【摘要】：本文在SAE(Society Automotive Engineering)对汽车网络分类方法进行分析的基础上，结合汽车网络技术的最新发展，提出了一种新的分类方法，并按此分类方法综述了目前各类网络应用的通信协议，指出了其中最具竞争力的协议。
【关键词】：汽车网络，总线，通信协议

一、前言
随着电子技术的迅速发展及其在汽车工业上的广泛应用，汽车电子化的程度越来越高，传统的线束连接方式已远远不能满足车内外大量信息交换及共享的需要。因此，各种适用于汽车环境的汽车网络技术应运而生。众多国际知名汽车公司早在二十世纪八十年代初就致力于汽车网络相关技术的研究及应用，目前汽车网络技术正处在高速发展和全面应用阶段。
二、汽车网络的分类方法及各类网络主要协议的分析
汽车网络标准虽多，但其侧重的功能各有不同，为了方便研究和设计应用，二十世纪九十年代中期SAE把车用网络分为A、B、C三类。如表1所示，其中，A类网为面向执行器、传感器的低速网络，B类为面向数据共享的中速网络，C类为面向实时控制的高速网络。

最近几年，随着汽车电子技术的高速发展，世界各大汽车公司、电子元器件公司及各科研机构根据电子技术和汽车应用的发展推出了许多新的车用通信协议，到目前为止大约有40多种。现在已经难以将基于这些新协议的网络都归类到SAE定义的三类网络中去，综合考虑位速率和功能等因素，现有的汽车通信网络大致可划分为五类，沿袭SAE的分类方式，本文将这五类网络称为：A、B、C、D、E类网络。下文将对这五类网络作简要阐述。
1、A类网络协议
A类网络的定义与SAE的相同，它主要是面向传感器、执行器的低速网络。该类网络对实时性要求不高，位速率一般在1~10Kbps，主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。表2示出了一些A类网络协议。

根据这些网络协议目前发展和使用的状况，可以看出A类网的主要协议将是TTP/A和LIN(Local Interconnect Network)。
TTP/A协议最初由维也纳工业大学制定，它是TTP协议家族成员之一，为时间触发类型的网络协议，主要应用于集成了智能变换器的实时现场总线。它的主要特点是：能自动识别加入总线的主节点(控制着协议运行的节点)与从节点(响应主节点的节点)；节点在某段已知的时间内触发通信但不具备内部容错功能；具有标准的UART接口和即插即用能力；能在系统上电或正常运行时自动配置传感器参数，等等。
1998年Motorola、Audi、BMW、VCT等公司成立了一个协会，在潜心研究A类网已有协议的基础上，于1999年7月提出了LIN协议标准。该协议目前最新的版本是2003年9月发布的2.0版。LIN采用SCI、UART等通用硬件接口，辅以相应的驱动程序，因此适用面较广，且成本低廉，配置灵活，而且采用LIN网络能够提高汽车上分层多路复用网络的性能，降低汽车电子控制装置开发、生产以及诊断服务的成本。该协议应用开发的热点集中在美国、欧洲和日本。估计到2003年末，在全世界新生产的汽车中，平均每辆车将有3-10个LIN节点，而且在未来十年内，这个数字还会有快速的增长，达到20个左右。这样的话，全世界每年将生产12亿个LIN节点。可见，LIN的应用存在着巨大的潜在市场，协议本身也会在不断的应用中得到完善。
综上所述，尽管LIN网络目前正处于开发阶段，但是它已经广泛地被世界上的大多数汽车公司以及零配件厂商所接受，它有望成为事实上的A类网络标准。
2、B类网络协议
B类网络主要面向独立模块间的数据共享，是中速网络，该类网络适用于对实时性要求不高的通信场合，以减少冗余传感器和其它电子部件。B类网络的位速率一般在10~100Kbps，主要应用于车辆信息中心、故障诊断、仪表显示等系统。表3示出了一些B类网络协议。

目前看来，B类网络的主流协议为CAN(ISO11898-3)、SAE J1850、VAN(Vehicle Area Network。
1994年2月1日，SAE正式将J1850作为B类网络标准协议。之前，作为SAE推荐的协议，J1850已被使用了七年。SAE J1850最早用在美国Ford、GM以及前Chrysler公司的汽车中，现在，J1850协议作为诊断和数据共享被广泛运用在汽车产品中。
1994年6月ISO(International Standard Organization)推出的VAN标准基于ISO 11519-3，主要为法国汽车公司所用。VAN协议是免费公开的，除了汽车领域，这个标准还可用于其它场合。
在欧洲市场上，主流的汽车控制网络协议是CAN。该协议由德国Bosch公司在二十世纪八十年代开发，1991年首次在奔驰S系列汽车中实现。随着CAN在各种领域中的应用和推广，人们对其通信格式的标准化提出了要求。为此，1991年德国Bosch公司正式颁布了CAN技术规范(版本2.0)。该技术规范包括A和B两部分。此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运输工具－数据信息交换－高速通信控制器局域网(CAN)国际标准ISO 11898，为CAN的标准化、规范化铺平了道路。此后，越来越多的北美和日本汽车公司也开始采用CAN网络。1994年美国汽车工程师协会卡车和巴士控制和通信子协会选择CAN作为SAE J1939标准的基础，CAN又分为低速和高速两部分，低速CAN具有许多容错功能，一般用在在车身电子控制中，而高速CAN则大多用在汽车底盘和发动机电子控制中。
综上所述，CAN属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术及独特的设计，与一般通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。目前，B类网络之间的竞争已初见端倪，CAN凭其优越的性能，已成为被全世界接受的B类网络主流协议。
3、C类网络协议
C类网络主要面向高速、实时闭环控制的多路传输网，表4示出了一些C类网络协议。

