車載通信技術(shù)(二)： 車內(nèi)總線通信技術(shù)

作者 / 阿寶，出品 / 阿寶1990

第一篇文章提到，汽車相關(guān)的通信網(wǎng)絡(luò)，可分為車內(nèi)有線連接網(wǎng)絡(luò)和車外無線連接網(wǎng)絡(luò)。隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，對(duì)車輛內(nèi)、外通信的需求越來越高，也推動(dòng)著車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和車外網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。車載通信技術(shù)(一)：汽車的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)

本篇主要來講解下車內(nèi)總線技術(shù)。

目前各個(gè)國(guó)家和公司存在多種車載網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）按照汽車上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能，把汽車網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即A類、B類、C類、D類和E類。

常用車內(nèi)總線通訊技術(shù)有CAN、LIN、FlexRay、MOST和LVDS等。除LVDS外，其他都是專門為汽車行業(yè)設(shè)計(jì)的通信網(wǎng)絡(luò)。

一、CAN通訊技術(shù)

CAN 是一種世界標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊協(xié)議，為數(shù)據(jù)高速公路確定統(tǒng)一的“交通”規(guī)則。CAN 是由ROBERT BOSCH 公司和Intel公司專門為汽車內(nèi)數(shù)據(jù)交換開發(fā)的總線系統(tǒng)。CAN是一種總線型、串行通信、廣播式網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間通過雙絞線連接。它不僅能簡(jiǎn)化車輛各電子控制單元的設(shè)計(jì)和安裝，還減輕布線的重量和降低了對(duì)空間的要求。

工作原理

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的CPU 將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識(shí)符傳送給本節(jié)點(diǎn)的CAN芯片，并處于準(zhǔn)備狀態(tài)；

當(dāng)它收到總線分配時(shí)，轉(zhuǎn)為發(fā)送報(bào)文狀態(tài)。CAN 芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報(bào)文格式發(fā)出；

網(wǎng)上的其它節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)。每個(gè)處于接收狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行檢測(cè)，判斷這些報(bào)文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。

CAN控制器：接收由控制單元微處理器芯片傳來的數(shù)據(jù)。CAN控制器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將其傳遞給CAN收發(fā)器；同樣CAN控制器也接收收發(fā)器傳來的數(shù)據(jù)，處理后傳遞給控制單元微處理器。

CAN收發(fā)器：具有接收和發(fā)送的功能。它將CAN控制器傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并將其送入數(shù)據(jù)傳輸線；同樣也為CAN控制器接收和轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸線：它是雙向的，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。這兩條線傳輸相同的數(shù)據(jù)，分別被稱為CAN高線和CAN低線。

CAN通訊具有抗干擾能力強(qiáng)的作用，而且信號(hào)是從雙線信號(hào)中獲取。

CAN仲裁機(jī)制

因內(nèi)部時(shí)鐘的關(guān)系多個(gè)控制單元在信息流動(dòng)時(shí)都要取用總線上的數(shù)據(jù)，因此只能等到信息結(jié)束（至少連續(xù)出現(xiàn)11個(gè)隱性電平）。信息結(jié)束時(shí)多個(gè)控制單元又要同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。

解決方案：標(biāo)識(shí)符表示不同的優(yōu)先級(jí)。最高優(yōu)先級(jí)的電平為0，它可以覆蓋所有其它的電平。如果一個(gè)要發(fā)送數(shù)據(jù)的控制單元，其隱性電平被覆蓋了，那么它將停止發(fā)送而只能接收流動(dòng)的數(shù)據(jù)。

CAN一般燃油車的CAN網(wǎng)絡(luò)分類

CAN網(wǎng)關(guān)是整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的核心, 控制著整車5條CAN總線的各類信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)與處理

二、LIN通訊技術(shù)

LIN，為局部連接網(wǎng)絡(luò)（Local Interconnect Nework），最初由奧迪、寶馬、大眾、摩托羅拉等汽車及其供應(yīng)商組成的LIN聯(lián)盟提出。

