引言

　　目前，世界上有多達十多種車輛網絡標準，其中最主要的有：控制器局域網CAN-BUS（Controller Area Network），局部互聯協議LIN（Local Interconnect Protocol）；車輛多媒體網絡IDB1394 等，值得注意的是具有高速容錯功能的網絡協議FlexRay，它的發展非常迅速。FlexRay 標準聯盟的出現，以及面向對象聯接的CANopen 標準的廣泛應用預示著汽車電子技術向智能化邁出了重要一步。

　　國際上在汽車工業巨頭和電子信息技術公司的合力推動之下國際標準化組織于1992 年基于CAN-BUS 發布了ISO11898 標準，為日后汽車計算平臺聯盟和相關標準的出現奠定了工業化基礎。CAN-Bus 經過20 年的發展，目前在汽車動力總成中已占據85%的市場份額。2008年全球主要汽車生產廠商生產歐III / 歐Ⅳ排放標準以上的汽車后，采用CAN-BUS 的汽車即將超過95%，基于CAN 和ISO11898 標準，美國SAE（汽車工程學會）在10 年前組織制定的SAE J1939 被認為是全球范圍內最開放和最具響應力的汽車網絡標準之一，在歐III以上的商用車型中100%采用J1939 構造汽車計算平臺,主要用于發動機、變速箱、燃料箱和儀表等傳動系統的互聯。

　　在國際CAN 行業組織的CiA 的推動下2002 年國際標準化組織ISO 又發布了簡稱為ISO BUS 的國際標準ISO11783，ISO BUS、J1939 和CANopen 均是基于CAN-BUS 的網絡標準，這些標準的相互連接構成了面向未來的復雜汽車系統的網絡計算平臺，特別是CANopen 對未來主導市場的環保汽車（混合動力汽車、電動汽車和燃料電池汽車）多功能汽車、工程機械及客車車身控制網絡起著決定性的作用。2000 年起FlexRay 聯盟的成立，推動著汽車網絡計算平臺向車輛安全控制系統方面標準化的發展。

　　LIN 作為CAN 網絡的補充，是一種低成本的通訊標準，1998 年由國際上著名的汽車廠商和電子廠商在德國組成了LIN BUS 聯盟組織，LIN BUS 主要用于車內燈光、后視鏡和座椅調節等非安全性部件的互聯。IDB1394 和MOST 總線則是目前為汽車多媒體網絡和消費類電子產品的互聯建立的平臺型標準。

　　上述汽車網絡平臺標準的制定均沒有中國企業的參與，這是我們汽車工業落后的主要原因。但特別應引起我們注意的是UWB 無線超寬帶技術的成熟應用將很有可能成為新一代汽車網絡多媒體總線的國際性標準。由中國提出的“閃聯”標準于2006 年7 月1 日已正式被國際標準化組織ISO 接納。這為中國企業為主參與新的汽車網絡計算平臺國際標準的制定奠定了基礎。

　　一、汽車安全與FlexRay 計算平臺

　　從車輛工程角度上看，CAN 的速率、可靠性和成本指標在汽車的動力系統總成中應用是最為適宜的。但對于安全等級需求更高的系統,如轉向控制和制動系統及安全氣囊的網絡互聯問題則應制定一個新的標準，這就是FlexRay。CAN 的成功應用及FlexRay 的標準開發推動了新的X-by-wire 車輛系統設計思想的完善，也導致了車輛系統對信息傳送速度尤其是對故障容錯與時間確定性的需求的不斷增加。FlexRay 通過在確定的時間槽中傳遞信息，以及在兩個通道上的故障容錯和冗余信息的傳送，滿足了這些新增加的要求。

　　FlexRay 作為下一代汽車網絡協議，提供了充足的帶寬、可靠性和實時響應能力，以實現線控應用，如安全氣囊、制動、轉向和車輛穩定性控制系統。該標準已開始被越來越多的汽車制造商采用。

　　FlexRay 是一種用于汽車的高速可確定性的，具備故障容錯的總線系統，它的基礎源于戴姆勒·克萊斯勒公司（奔馳公司）的典型應用以及BMW 公司（寶馬公司）byteflight 通信系統開發的成功經驗。Byteflight 是BMW 公司專門為被動安全系統（氣囊）而開發的，為了同時能夠滿足主動安全系統的需要，在Byteflight 協議基礎之上，被FlexRay 協會進一步開發成了一個與確定性和故障容錯有密切關系的，更可靠的高速汽車網絡系統。今天，BMW，Daimler· Chrysler，General Motors，Ford，Volkswagen 和一些半導體公司如Bosch，Freescale，Philips 等組成了FlexRay 聯盟。2006 年應用FlexRay 技術的汽車將進入市場。

　　1、FlexRay 的傳輸介質和訪問

　　FlexRay 符合TDMA（Time Division Multiple Access）的原則，部件和信息都被分配了確定的時間槽，在此期間它們可以唯 一的訪問總線。時間槽有固定的重復周期。信息在總線上的時間是完全可以預測出來的，因而對總線的訪問是確定性的。

