網絡節(jié)點激增，車載以太網市場迎來發(fā)展契機
車載網絡誕生將近20年，CAN網絡作為最初的黃金標準，后來隨著汽車電子復雜度的增加以及為滿足汽車不同職能的需求，LIN、FlexRay、MOST以及以太網等技術逐漸被引入，為汽車在安全和舒適方面帶來了巨大的飛躍和超凡體驗。多年前很多高端車遙不可及的選配安全或舒適功能，現(xiàn)在已經成為了家用車的標配。目前，全球每輛車平均CAN，LIN，F(xiàn)lexRay總線節(jié)點從2006年少于10個，到現(xiàn)在已超過20個，預計到2016年，全球汽車車載網絡節(jié)點的總數可能將達30億個。
網絡節(jié)點攀升，對車載總線網絡提出三大需求
隨著網絡節(jié)點的增加，車載網絡必須實現(xiàn)更高的性能、更高的帶寬、更高的效率以及更強的可擴展性。這些新趨勢也將帶動汽車產業(yè)向更加環(huán)保和智能的方向發(fā)展，恩智浦半導體（NXP）認為在未來的10年中，決定汽車產業(yè)格局的趨勢是節(jié)能減排和移動互聯(lián)。這些領域對車載網絡的帶寬，安全性，能效，耐壓，可靠性，抗干擾性，可預測性，可擴展性，自適應性，平臺設計都提出了新的需求。
恩智浦半導體汽車電子事業(yè)部業(yè)務發(fā)展總監(jiān)李曉鶴
汽車電子的高速發(fā)展對車載網絡提出了更多需求，恩智浦半導體汽車電子事業(yè)部業(yè)務發(fā)展總監(jiān)李曉鶴認為這些要求主要體現(xiàn)在三方面：性能路線、標準化路線和優(yōu)化路線。
性能路線：更高的帶寬(CAN FD, FlexRay，以太網)、更強的EMC/ESD性能(可參閱德國5車廠的聯(lián)合標準)、更低的功耗、更好地在大規(guī)模不規(guī)則網絡中可靠通訊、在新能源車中的高壓隔離通訊、在節(jié)能傳統(tǒng)車中的主動能量管理以及在車聯(lián)網中的網絡安全加密和驗證等等。
標準化路線：網絡通訊發(fā)展的前提是標準化。標準化不僅是針對網絡標準本身，同時也包括統(tǒng)一的研發(fā)、驗證標準以保證網絡在汽車平臺化設計中的可靠，可擴展，可預測和低成本。比如前面提到的德國５車廠(包括法國車廠也在參考)的網絡收發(fā)器聯(lián)合驗證規(guī)范, 又比如NXP與德國、法國、中國車廠合作進行的網絡拓撲規(guī)劃和仿真等。從1994年推出業(yè)界第一款高速CAN，恩智浦一直密切參與新總線標準的制訂和推廣，恩智浦同樣也是FlexRay, LIN及車載以太網標準組織的主要成員。
優(yōu)化路線：現(xiàn)有的功能模塊有很多通過網絡進行性能優(yōu)化的需求，例如局域網絡總線(Partial Networking)為電池車和新能源汽車提供更高級的能量控制，使網絡成為整車能量管理的一部分，系統(tǒng)基礎芯片(System Basis Chip)將網絡，供電控制，高壓輸入輸出和安全診斷集成一體，基于HVSON微型無管腳封裝的CAN，LIN總線產品使微型傳感器，微型攝像頭成為可能。
另外，車載網絡連接的是汽車中樞系統(tǒng)與各個子系統(tǒng)之間的通信和信息交換，車載網絡的安全高效離不開強大的系統(tǒng)軟硬件支撐，而且相對而言，子系統(tǒng)越少，為車載網絡帶來的壓力越小，出錯率就越低。從車載軟硬件系統(tǒng)上優(yōu)化也可大幅提升車載網絡的效率。
美國移動軟件管理(MSM)供應商Redbend公司認為將來車載硬件和軟件架構的一個顯著發(fā)展趨勢是ECU的統(tǒng)一，即將多個ECU與處理器集成到一個處理器中。該公司市場總監(jiān)Yoram Berholtz解釋到：“從硬件上將ECU單元統(tǒng)一，在軟件上采用虛擬化技術能實現(xiàn)在同一硬件平臺上運行多個操作系統(tǒng)(如RTOS, AUTOSAR, QNX等)，因為虛擬化技術能使多個操作系統(tǒng)之間相互隔離，從而使?jié)撛诘耐{隔離于高端OS之外，從而達到提升車載網絡和系統(tǒng)安全性和可靠性的目的?！?BR>
