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汽車通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢與特性

  據(jù)Credit Swiss First Boston公司預(yù)測,在2010年,預(yù)計(jì)全球半導(dǎo)體市場容量將達(dá)到約3550億美元(估計(jì)每年復(fù)合增長率為10.8%);到2010年,30%的半導(dǎo)體銷售額是汽車應(yīng)用;在2010年,預(yù)計(jì)汽車應(yīng)用的半導(dǎo)體銷售額將達(dá)到約1050億美元,其增長速度要明顯快于整體市場的增長。

  賽迪顧問股份有限公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,中國汽車市場在2003年~2007年經(jīng)歷了井噴式的增長,年均增長率高達(dá)18.9%。汽車電子市場的發(fā)展速度要大大快于汽車市場的發(fā)展速度,2003年~2007年的年均增長率高達(dá)36.1%,這主要?dú)w因于現(xiàn)有產(chǎn)品的普及,造成汽車電子在汽車成本中比重有較大提升,即便是在經(jīng)濟(jì)型轎車中,很多成熟和技術(shù)也獲得了大范圍普及。

  據(jù)賽迪顧問預(yù)測,2008年~2012年,中國汽車電子市場的年均增長率為19.8%,盡管增長速度降下來了,市場總量的擴(kuò)大依然為參與其中的廠商提供了足夠的發(fā)展機(jī)遇。

  目前,全世界有多達(dá)40多種車輛網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn):控制區(qū)域網(wǎng)CAN、局部互聯(lián)協(xié)議LIN(Local Interconnect Protocol),高速容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議FlexRay,用于汽車多媒體和導(dǎo)航的MOST(Media Oriented System Transport,媒體定向系統(tǒng)傳輸),以及與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)兼容的藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

  按照數(shù)據(jù)傳輸速率劃分,車載網(wǎng)絡(luò)可分為Class A、Class B、Class C三個(gè)級別。Class A的數(shù)據(jù)速率通常低于20Kbps,如LIN,主要用于車門控制、空調(diào)、儀表板。Class B的數(shù)據(jù)速率為10Kbps~125Kbps,如CAN(ISO 11898),主要是事件驅(qū)動和周期性的傳輸。Class C的數(shù)據(jù)速率為125Kbps~1Mbps,如CAN(ISO898),主要用于引擎定時(shí)、燃料輸送、ABS等需要實(shí)時(shí)傳輸?shù)闹芷谛詤?shù)。更高傳輸速率的MOST和FlexRay主要適用于音視頻數(shù)據(jù)流的傳輸。

  汽車通信網(wǎng)絡(luò)還可以劃分為四個(gè)不同的領(lǐng)域,車身控制系統(tǒng)、高安全的線控系統(tǒng)、低端控制系統(tǒng)和娛樂信息系統(tǒng),每個(gè)領(lǐng)域都有其獨(dú)特的要求。

  CAN(Controller Area Network)總線是德國Bosch公司從20世紀(jì)80年代初,為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換問題而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它是一種多主總線,通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維,通信速率可達(dá)1Mbps。

  對于車內(nèi)不需要CAN這樣高速率和高安全的通信,本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LIN)就是為適應(yīng)這類應(yīng)用而設(shè)計(jì)的低成本解決方案。LIN(Local Interconnect Network)是一種應(yīng)用于汽車中的分布式新型低成本串行通信總線,作為CAN總線的輔助網(wǎng)絡(luò)或子網(wǎng)絡(luò),專門應(yīng)用于低端系統(tǒng)。LIN是單一主機(jī)系統(tǒng),不但降低了硬件成本,而且在軟件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上也能更容易地兼容其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,比如CAN。

  FlexRay總線是一種高速網(wǎng)絡(luò),由FlexRay聯(lián)盟為高速通信所制訂,最初是作為電動控制(x-by-wire)應(yīng)用的通信協(xié)議被提出的。從技術(shù)上講FlexRay作為下一代汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,提供了充足的帶寬、可靠性和實(shí)時(shí)響應(yīng)能力,以實(shí)現(xiàn)線控應(yīng)用。該標(biāo)準(zhǔn)已開始商用并將被越來越多的汽車制造商采用,但其高成本因素決定了FlexRay在一定的時(shí)間內(nèi)只能定位于高端汽車的應(yīng)用。