LIN是一種低成本、串行通信網(wǎng)絡(luò)，通信接口為UART。LIN分主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)，通過單線連接。LIN主要應(yīng)用通信帶寬要求比較低車身控制方面，如車窗、座椅等，作為CAN通信補(bǔ)充。

基本工作原理

LIN總線上的所有通訊都由主機(jī)節(jié)點(diǎn)中的主機(jī)任務(wù)發(fā)起。主機(jī)任務(wù)根據(jù)進(jìn)度表來確定當(dāng)前的通訊內(nèi)容，發(fā)送相應(yīng)的幀頭，并為報(bào)文幀分配幀通道。

總線上的從機(jī)節(jié)點(diǎn)接收幀頭之后，通過解讀標(biāo)識(shí)符來確定自己是否應(yīng)該對(duì)當(dāng)前通訊做出響應(yīng)、做出何種響應(yīng)。一個(gè)報(bào)文幀可以同時(shí)被多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收利用。

三、FlexRay通訊技術(shù)

FlexRay總線數(shù)據(jù)收發(fā)采取時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)的方式。利用時(shí)間觸發(fā)通信時(shí)， 網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都預(yù)先知道彼此將要進(jìn)行通信的時(shí)間， 接收器提前知道報(bào)文到達(dá)的時(shí)間， 報(bào)文在總線上的時(shí)間可以預(yù)測(cè)出來。即便行車環(huán)境惡劣多變，干擾了系統(tǒng)傳輸， FlexRay協(xié)議也可以確保將信息延遲和抖動(dòng)降至最低，盡可能保持傳輸?shù)耐脚c可預(yù)測(cè)。這對(duì)需要持續(xù)及高速性能的應(yīng)用( 如線控剎車、線控轉(zhuǎn)向等)來說，是非常重要的。

它采用了周期通信的方式， 一個(gè)通信周期可以劃分為靜態(tài)部分、動(dòng)態(tài)部分、特征窗和網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間4個(gè)部分。靜態(tài)部分和動(dòng)態(tài)部分用來傳輸總線數(shù)據(jù)，即FlexRay報(bào)文。特征窗用來發(fā)送喚醒特征符和媒介訪問檢測(cè)特征符。網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)間用來實(shí)現(xiàn)分布式的時(shí)鐘同步和節(jié)點(diǎn)參數(shù)的初始化。

四、MOST通訊技術(shù)

MOST (Media Oriented System Transport) 面向媒體的系統(tǒng)傳輸總線，MOST 是汽車業(yè)合作的成果，而不具備正式的標(biāo)準(zhǔn)。它是一種專門針對(duì)車內(nèi)使用而開發(fā)的、服務(wù)于多媒體應(yīng)用的數(shù)據(jù)總線技術(shù)。MOST 表示“多媒體傳輸系統(tǒng)”。

MOST總線工作原理：MOST 總線利用光脈沖傳輸數(shù)據(jù)，采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，在環(huán)形總線內(nèi)只能朝著一個(gè)方向傳輸數(shù)據(jù)。MOST 總線的傳輸技術(shù)近似于公眾交換式電話網(wǎng)絡(luò)（ Public Switched Telephone Network；PSTN），有著數(shù)據(jù)信道（Data Channel）與控制信道（Control Channel）的設(shè)計(jì)定義，控制信道即用來設(shè)定如何使用與收發(fā)數(shù)據(jù)信道。一旦設(shè)定完成， 資料就會(huì)持續(xù)地從發(fā)送處流向接收處， 過程中不用再有進(jìn)一步的封包處理程序， 將運(yùn)作機(jī)制如此設(shè)計(jì)， 最適合用于實(shí)時(shí)性音訊、視訊串流傳輸。

MOST在制訂上完全合乎ISO/OSI的7層數(shù)據(jù)通訊協(xié)議參考模型，而在網(wǎng)線連接上MOST采用環(huán)狀 拓樸， 不過在更具嚴(yán)苛要求的傳控應(yīng)用上， MOST也允許改采星狀（ 亦稱放射狀） 或雙環(huán)狀的連接組態(tài)，此外每套MOST傳控網(wǎng)絡(luò)允許最多達(dá)64個(gè)的裝置（節(jié)點(diǎn)）連接。

