車載網(wǎng)絡(luò)總線應(yīng)用淺析

【摘 要】車載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用不僅提升了汽車的電子化和智能化水平，還為駕駛者提供了更加安全、舒適、智能和便捷的駕駛體驗。文章對主流的車載網(wǎng)絡(luò)CAN/CANFD、LIN、MOST、LVDS總線、車載以太網(wǎng)的應(yīng)用做簡單介紹。

【關(guān)鍵詞】車載網(wǎng)絡(luò);汽車通信;車載以太網(wǎng);CAN/CANFD;LIN

中圖分類號：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）11-0054-04

Analysis on the Application of Vehicle Network Bus

【Abstract】The application of vehicle network not only improves the electronic and intelligent level of cars，but also provides drivers with a safer，more comfortable，intelligent and convenient driving experience.This paper briefly introduces the application of the mainstream vehicle network CAN/CANFD，LIN，MOST，LVDS bus and Automotive Ethernet.

【Key words】vehicle network;automobile communication;automotive ethernet;CAN/CANFD;LIN

伴隨著汽車電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化和共享化的發(fā)展需求和電子通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前車載網(wǎng)絡(luò)總線更加高效、智能和互聯(lián)。車載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要通過提高通信速度、增加數(shù)據(jù)傳輸量、降低時延、簡化線路、減少故障率和提升售后檢修的便利性來助力實現(xiàn)汽車新四化的需求。本文從各主流車載網(wǎng)絡(luò)總線的特點出發(fā)，結(jié)合其在汽車上的應(yīng)用，對車載網(wǎng)絡(luò)總線的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行簡單的分析。

1 主流車載網(wǎng)絡(luò)總線介紹

車型開發(fā)基于車輛安全性、舒適性、智能性、娛樂性及駕駛性能的需求，目前車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計中存在的車載網(wǎng)絡(luò)總線類型有LIN、CAN/CANFD、LVDS、MOST、FlexRay、車載以太網(wǎng)，各網(wǎng)絡(luò)總線簡介如下。

1）LIN總線是車載最早的通信協(xié)議之一，通信速率較慢，一般應(yīng)用在局部或私有系統(tǒng)中[1]，是一種采用單主多從方式的低成本串行通信網(wǎng)絡(luò)。使用LIN總線降低了汽車ECU的開發(fā)及生產(chǎn)成本，補充了CAN總線的不足。

2）CAN/CANFD總線是車內(nèi)常用的通信協(xié)議，被廣泛使用在整車公共網(wǎng)絡(luò)中。它具有較高的通信速率、較小的數(shù)據(jù)量和較強的抗干擾能力等特點，且在通信嚴(yán)重出錯時具有自動關(guān)閉總線（BUS OFF）功能[2]。

3）FlexRay總線是車載實時控制的高帶寬通信總線，一般應(yīng)用于高速通信的線控技術(shù)，且支持分布式控制，具有傳輸速率高、支持多種總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信數(shù)據(jù)容錯能力強的特點[4]。

4）MOST總線是一種利用光脈沖傳輸數(shù)據(jù)且專門針對車內(nèi)使用而開發(fā)，用于多媒體通信的數(shù)據(jù)總線技術(shù)。MOST總線采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，在環(huán)形總線內(nèi)只能朝著一個方向傳輸數(shù)據(jù)。MOST50采用塑料光纖，提供50Mb/s帶寬。最新的MOST150可以提供150M帶寬，以其高速、抗干擾、靈活等優(yōu)勢，適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸量大、傳輸速度快、格式多樣化的車載多媒體網(wǎng)絡(luò)。

5）LVDS總線采用了較厚的屏蔽層和接插件設(shè)計來滿足汽車EMC的性能要求，使得線束較重且造價較貴，目前車內(nèi)主要應(yīng)用在監(jiān)控攝像頭及高清視頻數(shù)據(jù)傳輸。

6）車載以太網(wǎng)基于100BASE-Tx和100/1000BASE-T1的雙絞線實現(xiàn)車內(nèi)的百兆/千兆高速通信。因其開放性、兼容性架構(gòu)，易于將應(yīng)用程序嵌入到拓?fù)浼軜?gòu)中。端口帶寬獨享，不存在仲裁機制，同時開放的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)促使車載以太網(wǎng)流程更加規(guī)范。通信架構(gòu)主要基于TCP/IP協(xié)議、AVB/TSN協(xié)議，應(yīng)用層主要使用DoIP、SOME/IP、DDS等協(xié)議[8]。