  車內(nèi)除了嵌入式控制系統(tǒng)以外,還有諸如媒體播放器、導(dǎo)航系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)以及其他多種信息娛樂設(shè)備,這些設(shè)備之間的互連需要更高速的通信協(xié)議。媒體導(dǎo)向系統(tǒng)傳輸協(xié)議(MOST)是目前車載信息娛樂系統(tǒng)普遍接受的高速通信協(xié)議。MOST數(shù)據(jù)可分為同步傳輸數(shù)據(jù)和異步傳輸數(shù)據(jù),具有很大的靈活性——同步數(shù)據(jù)可直接用于音視頻設(shè)備,異步數(shù)據(jù)可用于傳輸其它數(shù)據(jù)包,如導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)等。MOST還定義了應(yīng)用層,包括MOST設(shè)備、功能塊、功能函數(shù)以及參數(shù)格式等等,這些協(xié)議可以確保各個(gè)廠家生產(chǎn)的設(shè)備具有MOST互聯(lián)性,也有利于車內(nèi)信息娛樂設(shè)備的及時(shí)更新?lián)Q代。

  對于汽車來說,除了需要高數(shù)據(jù)傳輸速率的多媒體音視頻應(yīng)用,其他應(yīng)用大多只需要低數(shù)據(jù)速率,CAN和LIN即可滿足要求。

  CAN和LIN總線具有結(jié)構(gòu)簡單、易于使用、方便維護(hù)的特點(diǎn),由于是串行傳輸,在進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí),需要對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析。無論是設(shè)備制造商(OEM)、汽車制造商、電子器件制造商,還是半導(dǎo)體制造商,都需要一套完整的測試方案來簡化設(shè)計(jì)和調(diào)試過程。

  如開發(fā)人員需要監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的不同CAN消息,包括測量一條消息相對于另一條CAN消息出現(xiàn)所需的時(shí)間、計(jì)算CAN消息出現(xiàn)次數(shù)、顯示CAN消息內(nèi)容;要同時(shí)監(jiān)測網(wǎng)關(guān)分開的兩個(gè)網(wǎng)段,如CAN+CAN或CAN+LIN;測量頻率振蕩器容限和傳輸延遲,保證CAN節(jié)點(diǎn)在正確的位時(shí)間對CAN消息取樣;在示波器上簡便地分析CAN消息眼圖。

  目前,很多數(shù)字示波器和混合信號示波器有具有了對CAN、LIN信號進(jìn)行觸發(fā)的功能,為工程師提供了得力的工具。

  車載網(wǎng)絡(luò)的使用環(huán)境日趨復(fù)雜,使得EMC問題不容忽視,尤其是電磁干擾可能對行駛安全造成影響的時(shí)候。隨著車載LAN的導(dǎo)入,除了以往點(diǎn)火塞的火花電流、馬達(dá)的brush噪音之外,由電子控制單元里面裝置的MCU所發(fā)出的噪聲,已成為新的EMC課題??赡墚a(chǎn)生EMC問題的點(diǎn)火系、帶接點(diǎn)付負(fù)荷系、交流發(fā)電機(jī)系、馬達(dá)系和車載數(shù)碼設(shè)備。在信號與噪聲頻率不同的情況下,可選用電感器、電容器和LC濾波器。在信號與噪聲頻率相同的情況系下,可選用共模濾波器。

  CAN的差動信號線上的噪聲主要是共模噪聲,主要來源包括:MCU、時(shí)鐘等的高頻成分CAN信號線,在差動信號上生成由失真引起的共模成分,CAN_H、CAN_L的不平衡的共模成分。一些頻率較低的共模噪音也容易引起輻射。通過采用分離端子和共模濾波器就可取到很好的抑制效果。如果不采用這些措施,在3MHz以上就會產(chǎn)生bit error。LIN總線比較簡單,所以通常采用LC濾波器。