车系统之中进行混合验证并建立实物控制模型。中国单片机公共实验室，从1992 年起在国内首先建立了国际标准的CAN-BUS 开放实验室。2005 年又第一个在国内建立了完整的FlexRay 开发、分析、仿真与实验测试平台，与国际水平保持同步。有关FlexRay 和CAN-BUS（SAE J1939，CANopen）的最新技术和进展，可访问http://www.bol-system.com汽车线控系统网络实际上就是一种特殊的局域网。这种系统是从飞机控制系统引申而来的。飞机控制系统中提到的Fly-by-Wire 是一种电线代替机械的控制系统，它将飞机驾驶员的操纵控制和操作命令转换成电信号，利用机载计算机控制飞机的飞行。这种控制方式引入到汽车驾驶上，就称为Drive-by-Wire(电控驾驶)，引入到制动上就产生了Brake-by-Wire（电控刹车），引入到转向控制上就有Steering-by-Wire（电控转向），因此统称为X-by-Wire。这些创新功能的基础是一种能够满足严格容错要求的宽带总线结构――FlexRay 总线系统（车载网络计算平台）。FlexRay 的重要目标应用之一是线控操作(如线控转向、线控刹车等)，即利用有容错功能的电气/电子系统取代机械/液压部分。线控操作包括从转向到刹车和加速等所有汽车控制应用互连技术，它的应用可以补充并将最终代替汽车的机械和液压解决方案。 FlexRay 的执行器是机电一体化的产物，是全球汽车行业新一代汽车电子产品开发的重点。也应当成为我国汽车计算平台国家重大工程的研究和技术跟踪的重点之一。

另一个值得注意的是CANopen 在汽车中的应用，CANopen 是在ISO11898 标准之上真正面向对象联接的网络计算平台，（而J1939 则是面向具体应用而联接的网络标准）。在CANopen 网络中，可以将最多128 个用CAN-BUS 互联的嵌入式微处理器，看成是一个统一的计算机平台，通过对网络中的任何一个单片机中的电子表格（存储在E2PROM 或Flash之中，称为CANopen 的对象字典）的修改和重定义，即可改变整个系统的功能配置和构造，而无需通过CANopen 节点的制造商，在每个节点的对象字典之中还存储全球唯一的制造商编码和相关的配置参数，我们称之为数字基因（Digital DNA）。通过标准方法可以方便的访问到汽车中各个电子设备的“数字基因图谱”用于维护和诊断。CANopen 在各种工业、交通、航空、海事领域的应用技术成果，可方便地移植和集成进入未来更复杂的汽车系统之中，特别是在电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车中CANopen 有明显的优势。在通用单片机中加入CANopen 中间件并为应用程序留下API 接口，既可做成一种称之为CANopen Chip的系统级芯片产品。在北京集成电路设计园开发平台的支持下，北京英贝多公司在成功的开发出J1939 系统级芯片的基础上，正在为汽车行业研发具备自主知识产权的CANopen chip。CANopen chip 可以连接各种传感器，实现对汽车主要部件的安全性监测。

三、关于汽车计算平台的思考与机会

上世纪50 年代航空电子占整个飞机造价的比例约为20%，90 年代则上升为80%，随着CAN、FlexRay 等网络计算平台技术的发展，汽车电子也将遵循航空电子的发展规律，得到更快速的发展。因此说，汽车网络计算平台对现代汽车工业将产生本质性的重大的影响。汽车计算平台是什么？笔者认为“网络就是计算机”[1] 网络标准就是计算平台。从过去二十年信息产业的发展来看，网络标准推动着信息产业的快速发展和全球化，如手机计算平台，由最初的1G、2G（2.5G）到3G，网络标准决定着产业、产品和行业的兴衰。手机也从过去的移动电话概念发展成为今天的移动计算（嵌入式系统）概念，手机短信息业务的成功应用再一次证明了平台技术的重要性。

从国际上看汽车电子的数字化进程，已有二十多年历史，回顾CAN-BUS 的发展历史，直到1995 年SAE J1939、CANopen、网络计算平台标准的出现，才为汽车OEM 关键零部件的互联、协同工作进而提升整车的系统性能、功能和灵活性建立了平台化的工业基础。

公元2000 年和2005 年国际上的LIN 联盟和FlexRay 联盟，均是由著名的汽车厂商和信息技术(IT)公司联合发起和推动的标准联盟和技术联盟，这标志着汽车产业和信息产业在共同推动着一个全新的、复合性的产业——汽车（电子）信息产业的出现，与传统的汽车电子产品开发强调单个部件功能和性能不同的是汽车（电子）信息产业更关心的是网络标准和平台技术。因为这些决定了行业的发展和兴衰。

当今，技术发展的专业化，分工的精细化和相互融合，以及系统性能的不断提高和电子技术日益复杂化趋势的挑战，同时还要考虑汽车电子产品的规模经济要求，使研发设计环节变得越来越至关重要。因此，类似于集成电路设计行业独立于制造行业一样，未来汽车电子设计产业作为一个独立的行业将会得到快速发展，在进行产业规划时，这一点应当引起我们的思考。

我国在汽车计算平台方面参与国际合作的机会也是存在的，如在CANopen 方面由于标准是分层制定的，CANopen 的基础层已经相当完善，应用层是透明开放的。所谓应用层行业规范（Application Profile）就是由国际上同行专家共同为某个具体行业制定的平台性标准，据国际CiA 组织（CAN in Automation）最近提供的信息，在电动发动机、混合动力传动、房车（reereation vehicle 旅游车）等方面，正在寻求国际上专业厂商及专家共同制定应用层行业规范。在FlexRay 方面我们也有机会参与应用平台标准化工作和FlexRay 控制器IP（半导体知识产权）方面的国际合作项目，用FPGA 实现FlexRay 控制器在国内已有相关的研发活动。基于UWB 开发车辆多媒体网络是中国的机会。

在基于OBDIII 的Blue-Bus 汽车计算平台方面，中国的IT 企业与有远见的汽车企业也开始了战略性合作。（完成于2006-9-15）

注：[1] 1990 年美国Sun 公司发表了“网络就是计算机”的著名言论，这是对未来计算机体系结构变化的预见性定义。后由Internet 的发展而证实。

作者E-mail：can@bol-system.com HomePage: Http:// www.bol-system.com

参考文献
[1] 吕京建“现代汽车的核心技术SAE J1939”《今日电子》2004-1
[2] FlexRay Communications System Bus Guardian Specification ,Version 2.0 30-June-2004
[3] 吕京建“数字汽车时代的思考~谈谈汽车网络计算平台”北京国际微电子研讨会论文集P307 页，2004-9-23
[4] 吕京建“SAE J1939 汽车网络标准在中国的应用”、“CANopen 与汽车网络计算平台”中国汽车工程学会汽车电子技术分会第六届年会论文集 P71 页和P92 页，2004-11
[5] 梁合庆、吕京建“中国计算机科学技术发展报告”P161 页清华大学出版社2005-8(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/28/2007)


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