《車載網(wǎng)絡技術》2版第5章FlexRay與車載以太網(wǎng)

1、車載網(wǎng)絡技術5.1 FlexRay5.1.1 FlexRay簡介1.FlexRay的發(fā)展 FlexRay是繼CAN 和LIN之后的研發(fā)成果，可以有效管理多重安全和舒適功能，如FlexRay適用于線控操作（X-by-Wire），F(xiàn)lexRay總線已經(jīng)成為汽車網(wǎng)絡系統(tǒng)的標準。 由于目前通過CAN總線實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的方式已經(jīng)達到其效率的極限，業(yè)界一度認為，F(xiàn)lexRay將是CAN 總線的替代標準。 FlexRay是Daimler Chrysler AG的注冊商標（圖5-1）。1999年，BMW、Daimler Chrysler、Freescale（飛思卡爾，原美國摩托羅拉公司的半導體部） 和Philips

2、（荷蘭飛利浦）合作創(chuàng)建了FlexRay協(xié)會，以開發(fā)新型通信技術。第5章 FlexRay與車載以太網(wǎng) FlexRay是一種新型通信系統(tǒng)，目標是在電氣與機械電子組件之間實現(xiàn)可靠、實時、高效的數(shù)據(jù)傳輸，以確保滿足未來新的汽車網(wǎng)絡技術的需要。 后來Bosch和General Motors也加入了該協(xié)會。從2002年至今，F(xiàn)ord、Mazda、Elmos和Siemens VDO（2007年被德國大陸集團以114億歐元 收購，現(xiàn)為Continental VDO）也相繼加入該協(xié)會。 由于控制單元在車輛內(nèi)聯(lián)網(wǎng)對通信系統(tǒng)技術方面的要求越來越高，同時認識到有必要為基礎系統(tǒng)提供一個開放式標準化解決方案，因此開發(fā)了新

3、型通信系統(tǒng)FlexRay。 FlexRay為車內(nèi)分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)傳輸提供了有效協(xié)議。 此后，世界范圍內(nèi)幾乎所有有影響的汽車制造商和汽車電子產(chǎn)品供應商都加入了FlexRay協(xié)會。 Flex = Flexibilitt（靈活的）Ray = Rochen（鰩魚，軟骨魚類）FlexRayTM是Daimler Chrysler 的注冊商標圖5-1 FlexRay的標志 鰩魚鰩魚屬于軟骨魚類，身體的柔韌性和靈活性非常好。FlexRay總線的靈活性和適應性非常好。2.FlexRay的數(shù)據(jù)傳輸速率 FlexRay的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為每通道（信道）10Mbit/s，明顯高于以前在車身和動力傳動系統(tǒng)/底盤

4、方面所用的數(shù)據(jù)總線。以前只有使用光導纖維才能達到該數(shù)據(jù)傳輸速率。圖5-2 各總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率1實時、確定性（嚴格規(guī)定）和冗余（重復出現(xiàn)）；2有條件實時（對于控制系統(tǒng)來說已足夠）；3非實時3.FlexRay的優(yōu)點 FlexRay采用基于時間觸發(fā)的運行機制，且具有高帶寬、容錯性能好等特點，在實時性、可靠性以及靈活性等方面越來越凸顯其優(yōu)勢。作為車載網(wǎng)絡系統(tǒng)的標準，F(xiàn)lexRay具有以下優(yōu)點： 1）數(shù)據(jù)傳輸速率較高（可達10Mbit/s，而CAN僅為0.5Mbit/s）。 2）可以保證確定性（對實時性要求高）數(shù)據(jù)的可靠傳輸。 FlexRay是一種時間觸發(fā)式的總線系統(tǒng)，采用建立在通信周期固定的時分

5、多址訪問TDMA(Time Division Multiple Access)機制，因此在時間控制區(qū)域內(nèi)，時隙會分配給確定的信息，即會將規(guī)定好的時間段（亦即時隙）分配給特定的信息。重要的實時性（Real time）、確定性數(shù)據(jù)傳輸在通信周期內(nèi)擁有固定的時隙，從而可以確保報文傳輸?shù)臅r效性。 由于實時性、確定性數(shù)據(jù)在FlexRay總線上的傳輸是按部就班地進行的，其傳輸時間是可以預測出來，因而保證了其數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性。 實時性、確定性數(shù)據(jù)在FlexRay總線上按部就班地傳輸，其傳輸時間是確定的，也是可預測的。這一點，可以旅游景區(qū)用纜車載運游客（圖5-3）的例子加以說明。圖5-3 旅游景區(qū)用纜車載運游

6、客 3）分布式時鐘同步。FlexRay總線采用基于同步時基的訪問方法，同步時基是通過協(xié)議自動建立的，精度可達1s。 4）數(shù)據(jù)通信的可靠性好。FlexRay總線通過專用的確定性故障容錯協(xié)議支持多個級別的容錯，其中包括單信道和雙信道兩種模式，提供數(shù)據(jù)傳輸所需要的冗余和可擴展的系統(tǒng)容錯機制，從而確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?5）支持系統(tǒng)集成，靈活性好。FlexRay總線支持線形、星形、混合總線拓撲結構，支持報文的冗余和非冗余傳輸，且可提供大量配置參數(shù)供用戶靈活進行系統(tǒng)調整和擴展。 FlexRay雖然是時間觸發(fā)（Time-Triggered）的總線系統(tǒng)，事實上，它仍可通過事件觸發(fā)（Event-Trigge