目前，C类网络中的主流协议包括高速CAN(ISO 11898-2)、正在发展中的TTP/C(Time-Triggered Protocol)、FlexRay等协议。
TTP/C协议由维也纳工业大学于二十年前开始研发，基于TDMA(Time Division Multiple Access)的访问方式。目前，该协议已不局限于汽车行业的应用，在其他行业如航天业和铁道工业中均采用了该技术，这证明了TTP具有较大的优势和竞争力。TTP/C支持时间和事件触发的数据传输，市场上已有相应的协议芯片，如奥地利TTChip公司生产的TTP控制器系列。
FlexRay是BWM、Daimler Chrysler以及Motorola和Philips等公司制定的功能强大的通信网络协议，基于FTDMA(Flexible Time Division Multiple Access)的确定性访问方式，具有容错功能及确定的通信消息传输时间，同时支持事件触发与时间触发通信，具备高速率通信能力，符合未来汽车应用需求。目前，飞利浦半导体公司计划在今年推出首款FlexRay物理层芯片，而摩托罗拉则准备在2004年推出首款FlexRay微控制器。FlexRay的大批量应用预计要到2006年以后。
目前国外常用的C类协议仍为高速CAN协议，即ISO11898-3，总线传输速率通常在125Kbps~1Mbps之间。据Strategy Analytics公司统计，2001年用在汽车上的CAN节点数目超过1亿个。然而，作为一种事件驱动型总线，CAN无法为下一代线控系统提供所需的容错功能或带宽，因为x-by-wire系统实时性和可靠性要求都很高，必须采用时间触发的通信协议，如TTP/C或FlexRay等。
综上所述，TTP/C和FlexRay之间的竞争还要持续一段时间。就目前来说，CAN协议仍为C类网络协议的主流，随着下一代汽车中引进x-by-wire系统，由于它们对实时性和可靠性要求大大提高，CAN将不再能满足该类网络系统的要求，TTP/C和FlexRay将展现它们的优势。
4、D类网络协议
目前，A、B、C类网络最终的标准逐渐凸现，而D类网络仍处于百花齐放阶段。D类网络主要面向多媒体、导航系统等，网络协议的位速率在250Kbps~400Mbps之间。在过去十年中，ITS(Intelligent Transportation Systems)产品悄悄崛起，ITS相关设备的出现、ITS应用技术的普及开创了"远程信息处理"这一新的领域。为促进ITS和车载多媒体系统的应用，有关方面已经制定了许多规范，IDB(Intelligent Data Bus)是其中一个重要内容。IDB首次确定了汽车行业用于信息、通信和娱乐系统的接口标准，该标准支持即插即用，这样一来，普通电子产品可搭配所有汽车使用。目前SAE已将各种IDB设备分为三类：低速(IDB-C)、高速(IDB-M)和无线通讯(IDB-Wireless)。
IDB-C是一种主要用于娱乐和信息交换的车载网络，最近发展得比较快，估计以后几年可能会在一些车辆中得以配置。在理想状态下，IDB-C不仅适合于远程信息处理，而且能当作一种通用的车载设备控制总线使用。由于它结合了CAN技术，而目前许多汽车生产商已将CAN网络产品应用于多种车载网络平台，因此IDB-C引起了极大的关注。由于其低成本的特性，IDB-C有望在未来的两年内成为汽车多媒体类产品的规则之一，并有可能于2004年前在OEM方式的车辆中推行。IDB-C目前已成为SAE的标准，即SAE J2366。
IDB-M包括D2B、MOST、IDB1394等传输速率较高的标准和协议。其中的D2B已在Mercedes 1999 S型轿车得到应用，它于二十世纪八十年代后期由Philips、Sony、Matsushita等公司共同开发，当时该技术主要用于家庭娱乐设备，解决不同厂家产品的兼容性问题。1992年，该技术被Honda、Alpine公司应用于汽车的多媒体控制系统中。D2B技术使汽车变成了一个流动的多媒体工具。
D2B产生并得以应用之后，人们仍然觉得它的速度太慢，因而寻找另一种更高速的协议来替代它。于是1998年Audi、BMW、Daimler Chrysler、Harman/Becker、Motorola、Oasis Silicon Systems、Johnson Controls、Delphi-Delco等公司联合开发了MOST协议。它是专门用于汽车工业的多媒体光纤网络标准，速率可达50Mbps。MOST网络不仅提供很高的速率和性能，而且成本相对较低。BWM目前在业界率先采用了MOST协议，Daimler Chrysler等欧洲汽车制造商均计划采用该协议。
IDB-1394是一个高速多媒体网络，为车内多媒体的应用而设计。IDB-1394建立在IEEE-1394的基础上，是IEEE-1394标准在汽车行业应用的扩展。由于IEEE-1394具有便宜、数据传送速度快、可靠性高、是开放的标准等优点，因此它为民用设备、计算机及外设广泛采用。作为IEEE-1394在汽车行业的应用，IDB-1394具有很大的潜力。
目前的IDB-Wireless主要是"蓝牙"(bluetooth)技术，蓝牙技术是一种开放性的全球规范，和无线数据与语音通信有关，它可取代目前的电缆连接方式，以低成本的近距离无线连接为基础，使不同厂家生产的各种移动与便携设备能方便地实现相互操作和数据共享。
5、E类网络协议
除了以上所说的A、B、C、D四类网络外，还有一类网络主要是面向乘员的安全系统，称之为E类网络，主要应用于车辆被动安全领域。在E类网络的应用场合中可能存在两条或多条总线。
Byteflight是由BMW、Motorola、Elmos、Infineon等公司针对应用在汽车主动安全性、被动安全性及车身电子系统制定的网络通信协议。该网络的物理介质为塑料光纤，可能的拓扑形式为星型、总线等，Byteflight的MAC层采用了FTDMA方式，可灵活利用带宽，既能满足某些消息需要时间触发，以保证确定延迟的要求，又能满足某些消息需要事件触发，需要中断处理的要求。该协议的数据传输速率最高可达10Mbps，净传输速率可达5Mbps，完全可以满足下一代汽车在安全性领域的要求。BMW在其7系列车中采用13个节点构成Byteflight车辆被动安全性网络，称为ISIS (Intelligent Safety Integration System)。在ISIS中，传感器和微处理器分布在可能的碰撞地点，以尽可能快地检测到碰撞发生。此外，用高频率(4KHz)重复发送的传感器状态信号代替了传统的传感器开关量信号，使得判断是否发生碰撞的过程更加快速和准确，提高了安全气囊的可靠性。因此ISIS的性能超过了目前其他汽车上的被动安全性系统，Byteflight也因此在车辆被动安全性系统中显示了独特的优势。我们预计，Byteflight将成为较有前途的一种E类网络协议。除了Byteflight以外，还有其它几个安全系统总线正在开发过程中，见表5。