　　不過，通過為部件和信息分配時間槽的方法來固定的分配總線帶寬，其不利因素是導致總線的帶寬沒有被完全的利用。出于這個考慮，FlexRay 把周期分成了靜態段（Static Seg.）和動態段（Dynamic Seg.），確定的時間槽適用于位于信息開始的靜態段。在動態段，時間槽是動態分配的。每種情況下都只有一小段時間是允許唯一的總線訪問的（這段時間稱為 “mini-slots”），如果在mini-slot 中出現了總線訪問，時間槽就會按照需要的時間來擴展。因此總線帶寬是動態可變的。

圖1 FlexRay 的通信周期、幀的靜態、動態部分的結構示意

　　2、FlexRay 的數據速率和網絡拓撲

　　FlexRay 在物理上通過兩條分開的總線通信，每一條的數據速率是10MBit/s。這兩條線主要是用于冗余和故障容錯的信息傳輸，但也可以傳遞不同的信息，后者的數據吞吐量是翻倍的。

　　FlexRay 也可以在2.5MBits/s 和5MBits / s 低數據率下工作，并且為 數據傳輸定義了主動星型、被動星型或是兩者混合的總線拓撲結構，因此FlexRay 網絡節點的連接是非常靈活的。

圖2 FlexRay 的主動星型網絡拓撲示意

圖3 FlexRay 的星型、總線型混合網絡拓撲示意

　　3、FlexRay 節點的同步和協議幀結構

　　為了實現功能的同步和通過兩條信息間的短距離來優化帶寬，該通信網絡中的分布組件都要有一個共同的時基（全局時間）。為了時鐘同步，同步信息是在周期的靜態段傳輸的。通過增添一個特殊的算法，部件的本地時鐘被修正為所有的本地時鐘與全局時鐘同步。

圖4 FlexRay 協議幀的靜態、動態部分的結構示意

　　4、FlexRay 網絡節點的結構

　　FlexRay 的網絡節點是由主處理器（Host）、FlexRay 通信控制器（Communication Controller）、可選的總線監控器（BG）和總線驅動器（BD）組成的。主處理器提供和產生數據，并通過FlexRay 控制器傳送出去。

　　總線驅動器連接著通信控制器和總線，或是連接總線監控器和總線。主處理器把FlexRay控制器分配的時間槽通知給總線監視器，然后總線監視器就允許FlexRay 控制器在這些時間槽中來傳輸數據。數據可以在任何時候被接收。

                                                  圖5 FlexRay 的網絡結構

　　二、未來發展最快的技術是什么？

　　未來發展最快的技術是汽車電子與信息產業、智能交通相互融合發展而產生的新興技術。這些新技術主要用于解決與安全、環保有關的系統性問題，如：轉向控制、制動控制、安全氣囊、OBD 偵測及更廣義上的汽車故障診斷技術和遠程服務等。

        現代汽車的剎車和轉向系統其實同一百多年前汽車剛被發明時一樣，都借助于機械連接和液壓傳動，使駕駛者的意圖傳遞到車輪和引擎。而未來將通過線控系統網絡將指令發送到剎車執行單元、轉向步進馬達單元，并通過微處理器及電子執行裝置（FlexRay 節點）來進行制動和轉向控制。線控新技術還能簡化某些功能的實現，如自適應巡航控制、自動車道保持、防碰撞，并為汽車最終實現自動駕駛打下基礎。而對安全性至關重要的部件，如轉向和制動系統，安全氣囊網絡，電子穩定系統（ESP）等，必須能夠進行更可靠的、無縫配合和自動診斷。

       FlexRay 與CAN-BUS 構成的仿真單元和網絡計算平臺已可以方便的集成到汽車系統之中進行混合驗證并建立實物控制模型。中國單片機公共實驗室，從1992 年起在國內首先建立了國際標準的CAN-BUS 開放實驗室。2005 年又第一個在國內建立了完整的FlexRay 開發、分析、仿真與實驗測試平臺，與國際水平保持同步。有關FlexRay 和CAN-BUS（SAE J1939，CANopen）的最新技術和進展，可訪問http://www.bol-system.com汽車線控系統網絡實際上就是一種特殊的局域網。這種系統是從飛機控制系統引申而來的。飛機控制系統中提到的Fly-by-Wire 是一種電線代替機械的控制系統，它將飛機駕駛員的操縱控制和操作命令轉換成電信號，利用機載計算機控制飛機的飛行。這種控制方式引入到汽車駕駛上，就稱為Drive-by-Wire(電控駕駛)，引入到制動上就產生了Brake-by-Wire（電控剎車），引入到轉向控制上就有Steering-by-Wire（電控轉向），因此統稱為X-by-Wire。這些創新功能的基礎是一種能夠滿足嚴格容錯要求的寬帶總線結構――FlexRay 總線系統（車載網絡計算平臺）。FlexRay 的重要目標應用之一是線控操作(如線控轉向、線控剎車等)，即利 用有容錯功能的電氣/電子系統取代機械/液壓部分。線控操作包括從轉向到剎車和加速等所有汽車控制應用互連技術，它的應用可以補充并將最終代替汽車的機械和液壓解決方案。 FlexRay 的執行器是機電一體化的產物，是全球汽車行業新一代汽車電子產品開發的重點。也應當成為我國汽車計算平臺國家重大工程的研究和技術跟蹤的重點之一。