7、red）方式來進行部分數(shù)據(jù)的傳輸，尤其對于實時性要求不高的非重要信息，就可以在事件控制區(qū)域內(nèi)傳輸。 因此，F(xiàn)lexRay總線具有“以時間觸發(fā)為主，以事件觸發(fā)為輔，兼具兩者優(yōu)點”的靈活的系統(tǒng)特性。5.1.2 FlexRay的特性1.總線拓撲結構1）線形總線拓撲結構。 2）星形總線拓撲結構。 圖5-4 線形總線拓撲結構 圖5-5 星形總線拓撲結構圖5-6 BMW車系F01車型FlexRay總線的拓撲結構3）混合總線拓撲結構。 2.冗余數(shù)據(jù)傳輸 具有冗余數(shù)據(jù)傳輸能力的總線系統(tǒng)使用兩個相互獨立的信道。每個信道都由一組雙線導線組成。一個信道失靈時，該信道應傳輸?shù)男畔⒖稍诹硪粭l沒有發(fā)生故障的信道上傳輸。

8、圖5-7 冗余數(shù)據(jù)傳輸A信道1；B信道2 在容錯性系統(tǒng)中，即使某一總線導線斷路，也必須確保數(shù)據(jù)能繼續(xù)可靠傳輸。這一要求可以通過在第二個數(shù)據(jù)信道上進行冗余數(shù)據(jù)傳輸（圖5-7）來實現(xiàn)。3.信號特性 FlxRay總線信號必須在規(guī)定范圍內(nèi)。無論在時間軸上還是電壓軸上，總線信號都不應進入內(nèi)部區(qū)域。FlexRay總線系統(tǒng)的電壓范圍如下： 1）系統(tǒng)接通。系統(tǒng)接通時，如無通信，則其電壓為2.5 V。2）高電平信號。高電平信號的電壓為3.1 V。3）低電平信號。低電平信號的電壓為1.9 V。注：電壓值以對地（搭鐵）測量方式得到。 圖5-8 FlexRay總線系統(tǒng)的正常波形 圖5-9 FlexRay總線系統(tǒng)的非正

9、常波形 4.確定性數(shù)據(jù)傳輸 CAN網(wǎng)絡是一個事件觸發(fā)式總線系統(tǒng)，發(fā)生一個事件時就會傳輸數(shù)據(jù)。多個事件匯集在一起時，可能在后續(xù)信息發(fā)送時出現(xiàn)延遲現(xiàn)象。如果無法成功準確地傳輸一條信息，該信息將一直發(fā)送，直至相應通信設備確認已接收到。 如果CAN總線系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)故障，可能會導致這些事件觸發(fā)的信息匯集在一起并造成總線系統(tǒng)過載，即各信號的傳輸要延遲很長時間，這樣會導致各系統(tǒng)的控制性能變差。 FlexRay是一種基于時間觸發(fā)方式的總線系統(tǒng)，它也可以通過事件觸發(fā)方式進行部分數(shù)據(jù)傳輸。也就是說，F(xiàn)lexRay采用柔性時間觸發(fā)方式工作，可以很好地兼融時間觸發(fā)和事件觸發(fā)這兩種觸發(fā)方式，從而更好地兼顧重要的確定性數(shù)據(jù)

10、的傳輸（時間觸發(fā)）和非確定性數(shù)據(jù)的傳輸（事件觸發(fā)）。 在時間控制區(qū)域內(nèi)，時隙分配給確定的信息。時隙是指一個規(guī)定的時間段，該時間段對特定信息（例如轉速）開放。 這樣，在FlexRay總線系統(tǒng)內(nèi)重要的周期性信息以固定的時間間隔傳輸，因此不會造成FlexRay總線過載。 對時間要求不高的其它信息則在事件控制區(qū)域內(nèi)傳輸。確定性數(shù)據(jù)傳輸用于確保時間觸發(fā)區(qū)域內(nèi)的每條信息都能實現(xiàn)實時傳輸，即每條信息都能在規(guī)定時間內(nèi)進行傳輸。 圖5-10 FlexRay總線系統(tǒng)內(nèi)確定性數(shù)據(jù)的傳輸過程1-循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間觸發(fā)區(qū)域；2-循環(huán)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖录|發(fā)區(qū)域；3-循環(huán)總循環(huán)時間5ms，其中3ms 為靜態(tài)（時間觸發(fā)），2ms

11、為動態(tài)（事件觸發(fā)）；n-轉速； -角度；t-溫度；v-車速；xyz.，abc.-事件觸發(fā)的信息；t-時間 Flexray和CAN總線最本質的區(qū)別是總線分配的方式不同。 CAN總線是典型的基于“事件觸發(fā)”方式傳輸數(shù)據(jù)的。CAN總線采用具有“力避沖突”功能的載波監(jiān)聽/多址訪問機制 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)工作。 各節(jié)點會一直監(jiān)聽總線狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)總線空閑時，某個節(jié)點便開始向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)（具體哪個節(jié)點能優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)，主要靠搶），節(jié)點向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)（報文）時，無法檢測到總線上是否有沖突，只能“盡