主流車載網(wǎng)絡(luò)的通信速率對比如圖1所示，其各項性能參數(shù)對比見表1。

2 車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用淺析

2.1 LIN總線應(yīng)用

因為LIN總線的通信速率較慢，所以應(yīng)用在數(shù)據(jù)量較少且通信簡單的ECU系統(tǒng)中，主要用于防夾電機、天窗、光雨量傳感器、氛圍燈、多功能方向盤、液冷多通閥及PTC加熱等功能較為簡單的場景中。例如：車內(nèi)氛圍燈系統(tǒng)將儀表臺、車門、座椅的氛圍燈通過LIN總線與主節(jié)點BCM進(jìn)行通信，實現(xiàn)整車的氛圍燈控制;AC空調(diào)系統(tǒng)中相關(guān)的傳感器或執(zhí)行器可以通過LIN總線與AC進(jìn)行通信[1];天窗系統(tǒng)中天窗開關(guān)和天窗防夾模塊等都可以作為LIN節(jié)點與BCM進(jìn)行通信，實現(xiàn)開關(guān)和防夾功能;車燈雨刮系統(tǒng)中光雨量傳感器采用LIN總線與BCM進(jìn)行通信，實現(xiàn)自動雨刮和自動車燈功能。

2.2 CAN/CANFD總線應(yīng)用

CAN總線的應(yīng)用很廣，可以應(yīng)用在低端車型公共網(wǎng)段或者中高端車型的部分私有網(wǎng)段。例如在公共網(wǎng)段中發(fā)動機與變速器控制模塊之間的扭矩交互，BCM和PEPS關(guān)于門鎖控制的交互等。在私有網(wǎng)段中，部分控制器的傳感器或執(zhí)行器僅在系統(tǒng)內(nèi)部通信，不需要與整車ECU進(jìn)行通信，可采用私有CAN協(xié)議。在診斷通信上，整車診斷采用CAN總線來實現(xiàn)ECU與診斷儀之間的診斷通信。

CANFD總線由于有效載荷增加到64Byte，主要應(yīng)用在中高端車型對負(fù)載率要求較高的動力網(wǎng)段、智駕網(wǎng)段、底盤網(wǎng)段和安全網(wǎng)段。目前ADAS方案采用CANFD通信，可以增加毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、攝像頭與ADAS控制器之間更多的信號交互來實現(xiàn)信息融合?；谛畔踩矫婵紤]，如果采用傳統(tǒng)CAN總線8Byte的數(shù)據(jù)載荷來增加密文會導(dǎo)致帶寬的浪費，但是CANFD有效數(shù)據(jù)載荷達(dá)到64Byte可以輕松實現(xiàn)加密通信。

2.3 MOST總線應(yīng)用

MOST在制訂上參考了ISO/OSI的7層模型，主要采用環(huán)狀拓?fù)溥M(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，每套MOST傳控網(wǎng)絡(luò)允許最多64Byte的連接[3]。MOST主要應(yīng)用在多媒體系統(tǒng)中的音視頻信息傳輸，實現(xiàn)了娛樂信息的共享。因為MOST的通信介質(zhì)為光纖且芯片成本較高，目前只有國外高端車型使用，隨著車載以太網(wǎng)技術(shù)的使用，MOST總線將逐步被淘汰。

2.4 FlexRay總線應(yīng)用

FlexRay總線最早由BMW推動，由多個主機廠組成FlexRay聯(lián)盟。FlexRay應(yīng)用場景主要為車內(nèi)不同域之間通信的主干網(wǎng)絡(luò)。國外高端車型使用較多，寶馬在其X5和7系車型中的動力和底盤系統(tǒng)都有使用FlexRay總線。奧迪在A8車型的自動駕駛系統(tǒng)和底盤系統(tǒng)中也局部使用了FlexRay總線通信[7]。因全球應(yīng)用普及度不高且早期只有高端車型使用，導(dǎo)致FlexRay總線芯片成本較高，所以并沒有完全推廣開，在北美和歐洲短暫盛行過一段時間后趨于平常，國內(nèi)主要有吉利基于沃爾沃的技術(shù)平臺有所使用。因為FlexRay芯片供應(yīng)商少，使用成本高價格，目前有被以太網(wǎng)取代的可能性。

2.5 LVDS應(yīng)用

LVDS主要集中在用于駕駛支持（電子后視鏡、泊車距離控制、超視距顯示）的視頻顯示系統(tǒng)、車載娛樂系統(tǒng)等，這些應(yīng)用要求高速數(shù)據(jù)傳輸，以滿足圖像傳遞的要求[5]。LVDS目前主要應(yīng)用在中低端未采用車載以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)的車型中，但是隨著使用車載以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)以及AVB/TSN協(xié)議的使用，低成本和輕量化程度更優(yōu)的車載以太網(wǎng)通信方案將逐步取代LVDS。

2.6 車載以太網(wǎng)應(yīng)用

車載以太網(wǎng)是一種專為汽車內(nèi)部通信而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以滿足汽車行業(yè)中對高帶寬、低時延和高可靠性的要求。車載以太網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議主要包括UDPNM、Some/IP和SOME/IP-SD、DoIP，以及傳統(tǒng)以太網(wǎng)通用的DHCP、TCP、UDP、ICMP、ARP和AVB/TSN等協(xié)議。各協(xié)議的特點和車載應(yīng)用場景見表2。