五、LVDS通訊技術(shù)

LVDS，為低電壓差分信號(hào)（Low Voltage Differential Signaling），是一種低壓差分高速信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。

LVDS 信號(hào)傳輸一般由三部分組成：差分信號(hào)發(fā)送器，差分信號(hào)互聯(lián)器，差分信號(hào)接收器。差分信號(hào)發(fā)送器：將非平衡傳輸?shù)腡TL 信號(hào)轉(zhuǎn)換成平衡傳輸?shù)腖VDS 信號(hào)。差分信號(hào)接收器：將平衡傳輸?shù)腖VDS 信號(hào)轉(zhuǎn)換成非平衡傳輸?shù)腡TL 信號(hào)。

按目前汽車電子發(fā)展趨勢(shì)來看，汽車電子產(chǎn)品的架構(gòu)形態(tài)逐漸由分布式向集中式域控制器方向發(fā)展。那么主機(jī)與顯示分域處理也將越來越多，分域處理的實(shí)質(zhì)就是控制、功能、數(shù)據(jù)處理/保存等由主機(jī)完成，視頻及圖像顯示由顯示屏來完成，由于車內(nèi)的結(jié)構(gòu)特殊性，其分布的形態(tài)也不盡相同，這樣導(dǎo)致主機(jī)與屏可能相差10cm，也有可能相差100cm，甚至可能相距更遠(yuǎn)。

目前行業(yè)中解決主機(jī)與顯示屏之間的音視頻、控制數(shù)據(jù)的傳輸方案，多是采用TI的FPD-link、美信的GMSL、THINE的V-by-One?等相關(guān)技術(shù)。國(guó)內(nèi)暫時(shí)還沒有看到集成串行及解串技術(shù)的芯片。

FPD-Link 串行器和解串器技術(shù)簡(jiǎn)介：FPD-Link是TI研發(fā)的高速串行與解串接口，目前已經(jīng)發(fā)展到了第三代。FPD-Link視頻數(shù)據(jù)速率達(dá)到350Mbit/s。FPD-LinkII傳輸速率可達(dá)1.8Gbit/s。FPD-Link III 在一個(gè)差分對(duì)上可以進(jìn)行雙向通行，除了傳輸視頻數(shù)據(jù)外可以傳輸一些控制信號(hào)，傳輸速率大于3 Gbit/s?？捎糜趥鬏?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/I2C/">I2C、IIS、I/F、UART、SPI、SMC 、PWM、ADC。主要研究廠家：TI。主要客戶：德系/日系/美系/國(guó)產(chǎn)等。

GMSL串行器和解串器。技術(shù)簡(jiǎn)介：GMSL由MAXIM開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字視頻和音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行串行轉(zhuǎn)換，然后通過一對(duì)雙絞線串行傳輸，后端由解串芯片進(jìn)行解碼還原，最大傳輸速率可達(dá)6Gbps?？捎糜趥鬏擨2C、IIS、I/F、UART、SPI、SMC 、PWM、ADC。主要研究廠家：MAXIM。主要客戶：日系、國(guó)產(chǎn)等。

V-by-One?串行器和解串器。技術(shù)簡(jiǎn)介：V-by-One? HS是由thine獨(dú)立開發(fā)的技術(shù)，利用1對(duì)線纜來傳輸高畫質(zhì)影像的新技術(shù)，由1到8組訊號(hào)配對(duì)組合，每組訊號(hào)的最大傳輸速度為3.75 Gbps，總體訊號(hào)線輸出從4pin到18pin左右。可用于傳輸I2C、IIS、I/F、UART、SPI、SMC 、PWM、ADC。主要研究廠家：THINE、索喜（富士通）等。主要客戶：日系、國(guó)產(chǎn)等。