12、量避免”發(fā)生沖突。 Flexray采用時間觸發(fā)和事件觸發(fā)兩種方式相結合的模式傳輸數(shù)據(jù)。Flexray采用的是時分多址訪問機制 (Time Division Multiple Access，TDMA) 和柔韌靈活的時分多址訪問機制 (Flexible Time Division Multiple Access，F(xiàn)TDMA)兩種方法。 如果真的發(fā)生了沖突，則需要依靠沖突仲裁機制以數(shù)據(jù)優(yōu)先級進行仲裁。這樣一來，CAN總線就容易發(fā)生過載現(xiàn)象（因為有眾多的節(jié)點都想向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)）。 Flexray將一個通信周期分為時間觸發(fā)區(qū)域（靜態(tài)部分）、事件觸發(fā)區(qū)域（動態(tài)部分）、網(wǎng)絡空閑時間三個部分。 時間觸發(fā)區(qū)域

13、使用時分多址訪問機制TDMA ，每個節(jié)點會均勻分配時間片（時隙），每個節(jié)點只有在屬于自己的時隙內(nèi)才能向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)（報文），即使某個節(jié)點當前無數(shù)據(jù)可發(fā)，該時隙依然會保留給該節(jié)點是為時間觸發(fā)方式。 當然，這樣會造成了一定的總線資源浪費，但是卻能保證每個節(jié)點在規(guī)定的時間內(nèi)都能有發(fā)送數(shù)據(jù)的機會，而不必去搶。 在事件觸發(fā)區(qū)域使用柔韌靈活的時分多址訪問機制FTDMA，系統(tǒng)會輪流問詢每個節(jié)點有沒有消息要發(fā)，有就發(fā)，沒有就跳過是為事件觸發(fā)方式。時間觸發(fā)區(qū)域用于發(fā)送使用頻率高且對系統(tǒng)非常重要的數(shù)據(jù)。 事件觸發(fā)區(qū)域用于發(fā)送使用頻率不確定、相對不重要的數(shù)據(jù)。5.喚醒和休眠特性 主動轉向系統(tǒng)和VDM（垂直動態(tài)管理

14、系統(tǒng)）不通過喚醒導線，而是通過總線信號喚醒。隨后通過接通供電直接由VDM啟用四個減振器衛(wèi)星式控制單元。 FlexRay的喚醒信號曲線如圖5-11所示，從中可以清楚地看出車門解鎖（打開車門鎖）和起動時的典型的電壓曲線。圖5-11 FlexRay的喚醒信號曲線 第一階段，駕駛人用車鑰匙或遙控器將車輛開鎖。CAS控制單元啟用喚醒脈沖并通過喚醒導線將車輛開鎖信號（高電平）傳輸給所連接的 FlexRay控制單元。圖5-11 FlexRay的喚醒信號曲線第二階段，駕駛人打開車門，進入車內(nèi)。在將車鑰匙插入點火開關之前，由于總線端R仍處于斷開狀態(tài)，總線系統(tǒng)內(nèi)的信號電平再次下降（低電平）。 第三階段，駕駛人起動

15、發(fā)動機，總線端15接通，則總線系統(tǒng)內(nèi)的信號電平保持在設定值（高電平），直至再次關閉總線端15。 第四階段，駕駛人關閉發(fā)動機，拔出車鑰匙，鎖好車門。此時，總線端R再次處于斷開狀態(tài)。當總線端R處于斷開狀態(tài)時，F(xiàn)lexRay總線系統(tǒng)進入休眠模式，以免耗電過多。6.同步化 為了能夠在聯(lián)網(wǎng)控制單元內(nèi)同步執(zhí)行各項功能，需要有一個共同的時基。由于在所有控制單元內(nèi)部都是利用其自身的時鐘脈沖發(fā)生器工作的，因此，必須通過總線進行時間匹配。 控制單元測量某些同步位的持續(xù)時間，據(jù)此計算平均值并根據(jù)這個數(shù)值調整總線時鐘脈沖。同步位在總線信息的靜態(tài)部分中發(fā)送。 系統(tǒng)啟動后，只要CAS控制單元發(fā)送一個喚醒脈沖，F(xiàn)lexRa

16、y上的兩個授權喚醒控制單元（圖5-12中帶有“S”標記的控制單元）之間就會開始進行同步化。該過程結束時，其余控制單元相繼自動在FlexRay上注冊，計算出各自的差值并進行校正。 此外，在運行期間還會對同步化進行計算校正。這樣可以確保最小的時間差，從而在較長時間內(nèi)不會導致傳輸錯誤。圖5-12 FlexRay上的兩個授權喚醒控制單元（帶有“S”標記的控制單元） 5.1.3 FlexRay在汽車上的應用1.BMW車系中的FlexRay 在BMW車系F01/F02 （2009款寶馬7系標準版為F01，加長版為F02）車型中，通過FlexRay總線系統(tǒng)以跨系統(tǒng)方式實現(xiàn)汽車行駛動態(tài)管理系統(tǒng)和發(fā)動機管理系統(tǒng)