車載以太網(wǎng)的應(yīng)用主要有以下4個方面。

1）作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹鞲删W(wǎng)。隨著電子電氣架構(gòu)發(fā)展趨勢（圖2）由分布式往域集中式、中央集中式的技術(shù)方向發(fā)展，將車載以太網(wǎng)作為車內(nèi)主干網(wǎng)將成為高端車型發(fā)展的大趨勢。車載以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)可以使得各個域控制器實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量低時延、高可靠通信。2023年上市的嵐圖追光車型成為國內(nèi)首款采用SOA中央集中式電子電氣架構(gòu)的量產(chǎn)車。

2）用于大文件的診斷刷寫。隨著高級別智能駕駛的需求不斷提高，智駕系統(tǒng)的刷寫文件包大小也早已達(dá)到了GB的量級，傳統(tǒng)的CAN/CANFD總線刷寫無法滿足時效性要求，基于車載以太網(wǎng)DoIP協(xié)議的刷寫能完美滿足此需求，并且智能網(wǎng)聯(lián)車型的OTA升級需求也是促使整車廠使用車載以太網(wǎng)的重要因素。診斷刷寫連接方案如圖3所示。

3）在影音娛樂系統(tǒng)中使用。隨著用戶對汽車影音娛樂、導(dǎo)航信息同步、多屏互動和云端互聯(lián)體驗需求的不斷提升，高清音視頻傳輸成為車載網(wǎng)絡(luò)的重要需求。車載以太網(wǎng)以其高帶寬和低時延的特性，能夠輕松應(yīng)對高清媒體內(nèi)容的傳輸要求，為乘客提供流暢、高品質(zhì)的娛樂體驗。此外，車載以太網(wǎng)還支持智能座艙的功能，使駕駛者能夠通過語音指令控制車輛和娛樂系統(tǒng)，提升駕駛便利性和舒適性。

4）在主動安全系統(tǒng)中使用。車載以太網(wǎng)在車輛控制和安全系統(tǒng)中的應(yīng)用也日益廣泛。通過高精度、高可靠、高速率的數(shù)據(jù)傳輸，車載以太網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛各系統(tǒng)之間的協(xié)同工作，提高車輛穩(wěn)定性和安全性。例如，在智能駕駛系統(tǒng)中，車載以太網(wǎng)通過V2X技術(shù)支持車輛與環(huán)境、其他車輛以及道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的實時信息交換以及多種傳感器數(shù)據(jù)的信息融合處理，為智駕控制器提供全面的感知能力。車載以太網(wǎng)通過TSN技術(shù)能夠確保傳感器、控制器和執(zhí)行器之間的實時通信，為車輛提供準(zhǔn)確的感知和決策支持。

3 車載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢及各網(wǎng)絡(luò)總線通信交互方式

隨著汽車電子技術(shù)發(fā)展，高端車型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計將朝著車載以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)，CAN/CANFD作為域內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)，LIN實現(xiàn)局部通信的方向發(fā)展。中低端車型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從成本考慮，近期仍將采用CAN/CANFD作為主干網(wǎng)和域內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)，LIN實現(xiàn)局部通信，LVDS滿足音視頻傳輸通信，智駕控制器采用以太網(wǎng)DoIP協(xié)議刷寫的設(shè)計。如圖4所示。

基于SOA的車載網(wǎng)絡(luò)總線之間的通信交換主要有以下方式。

1）車載以太網(wǎng)端口間的純SOME/IP服務(wù)報文交互，此類通信將有服務(wù)需求的以太網(wǎng)端口依據(jù)SOME/IP通信矩陣中的服務(wù)定義來明確服務(wù)報文的發(fā)送和調(diào)用關(guān)系。

2）車載以太網(wǎng)端口與CAN/CANFD/LIN節(jié)點之間的通信使用UDP協(xié)議封裝CAN/CANFD/LIN報文信號，通過開發(fā)車載以太網(wǎng)CAN/CANFD/LIN通信表和車載以太網(wǎng)PDU路由規(guī)范將其打包成的SOME/IP服務(wù)報文來實現(xiàn)通信交互。

3）CAN/CANFD節(jié)點間的通信通過開發(fā)CAN通信矩陣和網(wǎng)關(guān)路由表來明確通信關(guān)系。

4）CAN/CANFD與LIN節(jié)點間的通信通過開發(fā)CAN/CANFD-LIN網(wǎng)關(guān)通信路由表明確通信關(guān)系。

4 結(jié)束語

隨著智能駕駛、智能座艙和智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)合電子電氣架構(gòu)發(fā)展趨勢，車載網(wǎng)絡(luò)總線的發(fā)展將朝著車載以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)，輔以LIN和CAN/CANFD總線作為局部網(wǎng)絡(luò)的方向。以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也將進(jìn)一步推動智能電動汽車技術(shù)的發(fā)展，使得具備自動駕駛功能的智能車輛，不久將成為人們生活中的一部分[6]。然而，車載以太網(wǎng)技術(shù)在應(yīng)用過程中仍面臨著網(wǎng)絡(luò)安全、兼容性、成本等挑戰(zhàn)，需要不斷優(yōu)化和完善。

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