Redbend的虛擬化技術可以對在同一硬件上平行運行不同軟件棧的多臺虛擬機（VMs）進行管理。每個域(例如虛擬機、高級操作系統(tǒng)和應用程序）均可在安全和容錯模式下（一個操作系統(tǒng)內發(fā)生的故障不會影響其他系統(tǒng))運行完全不同的軟件棧，無論是對最小的實時操作系統(tǒng)RTOS還是功能豐富的高級操作系統(tǒng)HLOS。這種將系統(tǒng)彼此隔離的方式為滿足車載信息娛樂系統(tǒng)的不同需求、處理互聯(lián)汽車復雜的軟件環(huán)境提供了新的解決方案。
市場需求驅動車載網絡技術演進
目前CAN和LIN技術已經成熟用于汽車網絡，F(xiàn)lexRay和車載以太網技術也開始嶄露頭角，未來這些技術根據各自職能和特性將如何分工？
CAN作為車用主干網已經是成熟技術，大部分車型都已經配備兩路以上CAN網絡。根據不同車型，可能使用高速或容錯CAN。大部分動力系，傳動系，安全系，車身電子和娛樂系統(tǒng)的控制部分都是在CAN網絡中。
今年CAN又增添了新的改進協(xié)議，在第十三屆國際CAN大會上，博世發(fā)布了CAN-FD(靈活數據傳輸率)協(xié)議，它在后臺與已被列入ISO 11898-1標準的CAN數據連接層協(xié)議兼容。會上博世和Vector演示了使用遵循ISO 11898-2規(guī)范的收發(fā)器芯片，速率達15 Mbit/s的CAN-FD網絡模型。在數據框架內，將傳送速率進一步提高。
對于這項新協(xié)議，NXP李曉鶴表示：“最近我們正和博世、CAN標準化組織CiA在積極推進CAN FD在汽車和工業(yè)界領域的應用，這種技術可以極大的擴展CAN網絡的帶寬界限或物理界限，以緩解目前車載網絡緊迫的帶寬需求。”
CAN總線不僅在現(xiàn)有車載網絡應用成熟，很多公司認為其未來有更大的發(fā)展空間，暫時的瓶頸會隨著CAN協(xié)議的更新?lián)Q代而解決，CAN總線方案提供商香港威柏電子（Westpac）技術顧問鐘保榮認為：“如果設計人員足夠了解CAN系統(tǒng)的能力和極限，CAN是能滿足未來的汽車產業(yè)需求，如多層拓撲設計比單層CAN系統(tǒng)有更強的數據吞吐能力。這樣，不僅能提升性能，還可減少開發(fā)時間以及生產和維護成本。”
他表示，未來對于汽車電子內數據交換的需求是巨大的，設計單一聯(lián)網系統(tǒng)適應所有數據交換的做法是不太現(xiàn)實的。設計人員需要將數據分類，以便實現(xiàn)最優(yōu)系統(tǒng)設計。這種分類方法就是以CAN作為汽車核心控制網絡，而非關鍵數據如信息娛樂系統(tǒng)可以采用單獨的網絡，如以太網、Wifi、 Bluetooth、 Zigbee等。[!--empirenews.page--]
LIN總線因其低速率和低成本效益，一直作為一種輔助的總線網絡，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場合，比如智能傳感器和制動裝置之間的通訊使用LIN 總線可大大節(jié)省成本。
NXP李曉鶴表示：“LIN總線在車門、空調、座椅、車燈模塊中以低成本占有不可替代的位置。而空調調節(jié)電機，車體環(huán)境燈等應用也使自編址LIN總線更為普及。這種技術在我們UJA1018 LED環(huán)境燈控制產品中已經實現(xiàn)。LIN 源于歐洲，在美國衍生為SAE2602, 目前在歐美車型中已經相當普及，其中不乏高端車型車體域控制器上出現(xiàn)6路CAN，17路LIN的情況。”
FlexRay是戴姆勒克萊斯勒公司的注冊商標，F(xiàn)lexRay聯(lián)盟負責其標準化推廣，欲使之成為新一代汽車內部網絡通訊協(xié)議。在傳輸速率方面，CAN網絡最高性能極限為1Mbps，LIN和K-LINE分枝網絡最高性能極限為20Kbit/s，而FlexRay兩個信道上的數據速率最大可達到10Mbps，總數據速率可達到20Mbit/秒。
FlexRay的優(yōu)勢在于速率快，并有很強的容錯機制，適合用于線控駕駛，線控剎車，為自適應懸掛等模塊提供更好的實時控制，故障隔離和可預測性，使駕駛更為安全。BMW最新X5上面的主動懸掛系統(tǒng)就使用了FlexRay來控制。現(xiàn)在FlexRay的應用已經從高端車發(fā)展到中端車型，從德國車廠發(fā)展到美國，法國，日本，韓國。
對于FlexRay未來趨勢，香港創(chuàng)興電子(Jetronic)認為，F(xiàn)lexRay有機會在未來幾年得到更快的發(fā)展，因為它可以提供更快的通訊速率、更靈活的拓撲結構和更好的容錯機制，相對高的成本是目前的主要障礙。