17、的聯(lián)網(wǎng)（圖5-12）。BMW車系F01圖5-12 FlexRay上的兩個授權喚醒控制單元（帶有“S”標記的控制單元） 圖5-13 FlexRay是行駛動態(tài)管理系統(tǒng)的綜合性主總線系統(tǒng) 同時，F(xiàn)lexRay是行駛動態(tài)管理系統(tǒng)的綜合性主總線系統(tǒng)（圖5-13）。圖5-14 中央網(wǎng)關模塊（ZGM）用于不同總線系統(tǒng)與FlexRay之間的連接中央網(wǎng)關模塊用于不同總線系統(tǒng)與FlexRay之間的連接（圖5-14）。圖5-6 BMW車系F01車型FlexRay總線的拓撲結構AL主動轉向系統(tǒng)；BD總線驅動器；DME數(shù)字式發(fā)動機電子系統(tǒng)；DSC動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)；EDCSHL左后電子減振器控制系統(tǒng)衛(wèi)星式控制單元；EDC

18、SHR右后電子減振器控制系統(tǒng)衛(wèi)星式控制單元；EDCSVL左前電子減振器控制系統(tǒng)衛(wèi)星式控制單元；EDCSVR右前電子減振器控制系統(tǒng)衛(wèi)星式控制單元；HSR后橋側偏角控制系統(tǒng)；ICM集成式底盤管理系統(tǒng)；SZL轉向柱開關中心；VDM垂直動態(tài)管理系統(tǒng)；ZGM中央網(wǎng)關模塊 BMW車系F01車型FlexRay總線的拓撲結構如圖5-6所示。根據(jù)車輛配置情況，ZGM帶有一個或兩個星形連接器，每個星形連接器都有四個總線驅動器。總線驅動器將控制單元數(shù)據(jù)通過通信控制器傳輸給中央網(wǎng)關模塊（ZGM）。根據(jù)FlexRay控制單元的終端形式，總線驅動器通過兩種方式與這些控制單元相連。2.終端電阻的設置如果一個總線驅動器上僅連

19、接一個控制單元（例如SZL與總線驅動器BD0相連），則總線驅動器和控制單元的接口各有一個終端電阻（圖5-15）。中央網(wǎng)關模塊的這種連接方式稱為“終止節(jié)點終端”。如果控制單元上的接口不是物理終止節(jié)點（例如總線驅動器 BD2上的DSC、ICM和DME），而是形成環(huán)路，則每個總線路徑端部的兩個組件內(nèi)部必須設置終端電阻（圖5-16）。 圖5-15 終止節(jié)點終端內(nèi)部的終端電阻 圖5-16 形成環(huán)路的FlexRay終端電阻的設置5.1.4 FlexRay的故障處理與檢測1.故障處理 FlexRay總線導線出現(xiàn)故障或FlexRay控制單元自身出現(xiàn)故障時，可能會切斷各控制單元或整個支路與總線之間的通信。帶有四

20、個授權喚醒FlexRay控制單元（ZGM、DME、DSC、ICM）的分支除外。如果這些控制單元之間的通信中斷，則發(fā)動機無法起動。 此外，控制單元內(nèi)的這種總線監(jiān)控功能還能防止在非授權時間發(fā)送信息，從而防止覆蓋其它信息。 2.布線特點 BMW車系F01/F02車型的FlexRay總線采用帶電纜套的雙芯雙絞線電纜。終端電阻位于中央網(wǎng)關模塊和終端設備內(nèi)。通過萬用表（歐姆表）可以檢測至終端設備的部分導線的通斷情況。3.導線電阻的檢測 1）檢測FlexRay導線電阻時必須使用車輛電路圖。2） FlexRay導線電阻的檢測結果無法100%地判斷出系統(tǒng)功能正常與否。靜態(tài)模式和動態(tài)模式下，電氣性能差別很大。3）

21、 FlexRay的導線是雙絞線，導線損壞時可以用普通導線進行替換維修。但是安裝時必須遵守其特殊要求。 4）對FlexRay的導線進行維修時，必須盡可能保持雙絞線布置方式。5）剝掉絕緣層的維修部位必須用冷縮配合軟管加以密封。相關視頻5.1.5 FlexRay的命運（時運不濟） 由于目前通過CAN總線實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的方式已經(jīng)達到其效率的極限，業(yè)界一度認為，F(xiàn)lexRay將是CAN 總線的替代標準。 FlexRay可以有效管理多重安全和舒適功能：FlexRay適用于各類線控操作(X-by-wire)，可以在單信道高速動力傳動、輔助駕駛和提高舒適程度的汽車電子系統(tǒng)應用。 FlexRay雖然是一種功能強大的網(wǎng)

22、絡，但成本和復雜度制約了其發(fā)展。加之采用FlexRay技術的量產(chǎn)車剛一推出，就遭遇了席卷全球的2008年金融危機，直接導致了FlexRay協(xié)會于2009年年底解散。 2006 年FlexRay首次應用于量產(chǎn)車，作為數(shù)據(jù)主干網(wǎng)用在了BMW X5的主動懸架系統(tǒng)。 待全球金融危機結束之后，以博通公司主推的車載以太網(wǎng)技術已經(jīng)悄然崛起，業(yè)界已經(jīng)把注意力轉移到車載以太網(wǎng)的研發(fā)和應用。至此FlexRay完全陷入進退兩難的尷尬境地。5.2 車載以太網(wǎng)5.2.1 車載以太網(wǎng)及其標準1.以太網(wǎng) 作為一種局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）技術，以太網(wǎng)（Ethernet，圖5-17）最早由Xero