APIX串行器和解串器技術(shù)技術(shù)簡(jiǎn)介：全稱Automotive Pixel link，Inova半導(dǎo)體公司的一項(xiàng)用于傳輸圖像和視頻數(shù)據(jù)的技術(shù)，APIX總線包含兩條屏蔽的成對(duì)雙絞線，可用于雙向數(shù)據(jù)傳輸，主要用于汽車娛樂信息系統(tǒng)的通訊。第一代技術(shù)傳輸速率可達(dá)1Gbps,第二代技術(shù)傳輸速率可達(dá)1Gbps，第三代技術(shù)可達(dá)12Gbps。主要用于傳輸I2C、IIS、I/F、UART、SPI、SMC 、PWM、ADC等。主要研究廠家：索喜（富士通）、東芝等。主要客戶：寶馬、路虎等。

LVDS FPDLIN&GSML

What does GMSL stand for? Gigabit Multimedia Serial Link (千兆多媒體串行鏈接)

What does it do?

Transports high-speed data such as video over a twisted pair or coax cable

Supports a variety of video interfaces (RGB, OpenLDI (LVDS), MIPI CSI-2 & DSI, HDMI)

Aggregates video, audio and clock as well as bi-directional data onto one stream

LVDS Splitter and Cropping

IVI 目前基本都有支持多個(gè)顯示屏，而部分處理器受限于視頻接口數(shù)量，故而產(chǎn)生 Splitter 應(yīng)用；

Supper Frame and MST technology 支持2個(gè)視頻合并傳輸；

TI 941AS（or 98x）兼容 FPD-Link Ⅲ 的 Deserializer （92x or 94x）；

可以看到TI 的FPD-LINK IV支持的格式非常多種，而且對(duì)于高清2K,4K的車載顯示屏，直接支持的EDP接口，這樣可以直接點(diǎn)屏，而且還支持菊花鏈的串聯(lián)形式，這樣在布局走線的時(shí)候，可以有部分線材從從機(jī)端布局，這樣整體線材布局非常方便（比如娛樂駕駛的副屏，完全可以從中控主機(jī)這邊出線），這樣線材會(huì)變短，輻射沒有那么大，容易過EMC實(shí)驗(yàn)，也節(jié)省成本，整體的布局也方便。

可以看到美信的GMSL 三代產(chǎn)品，有比較大的帶寬回傳技術(shù)，同時(shí)支持ASIL B的功能安全，在ADAS領(lǐng)域是非常具有優(yōu)勢(shì)

六、車載以太網(wǎng)技術(shù)

各傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)從帶寬和成本關(guān)系可看出，它們?cè)趲捄统杀旧纤紦?jù)的范圍幾乎沒有重疊區(qū)域，并且成本和帶寬呈現(xiàn)遞增關(guān)系。這反映出網(wǎng)絡(luò)在汽車領(lǐng)域已被不同的車用總線所“瓜分”，而且這些總線在各自領(lǐng)域呈現(xiàn)出獨(dú)霸一方的局面。然而，隨著車載以太網(wǎng)的技術(shù)成熟和引入，面對(duì)著車載以太網(wǎng)海量的帶寬能力，對(duì)于跟車載以太網(wǎng)成本相當(dāng)甚至更高FlexRay和MOST總線，以及其應(yīng)用復(fù)雜等缺陷，可能有被淘汰的命運(yùn)。

傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)能滿足汽車部分子系統(tǒng)的要求，總體來說，優(yōu)勢(shì)在于實(shí)時(shí)性。但普遍存在的問題是帶寬低，成本高。傳統(tǒng)以太網(wǎng)與車載以太網(wǎng)最大不同是傳統(tǒng)以太網(wǎng)需要2-4對(duì)線，車載以太網(wǎng)只需一對(duì)，且是非屏蔽的，僅此一項(xiàng)，可以減少70-80%的連接器成本，可以減少30%的重量。這是車載以太網(wǎng)誕生的最主要原因。同時(shí)也是為了滿足車內(nèi)的EMC電磁干擾。