三、汽车网络技术的发展趋势
基于上文提出的对现有汽车网络协议新的分类方法及其主流协议分析，可以看出汽车网络技术的发展趋势主要有以下几方面：
1、网络技术迅速在汽车应用中普及
几年前汽车网络控制的应用还局限于高档车，对于大多数人来讲，汽车网络技术还是一个比较陌生的概念。短短几年内，汽车网络技术的发展速度已令人瞠目结舌，从目前的情况来看，世界各大汽车公司的车身网络控制和动力系统网络控制的技术平台均已基本建立，在新推出的车型中，全面采用网络控制技术已成为可能，因此可以断言，近几年内网络技术在汽车中的应用将会迅速普及。
2、高速、实时、容错网络控制技术
线控概念(x-by-wire)是另一新的汽车工程概念，目前已有使用线控系统的概念车出现。该技术极大改善了汽车的可操纵性、安全性、及总体结构，汽车设计的灵活度也大大增加，驾驶员和方向盘之间将没有任何机械部分的连接，使用这种技术使汽车的操纵系统、制动系统及其它辅助系统能够通过电子方式，而不是传统的机械方式进行控制，也就是说，象转向柱、踏板连杆、变速杆连杆等刚性传动件将会消失，取而代之的将是基于网络控制的各种传感器、控制器和电液式电动执行器组成的线控系统。x-by-wire技术必将促进高速、实时、容错的网络通信技术的发展。
3、多媒体、高带宽的网络
未来汽车网络同时将是一个多媒体、高带宽的网络，它能使车内生活更轻松，并在某种程度上将办公室移入车内。如果再看远一些，人们将可以下载软件以修改控制器软件中的漏洞或提高汽车的性能。随着第三代移动通信技术的发展，这一技术必将得到快速的发展。
4、统一网络协议
目前在汽车行业中存在很多网络通信协议，由于缺乏全世界统一的标准，实际上提高了汽车的制造成本。例如，目前在C类网络中TTP/C和FlexRay之间的争论还没有结果，因此x-by-wire产品供应商必须提供与这两种结构兼容的产品。虽然建立一个统一的汽车网络协议体系是一件十分复杂和困难的工作，但在汽车制造商和供应商之间已逐渐对这一问题达成一致：在A类网络中使用LIN，在B类网络中低速CAN已成为事实上的标准协议，在C类网络中，对传统的实时分布控制(对应于x-by-wire技术而言)，高速CAN将作为事实上的标准，在采用x-by-wire技术的下一代汽车中，TTP/C与FlexRay的竞争结果也将逐渐明朗。