23、x（施樂）公司于1973年創(chuàng)建，1980年由DEC（美國數(shù)字設備公司）、Intel（英特爾公司）和Xerox三家公司聯(lián)合開發(fā)成為局域網(wǎng)標準。圖5-17 以太網(wǎng)（Ethernet）的標志 歷經(jīng)40多年的發(fā)展，以太網(wǎng)已經(jīng)成為應用最為普遍的局域網(wǎng)技術。以太網(wǎng)主要由IEEE802.3工作組負責標準化，以太網(wǎng)從最初支持10Mbit/s的吞吐量開始，經(jīng)過不斷的發(fā)展，支持快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）、千兆以太網(wǎng)（1Gbit/s）、萬兆以太網(wǎng)（10Gbit/s）及100Gbit/s。 同時，為了適應應用的多樣化，以太網(wǎng)速率打破了以10倍為一級來提升速率的慣例，開始支持2.5、5、25及400Gbit/s的

24、速率。 以太網(wǎng)技術不僅支持雙絞線的銅線傳輸介質，也支持光纖傳輸。以太網(wǎng)不僅僅局限于局域網(wǎng)的應用，可以更廣泛地應用到城域網(wǎng)（Metropolitan Area Network，MAN）和廣域網(wǎng)（Wide Area Network，WAN）等領域。2. 車載以太網(wǎng) 在進入汽車領域之前，以太網(wǎng)已經(jīng)獲得了廣泛的應用，同時還具有技術成熟、高度標準化、高帶寬以及低成本等優(yōu)勢。 由于傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD）方式工作，導致其數(shù)據(jù)傳輸具有不確定性或者說非實時性，故傳統(tǒng)以太網(wǎng)一直被

25、認為是在數(shù)據(jù)傳輸過程中，具有“非確定性” 的網(wǎng)絡系統(tǒng)。 當網(wǎng)絡負荷較大時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制領域的準確定時通信的實時性要求（亦即確定性要求），故傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術難以直接在汽車中應用。 車載以太網(wǎng)（Automotive Ethernet，圖5-18和圖5-19）在傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議的基礎上，通過改變物理接口的電氣特性，顯著提升了電磁兼容性能，可以滿足車內(nèi)環(huán)境對電磁兼容性能的嚴苛要求。 同時，結合車載網(wǎng)絡需求，專門定制了一系列新的標準和協(xié)議，形成了適應汽車環(huán)境要求的網(wǎng)絡體系，從而得以應用于汽車。 圖5-18 車載以太網(wǎng)（Automotive Ethernet）的標志圖5-19 車載以太網(wǎng)

26、 目前，主流的車載以太網(wǎng)的技術標準是基于美國博通（Broadcom，圖5-20）公司的BroadR-Reach（BRR）技術，電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）已經(jīng)完成對100Mbit/s車載以太網(wǎng)技術的標準化，正在對1Gbit/s傳輸速率的車載以太網(wǎng)進行標準化。圖5-20 美國博通（Broadcom）公司的標志 與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)使用4對非屏蔽雙絞線（Unshielded Twisted Pair，UTP）電纜（共8根銅質電線，圖5-21）不同，圖5-21 傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用4對非屏蔽雙絞線（共8根銅質電線） 車載以太網(wǎng)在單對非屏蔽雙絞線（共2根銅質電線，圖5-22）上可實現(xiàn)100Mbit/s甚至1G

27、bit/s，甚至更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時還能滿足汽車行業(yè)對高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實時性等方面的要求。圖5-22 車載以太網(wǎng)的單對非屏蔽雙絞線（共2根銅質電線） 僅就節(jié)約布線成本這一項，車載以太網(wǎng)的優(yōu)勢就極為明顯（圖5-23）。博通公司宣稱，采用其主導的BroadR-Reach技術，可使車載網(wǎng)絡系統(tǒng)的電纜重量減輕30%，連接成本可降低80%。3.車載以太網(wǎng)的標準化（1）IEEE 電氣與電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）成立于1963年，是一個國際性的電子技術與信息科學工程師

28、協(xié)會，也是目前全球最大的非營利性專業(yè)技術協(xié)會。 IEEE（圖5-24）致力于電氣、電子、計算機工程和與科學相關領域的開發(fā)和研究，在太空、計算機、電信、生物醫(yī)學、電力及消費性電子產(chǎn)品等領域已制訂了900多個行業(yè)標準，現(xiàn)已發(fā)展成為具有較大影響力的國際學術組織。圖5-24 電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）的標志 IEEE802.3制訂的局域網(wǎng)標準代表了業(yè)界主流的以太網(wǎng)技術，車載以太網(wǎng)技術是在IEEE802.3基礎上開發(fā)的。因此，IEEE是目前最為重要的車載以太網(wǎng)國際標準化機構。 為滿足車內(nèi)的要求，涉及到IEEE802.3和802.1兩個工作組內(nèi)的多個新規(guī)范的制訂和原有規(guī)范的修訂，包括PHY規(guī)范、AV

29、B（Audio/Video Bridging）規(guī)范、單線對數(shù)據(jù)線供電等。 另外，AVB中有關AV的傳輸、定時同步等規(guī)范還需要IEEE的其他技術委員會（如IEEE1722、IEEE1588等）的相關標準化的配合。（2）OPEN聯(lián)盟 單對雙絞線以太網(wǎng)聯(lián)盟（One-Pair Ether-Net Alliance）簡稱OPEN聯(lián)盟。 OPEN聯(lián)盟（圖5-25）于2011年11月由博通（Broadcom）、恩智浦（NXP）以及寶馬（BMW）公司發(fā)起成立的開放產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，旨在推動將基于單線對以太網(wǎng)的技術標準應用于車內(nèi)聯(lián)網(wǎng)。 相關單位可通過簽署OPEN聯(lián)盟的規(guī)范許可協(xié)議成為其成員，參與其相關規(guī)范的制訂工作。圖