在車載網(wǎng)絡(luò)方面，玩家是很多的，也推出了各自的標(biāo)準(zhǔn)，如下：其中OPEN Alliance和電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）制定的標(biāo)準(zhǔn)是車載以太網(wǎng)領(lǐng)域比重最大和應(yīng)用最廣泛的，例如我們熟知的100BASE-T1和1000BASE-T1。

自1980年以來，IEEE一直負(fù)責(zé)以太網(wǎng)的維護(hù)、開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化。盡管各個(gè)公司都可提供專有的以太網(wǎng)解決方案，但大多數(shù)時(shí)候公司都會(huì)交給IEEE進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以確保更廣泛的應(yīng)用。802工作組則專門負(fù)責(zé)以太網(wǎng)，因此，所有與以太網(wǎng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)都以802開頭（例如，IEEE 802.1，IEEE 802.2，IEEE 802.3等）。

OPEN Alliance SIG是由汽車制造商和供應(yīng)商組成的聯(lián)盟，目的是促進(jìn)以太網(wǎng)在汽車工業(yè)中的進(jìn)一步發(fā)展。OPEN Alliance SIG與IEEE合作，將汽車以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換為通用標(biāo)準(zhǔn)。就目前的車載以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)方面，主流標(biāo)準(zhǔn)的是如下幾個(gè)，目前主要是第二個(gè)100BASE-T1：用單對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)100Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，走的靠前的OEM則使用更快的千兆以太網(wǎng)。

四個(gè)車載以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)，10Base-T1S是試圖取代傳統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)的。第一個(gè)1000Base-T1標(biāo)準(zhǔn)的物理層芯片是Marvell的88Q2112，雖然其推出時(shí)間是2015年10月，但在2019年才量產(chǎn)，典型應(yīng)用如英偉達(dá)的旗艦盒子Pegasus。

2020年11月，博通宣布推出BCM8989X 和BCM8957X，BCM8989X是業(yè)內(nèi)第一個(gè)對(duì)應(yīng)NGBase-T1（即IEEE 802.3ch）標(biāo)準(zhǔn)的MACsec 物理層芯片，到目前為止，博通是唯一能提供NGBase-T1芯片的廠家。BCM8957X則是業(yè)內(nèi)第一個(gè)支持10Mbps 到10Gbps速率的L2/L3級(jí)車載以太網(wǎng)交換機(jī)芯片。

車載以太網(wǎng)是基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)模型，因此我們先不考慮應(yīng)用層數(shù)據(jù)是根據(jù)哪種應(yīng)用層協(xié)議組織的，從應(yīng)用層來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過傳輸層會(huì)加上TCP/UDP報(bào)頭，再到網(wǎng)絡(luò)層的IP報(bào)頭，然后到鏈路層增加MAC地址等信息，最后由PHY轉(zhuǎn)換成線路上的二進(jìn)制流實(shí)現(xiàn)在發(fā)送端和接收端的數(shù)據(jù)傳輸。

車載以太網(wǎng)短期內(nèi)無法全部取代現(xiàn)有CAN網(wǎng)絡(luò)，其在汽車行業(yè)上的應(yīng)用需要一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，大致可分為 3 個(gè)階段：局部網(wǎng)絡(luò)階段、子網(wǎng)絡(luò)階段多子網(wǎng)絡(luò)階段。

局部網(wǎng)絡(luò)階段：可單獨(dú)在某個(gè)子系統(tǒng)上應(yīng)用車載以太網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)功能，如基于 DoIP 協(xié)議的 OBD 診斷、使用IP 協(xié)議的攝像頭等；

子網(wǎng)絡(luò)階段：可將某幾個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行整合，構(gòu)建車載以太網(wǎng)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的功能，如基于 AVB 協(xié)議的多媒體娛樂及顯示系統(tǒng)、ADAS 系統(tǒng)等；

多子網(wǎng)絡(luò)階段：將多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整合，車載以太網(wǎng)作為車載骨干網(wǎng)，集成動(dòng)力、底盤、車身、娛樂等整車各個(gè)域的功能，形成整車級(jí)車載以太網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車載以太網(wǎng)在車載局域網(wǎng)絡(luò)上的全面應(yīng)用。