以太網技術對于汽車電子產品而言，不是一項陌生的技術，上面提及的這些網絡各自獨立，并沒有連接起來。汽車廠商希望能夠統(tǒng)一車內網絡，而以太網則有希望將多種車內網絡整合為一體，實現(xiàn)徹底的互聯(lián)互通。
車載網絡標準比較
汽車業(yè)選擇以太網正是考慮到技術和產業(yè)鏈的相對成熟度。 但是車載以太網與消費類和工業(yè)以太網不同，后者因為電磁輻射，抗干擾，溫度范圍，耐壓，可靠性和低功耗控制等瓶頸，不能直接使用到汽車應用中。NXP李曉鶴認為，即便某些消費類和工業(yè)芯片廠商可以將一兩款產品作車規(guī)認證，其組織結構和生產流程對汽車業(yè)要求的穩(wěn)定供貨，生產風險管理，質量控制和分析體系，生命周期的支持面臨著諸多挑戰(zhàn)。
車載以太網目前還處于推廣前期，應用僅限于信息娛樂和車載診斷(OBD)應用，還沒有面向乘客的應用。去年由博通(Broadcom)公司、恩智浦半導體、飛思卡爾半導體和哈曼國際公司聯(lián)合幾個車廠成立一個特別興趣小組(SIG)——OPEN聯(lián)盟(One-Pair Ether-Net)，以促進基于以太網的汽車互連的廣泛采用。
博通基礎設施和網絡產品市場高級總監(jiān)Ali Abaye
針對車載以太網市場，很多公司已經有成熟方案，博通基礎設施和網絡產品市場高級總監(jiān)Ali Abaye表示：“目前，博通公司提供的BroadR-Reach以太網技術可以達到100 Mbps的速度，預計在未來五到八年可以實現(xiàn)更高的數據傳輸率。同時一個新成立的IEEE 802.3研究組減少了雙絞線千兆以太網方面的研究，同時在新的標準組織中指明了更高數據傳輸速率車載以太網的路線圖。目前，OPEN聯(lián)盟正在推動1Gbps的BroadR-Reach解決方案，它將能滿足下一代IVNS的帶寬需求?！?BR>
NXP認為車載以太網源于診斷的應用需求，但未來會看到更多的擴展到攝像機主動安全，多媒體，車聯(lián)網甚至車輛域計算的應用。
關于多種總線網絡同時存在于車載網絡的局面，各受訪公司意見基本一致：各種總線技術因職能和定位不同，在長期以來和很久以后都將是共存共榮。
360度全景泊車等應用為車載以太網帶來新契機
隨著人們對車載帶寬的需求日益增長，將遠遠超出了信息娛樂和導航等應用，這將重新定義車輛運動和安全應用范疇。
博通Ali Abaye認為基于以太網的360度泊車系統(tǒng)是具有突破性的一步，他介紹：“基于以太網的360度泊車系統(tǒng)，它結合了多個數字傳感器和攝像頭，具有靈敏的低光照感光度及高清晰度圖像和視頻捕捉能力，它的突破性在于將車輛運動管理從一個封閉的應用轉變成一個開放和可擴展的駕駛輔助網絡，多個系統(tǒng)可以訪問和共享其中的重要信息?！?BR>
他還表示，通過將成本敏感的以太網技術與具備高像素的經濟型CMOS圖像傳感器結合起來，汽車OEM廠商就可以將先進的泊車輔助系統(tǒng)從豪華車擴展到非豪華車。標準化的IP技術有能力推動整個車輛的音頻和視頻數據顯示、信息娛樂、座椅控制管理等更多應用。
如果將以太網與新技術融合，還可催生更新創(chuàng)新車載應用，例如香港創(chuàng)興（Jetronic）認為將車載以太網與云技術融合就是一種。車載娛樂系統(tǒng)可以利用以太網來播放云端的各種資源、成為云計算的一部分；車載導航系統(tǒng)可以實時更新路況，并提供最優(yōu)化的路徑選擇。
在車載以太網應用方面，NXP也在積極布局和推廣，并著手解決目前車載以太網面臨的一些問題，如車載以太網的標準化和工業(yè)化。
李曉鶴介紹NXP在兩方面的解決方案：“標準化方面，包括標準，測試，開發(fā)工具，外圍部件，例如線束，連接器，以及和其它國際標準和未來千兆以上以太網的對接等等，以盡快搭建以太網在汽車業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)。工業(yè)化方面，將以太網技術移植到NXP專為汽車質量、耐壓、可靠性、EMC、溫度范圍定制的技術平臺，用每天供貨100萬收發(fā)器的成熟汽車級芯片制造體系為整車廠提供可靠的支持?！?/P>
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