30、5-25 OPEN聯(lián)盟的標志 OPEN聯(lián)盟與IEEE802工作組形成緊密的標準化合作關系。OPEN聯(lián)盟的主要標準化目標有以下幾項：制訂100Mbit/s BroadR-Reach的物理層標準并將其推廣成為開放的產(chǎn)業(yè)標準。在相關標準化組織中鼓勵和支持開發(fā)更高速的物理層技術規(guī)范。制訂OPEN的互通性要求，選擇第三方執(zhí)行互操作性測試。發(fā)現(xiàn)車載以太網(wǎng)在實現(xiàn)過程中的標準化缺口，并及時加以彌補。（3）AUTOSAR聯(lián)盟 汽車開放系統(tǒng)架構（AUTOmotive Open System Architecture，AUTOSAR）聯(lián)盟是由全球汽車制造商、部件供應商及其他電子、半導體和軟件系統(tǒng)公司聯(lián)合發(fā)起的產(chǎn)業(yè)聯(lián)

31、盟。 AUTOSAR（圖5-26）成立于2003年，BMW、BOSCH、VOLKSWAGEN、Continental、Ford、TOYOTA、PSA、GM等為核心成員。 AUTOSAR聯(lián)盟旨在制訂一個開放的、標準化的車用軟件架構體系。圖5-26 AUTOSAR聯(lián)盟的標志 AUTOSAR定義了一套汽車ECU內(nèi)部的軟件架構，同時還提出了一套完善的支持分布式汽車電子軟件系統(tǒng)開發(fā)和應用的汽車電子軟件開發(fā)方法，標準化了開發(fā)流程中的交換格式，使汽車電子軟件系統(tǒng)可以方便地在不同的汽車硬件平臺之間移植，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。 AUTOSAR制訂的規(guī)范包括車用TCP/UDP/IP協(xié)議棧，業(yè)已獲得汽車行業(yè)的

32、普遍認可。 AUTOSAR提出的“在標準上合作，在實現(xiàn)上競爭”的原則，其核心思想在于“統(tǒng)一標準、分散實現(xiàn)、集中配置”，改善了汽車電子軟件開發(fā)中重用度低和可移植性差的問題，實現(xiàn)了應用軟件和底層基礎軟件實現(xiàn)之間的分離。 AUTOSAR架構可使多個設備無縫運行在同一個共享網(wǎng)絡上，有利于車輛電子系統(tǒng)軟件的交換與更新，并為高效管理越來越復雜的車輛電子、軟件系統(tǒng)提供了一個基礎平臺。 此外，AUTOSAR在確保產(chǎn)品及服務質量的同時，也降低了系統(tǒng)開發(fā)成本，提高了工作效率。（4）AVnu聯(lián)盟 AVnu聯(lián)盟（the Unified of AV Network）由博通公司（Broadcom）聯(lián)合思科（Cisco ）

33、、哈曼（Harman ）、英特爾（Intel）和賽靈思公司（Xilinx Inc.）發(fā)起，并于2009年8月正式成立。 AVnu聯(lián)盟（圖5-27）致力于推廣IEEE 802.1的AVB標準和時間敏感網(wǎng)絡（TSN）標準，并建立相應的測試和認證體系，以解決諸如精準定時、實時同步、帶寬預留以及流量整形等重要的技術問題。圖5-27 AVnu聯(lián)盟的標志 全球有影響的電子產(chǎn)品制造商幾乎都加入了AVnu聯(lián)盟，陣容十分豪華和強大（圖5-28）。 目前，AVnu聯(lián)盟已發(fā)布其車載以太網(wǎng)AVB的認證測試規(guī)范，并已認證了多個型號的產(chǎn)品。 AVnu聯(lián)盟的技術不僅僅應用于汽車領域，也可應用于專業(yè)A/V、工業(yè)以及消費類電子

34、產(chǎn)品等領域。4.車載以太網(wǎng)協(xié)議架構 車載以太網(wǎng)協(xié)議不是一項單一的協(xié)議，而是包括多個不同層次上的協(xié)議家族，但通常被認為是一個四 層（應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層）協(xié)議系統(tǒng)，每一層具有不同的功能。 四層架構與開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型相對應，并且提供了各種協(xié)議框架下形成的協(xié)議族及高層應用程序。車載以太網(wǎng)及其支持的上層協(xié)議的技術架構如圖 5-29所示。圖5-29 車載以太網(wǎng)及其支持的上層協(xié)議的技術架構（1）物理層 參照OSI模型，車載以太網(wǎng)在物理層采用了博通公司的BroadR-Reach技術（圖5-30）。 BroadR-Reach技術提供100Mbit/s的全雙工變壓器功能，或通過一對雙

