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汽車通信網絡發(fā)展趨勢與特性

  據Credit Swiss First Boston公司預測,在2010年,預計全球半導體市場容量將達到約3550億美元(估計每年復合增長率為10.8%);到2010年,30%的半導體銷售額是汽車應用;在2010年,預計汽車應用的半導體銷售額將達到約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)計數(shù)據表明,中國汽車市場在2003年~2007年經歷了井噴式的增長,年均增長率高達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36.1%,這主要歸因于現(xiàn)有產品的普及,造成汽車電子在汽車成本中比重有較大提升,即便是在經濟型轎車中,很多成熟和技術也獲得了大范圍普及。

  據賽迪顧問預測,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,市場總量的擴大依然為參與其中的廠商提供了足夠的發(fā)展機遇。

  目前,全世界有多達40多種車輛網絡標準:控制區(qū)域網CAN、局部互聯(lián)協(xié)議LIN(Local Interconnect Protocol),高速容錯網絡協(xié)議FlexRay,用于汽車多媒體和導航的MOST(Media Oriented System Transport,媒體定向系統(tǒng)傳輸),以及與計算機網絡兼容的藍牙、無線局域網等無線網絡技術。

  按照數(shù)據傳輸速率劃分,車載網絡可分為Class A、Class B、Class C三個級別。Class A的數(shù)據速率通常低于20Kbps,如LIN,主要用于車門控制、空調、儀表板。Class B的數(shù)據速率為10Kbps~125Kbps,如CAN(ISO 11898),主要是事件驅動和周期性的傳輸。Class C的數(shù)據速率為125Kbps~1Mbps,如CAN(ISO898),主要用于引擎定時、燃料輸送、ABS等需要實時傳輸?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)據流的傳輸。

  汽車通信網絡還可以劃分為四個不同的領域,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),每個領域都有其獨特的要求。

  CAN(Controller Area Network)總線是德國Bosch公司從20世紀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)據交換問題而開發(fā)的一種串行數(shù)據通信協(xié)議。它是一種多主總線,通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維,通信速率可達1Mbps。

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

  FlexRay總線是一種高速網絡,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)應用的通信協(xié)議被提出的。從技術上講FlexRay作為下一代汽車網絡協(xié)議,提供了充足的帶寬、可靠性和實時響應能力,以實現(xiàn)線控應用。該標準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在一定的時間內只能定位于高端汽車的應用。

  車內除了嵌入式控制系統(tǒng)以外,還有諸如媒體播放器、導航系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)以及其他多種信息娛樂設備,這些設備之間的互連需要更高速的通信協(xié)議。媒體導向系統(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)據可分為同步傳輸數(shù)據和異步傳輸數(shù)據,具有很大的靈活性——同步數(shù)據可直接用于音視頻設備,異步數(shù)據可用于傳輸其它數(shù)據包,如導航地圖數(shù)據等。MOST還定義了應用層,包括MOST設備、功能塊、功能函數(shù)以及參數(shù)格式等等,這些協(xié)議可以確保各個廠家生產的設備具有MOST互聯(lián)性,也有利于車內信息娛樂設備的及時更新?lián)Q代。

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

  CAN和LIN總線具有結構簡單、易于使用、方便維護的特點,由于是串行傳輸,在進行設計和調試時,需要對數(shù)據幀進行解析。無論是設備制造商(OEM)、汽車制造商、電子器件制造商,還是半導體制造商,都需要一套完整的測試方案來簡化設計和調試過程。

  如開發(fā)人員需要監(jiān)測網絡中的不同CAN消息,包括測量一條消息相對于另一條CAN消息出現(xiàn)所需的時間、計算CAN消息出現(xiàn)次數(shù)、顯示CAN消息內容;要同時監(jiān)測網關分開的兩個網段,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)點在正確的位時間對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信號進行觸發(fā)的功能,為工程師提供了得力的工具。

  車載網絡的使用環(huán)境日趨復雜,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候。隨著車載LAN的導入,除了以往點火塞的火花電流、馬達的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。可能產生EMC問題的點火系、帶接點付負荷系、交流發(fā)電機系、馬達系和車載數(shù)碼設備。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以上就會產生bit error。LIN總線比較簡單,所以通常采用LC濾波器。