35、絞線實現(xiàn)電容耦合式傳輸，物理層以上的結構與傳統(tǒng)以太網(wǎng)是一致的，沒有變化。圖5-30 采用BroadR-Reach技術的車載以太網(wǎng)物理層 BroadR-Reach提供傳統(tǒng)的標準以太網(wǎng)的介質訪問控制（Media Access Control，MAC）層接口，因而能夠使用與傳統(tǒng)以太網(wǎng)類型相同的數(shù)據(jù)鏈路層邏輯功能及幀格式，能夠通過與傳統(tǒng)以太網(wǎng)類型相同的方式運行高層協(xié)議和軟件。 BroadR-Reach利用兩組編碼和信令（signaling）方法將MAC層100Mbit/s的數(shù)據(jù)流轉換成66MBaud的三元信號，可使100Mbit/s的數(shù)據(jù)速率能夠在較低的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)，從而使BroadR-Reach以

36、較低的布線成本實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率。 BroadR-Reach在單對非屏蔽雙絞線上傳輸差分信號，與CAN等其他車載網(wǎng)絡類似。同時， BroadR-Reach能夠為網(wǎng)絡提供電流隔離，其接地偏移額定值高達2500V。 BroadR-Reach支持全雙工通信，利用先進的數(shù)字信號處理技術實現(xiàn)一條鏈路上的兩個節(jié)點能夠同時在該鏈路中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，包括使用混合電纜等特殊設備和回音抵消等技術，使各以太網(wǎng)節(jié)點能夠區(qū)分發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。 以上先進技術在車載以太網(wǎng)上的應用，使得BroadR-Reach物理層與傳統(tǒng)車載CAN、LIN、FlexRay網(wǎng)絡相比，區(qū)別巨大且更加復雜，使得車載網(wǎng)絡開發(fā)、測試工程師的相關經(jīng)驗難以在

37、車載以太網(wǎng)開發(fā)測試工作上移植和應用。（2）AVB協(xié)議族 汽車在信息娛樂與駕駛輔助領域的快速發(fā)展，需要更多的音視頻數(shù)據(jù)在汽車系統(tǒng)中進行傳輸，因此基于以太網(wǎng)的音視頻橋接技術得到應用。 基于以太網(wǎng)的音視頻橋接（Audio/Video Bridging，AVB）技術是一個IEEE802標準家族，在傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡的基礎上，AVB通過保障帶寬（Bandwidth）、限制延遲（Latency）和精準時鐘同步（Time synchronization），以支持各種基于音頻、視頻的網(wǎng)絡多媒體應用。圖5-31 AVB協(xié)議族 AVB關注于增強傳統(tǒng)以太網(wǎng)的實時音視頻性能，同時又保持了100%向后兼容傳統(tǒng)以太網(wǎng)，是極具發(fā)

38、展?jié)摿Φ南乱淮囕d網(wǎng)絡音視頻實時傳輸技術。 AVB協(xié)議族包括IEEE802.1AS精準時鐘定時和同步協(xié)議（generalized Precision Time Protocol ，gPTP）、IEEE802.1Qat流預留協(xié)議（Stream Reservation Protocol，SRP）、IEEE802.1Qav時間敏感流的轉發(fā)和排隊（Forwarding and Queuing enhancements for Time-Sensitive Streams，F(xiàn)QTSS）協(xié)議及IEEE802.1BA音視頻傳輸協(xié)議（Audio/Video transport Protocol，AVTP）等。

39、 2012年11月，IEEE音頻視頻橋接（AVB）工作組正式更名為時間敏感網(wǎng)絡工作小組（Time-Sensitive Networking，TSN），但由于AVB這一縮寫詞在車載以太網(wǎng)領域已經(jīng)廣為使用，因此在本書仍然使用AVB這一稱謂。 作為AVB的繼承者，時間敏感網(wǎng)絡TSN也不是單一的標準，而是由一個系列標準組成的標準家族。 在AVB更名為TSN后，IEEE對部分原標準進行了修訂，同時增添了幾個性能改進標準，包括IEEE 802.1ASbt增強功能和性能改進（基于 IEEE802.1AS-2011 修訂定時和同步）、IEEE802.1Qbu新增項目（基于IEEE802.1Qav修訂框架搶占切

40、換）、IEEE802.1Qbv新增項目（基于IEEE802.1Qav修訂增強流量調度）、IEEE802.1Qca支持路徑控制和登記冗余網(wǎng)絡、IEEE802.1Qcc流預留協(xié)議（SRP）的增強功能和性能改進、IEEE802.1CB幀復制和消除的可靠性（支持無縫冗余 IEEE802 網(wǎng)絡）等。 IEEE802.1AS協(xié)議根據(jù)最佳主時鐘算法（Best master clock algorithm，BMCA）選定同步基準節(jié)點，使用高精度時間作為基準節(jié)點的同步時鐘，在網(wǎng)絡物理層上為數(shù)據(jù)包提供“時間戳（Time Stamp）”服務，這個時間戳存在于對時間敏感的數(shù)據(jù)包報頭上面。IEEE802.1AS 的時間

41、同步能力源于IEEE1588協(xié)議，可以提供與FlexRay相同的時鐘質量。 IEEE802.1Qat流預留協(xié)議（SRP）是對音視頻數(shù)據(jù)流發(fā)送端和接收端服務請求的管理協(xié)議，多重數(shù)據(jù)流預留協(xié)議（MSRP）目前只支持兩種類型數(shù)據(jù)流（A類或B類），兩者區(qū)別體現(xiàn)在數(shù)據(jù)幀的大小和數(shù)據(jù)幀的傳輸速率上。IEEE 802.1Qat標準保證這兩類數(shù)據(jù)在7跳（7 hops）內(nèi)的最大的點至點延遲，A 類為2 ms，B類為50 ms。 IEEE802.1Qav是實時數(shù)據(jù)流的轉發(fā)和排隊控制協(xié)議，為數(shù)據(jù)流發(fā)送端和交換節(jié)點提供一個成形的數(shù)據(jù)流服務。IEEE 802.1Qav 定義了8個業(yè)務類，并預期至少有一個必須作為流預留（

42、Stream Reservation，SR)）類。未使用的SR類數(shù)據(jù)流都留給“盡力而為（Best Effort）”，沒有任何帶寬預留或保證。（3） TCP/IP 協(xié)議族 傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Transport Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）族對應OSI模型的傳輸層，該部分是網(wǎng)絡結構的中心部分，是下方硬件相關層和上方軟件處理層的重要連接點。 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）和傳輸控制協(xié)議（TCP）是TCP/IP協(xié)議族中最為重要的協(xié)議。 TCP/IP協(xié)議負責提供一些重要的服務以使高層的軟件應用能夠在互

43、聯(lián)網(wǎng)絡中發(fā)揮作用，充當高層應用需求和網(wǎng)絡層協(xié)議之間的橋梁。TCP/IP協(xié)議主要負責主機到主機之間的端到端通信。（4）應用層協(xié)議 應用層協(xié)議是用戶與網(wǎng)絡的交互界面，負責處理網(wǎng)絡特定的細節(jié)信息。應用層協(xié)議覆蓋了OSI參考模型的第5層至第7層。 應用層可根據(jù)用戶需求為用戶提供多種應用協(xié)議，如音視頻設備發(fā)現(xiàn)、連接管理和控制協(xié)議（IEEE 1722.1）、流媒體服務（Stream Media Service）、動態(tài)主機配置協(xié)議（Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP）、服務發(fā)現(xiàn)（Service Discovery）、通信控制（Scalable service-O

44、riented Middleware over IP，SOME/IP。直譯為基于IP的面向服務的可擴展中間件，意譯為通信控制）、超文本傳輸協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）等。5.2.2 車載以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢與應用1. 車載以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢 車載以太網(wǎng)作為一種新型網(wǎng)絡系統(tǒng)的進入汽車，肯定是無法一蹴而就的，需要一個漸進的過程。 在短期內(nèi)，車載以太網(wǎng)無法取代現(xiàn)有的CAN、LIN、FlexRay、MOST等車載網(wǎng)絡。 業(yè)界普遍認為，在車載以太網(wǎng)進入汽車網(wǎng)絡領域的過程中，會分階段地，先從從子系統(tǒng)開始，然后逐步深入，并最終以整車骨干網(wǎng)絡的形式整合整個汽車網(wǎng)絡系統(tǒng)。

45、 可預期的車載以太網(wǎng)的發(fā)展主要可分為以下三個階段（圖5-32）：圖5-32 車載以太網(wǎng)的發(fā)展主要可分為三個階段 第一階段：基于DoIP（Diagnostic communication over Internet Protocol）標準的車載診斷系統(tǒng)OBD（On-Board Diagnostic）和ECU軟件刷新。以ECU軟件刷新為例，和原有的CAN（1M/S）相比，刷新時間將縮短為原來的百分之一，大大提升故障診斷和程序刷新效率，節(jié)省時間、生產(chǎn)及服務成本。 第二階段：車載以太網(wǎng)在信息娛樂系統(tǒng)和駕駛員輔助系統(tǒng)的使用，伴隨著BroadR-Reach技術的日益成熟和標準化的不斷推進，基于AVB、SO

46、ME/IP等技術將逐步推廣使用，車載以太網(wǎng)將以單節(jié)點或多個節(jié)點的形式進行搭載，如使用高分辨率的IP攝像頭的全景泊車等駕駛輔助系統(tǒng)、多屏互動的高清信息娛樂系統(tǒng)等進入汽車，給駕乘人員帶來全新的駕乘感受。 第三階段：在前兩個階段，車載以太網(wǎng)專注于某個特定的應用領域，在經(jīng)歷的前兩個階段的積累和錘煉后，第三階段將使用以太網(wǎng)作為車載網(wǎng)絡骨干，集成動力總成、底盤、車身、多媒體、輔助駕駛等功能，真正形成一個域控制器（Domain Controller）級別的汽車整車網(wǎng)絡（圖5-33）。圖5-33 采用以太網(wǎng)作為骨干網(wǎng)絡構建域控制器級別的汽車整車網(wǎng)絡 博通公司已經(jīng)推出適用于域控制器級別的汽車整車網(wǎng)絡的以太網(wǎng)交換機產(chǎn)品系列（圖5-34），必將在未來市場上占據(jù)主導地位。圖5-34 博通公司推出的適用于域控制器級別的汽車整車網(wǎng)絡的以太網(wǎng)交換機產(chǎn)品系列2. 車載以太網(wǎng)在故障診斷和快速編程系統(tǒng)中的應用 使用車載以太網(wǎng)物理層的基于IP協(xié)議的車輛診斷通信標準ISO13400 DoIP，用以太網(wǎng)代替CAN總線，實現(xiàn)車載診斷系統(tǒng)（OBD）和