　　另一個值得注意的是CANopen 在汽車中的應用，CANopen 是在ISO11898 標準之上真正面向對象聯接的網絡計算平臺，（而J1939 則是面向具體應用而聯接的網絡標準）。在CANopen 網絡中，可以將最多128 個用CAN-BUS 互聯的嵌入式微處理器，看成是一個統一的計算機平臺，通過對網絡中的任何一個單片機中的電子表格（存儲在E2PROM 或Flash之中，稱為CANopen 的對象字典）的修改和重定義，即可改變整個系統的功能配置和構造，而無需通過CANopen 節點的制造商，在每個節點的對象字典之中還存儲全球唯一的制造商編碼和相關的配置參數，我們稱之為數字基因（Digital DNA）。通過標準方法可以方便的訪問到汽車中各個電子設備的“數字基因圖譜” 
用于維護和診斷。CANopen 在各種工業、交通、航空、海事領域的應用技術成果，可方便地移植和集成進入未來更復雜的汽車系統之中，特別是在電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車中CANopen 有明顯的優勢。在通用單片機中加入CANopen 中間件并為應用程序留下API 接口，既可做成一種稱之為CANopen Chip的系統級芯片產品。在北京集成電路設計園開發平臺的支持下，北京英貝多公司在成功的開發出J1939 系統級芯片的基礎上，正在為汽車行業研發具備自主知識產權的CANopen chip。CANopen chip 可以連接各種傳感器，實現對汽車主要部件的安全性監測。

　　三、關于汽車計算平臺的思考與機會

　　上世紀50 年代航空電子占整個飛機造價的比例約為20%，90 年代則上升為80%，隨著CAN、FlexRay 等網絡計算平臺技術的發展，汽車電子也將遵循航空電子的發展規律，得到更快速的發展。因此說，汽車網絡計算平臺對現代汽車工業將產生本質性的重大的影響。汽車計算平臺是什么？筆者認為“網絡就是計算機” [1] 網絡標準就是計算平臺。從過去二十年信息產業的發展來看，網絡標準推動著信息產業的快速發展和全球化，如手機計算平臺，由最初的1G、2G（2.5G）到 3G，網絡標準決定著產業、產品和行業的興衰。手機也從過去的移動電話概念發展成為今天的移動計算（嵌入式系統）概念，手機短信息業務的成功應用再一次證明了平臺技術的重要性。

　　從國際上看汽車電子的數字化進程，已有二十多年歷史，回顧CAN-BUS 的發展歷史，直到1995 年SAE J1939、CANopen、網絡計算平臺標準的出現，才為汽車OEM 關鍵零部件的互聯、協同工作進而提升整車的系統性能、功能和靈活性建立了平臺化的工業基礎。

　　公元2000 年和2005 年國際上的LIN 聯盟和FlexRay 聯盟，均是由著名的汽車廠商和信息技術(IT)公司聯合發起和推動的標準聯盟和技術聯盟，這標志著汽車產業和信息產業在共同推動著一個全新的、復合性的產業——汽車（電子）信息產業的出現，與傳統的汽車電子產品開發強調單個部件功能和性能不同的是汽車（電子）信息產業更關心的是網絡標準和平臺技術。因為這些決定了行業的發展和興衰。

　　當今，技術發展的專業化，分工的精細化和相互融合，以及系統性能的不斷提高和電子技術日益復雜化趨勢的挑戰，同時還要考慮汽車電子產品的規模經濟要求，使研發設計環節變得越來越至關重要 。因此，類似于集成電路設計行業獨立于制造行業一樣，未來汽車電子設計產業作為一個獨立的行業將會得到快速發展，在進行產業規劃時，這一點應當引起我們的思考。

　　我國在汽車計算平臺方面參與國際合作的機會也是存在的，如在CANopen 方面由于標準是分層制定的，CANopen 的基礎層已經相當完善，應用層是透明開放的。所謂應用層行業規范（Application Profile）就是由國際上同行專家共同為某個具體行業制定的平臺性標準，據國際CiA 組織（CAN in Automation）最近提供的信息，在電動發動機、混合動力傳動、房車（reereation vehicle 旅游車）等方面，正在尋求國際上專業廠商及專家共同制定應用層行業規范。在FlexRay 方面我們也有機會參與應用平臺標準化工作和FlexRay 控制器IP（半導體知識產權）方面的國際合作項目，用FPGA 實現FlexRay 控制器在國內已有相關的研發活動?；赨WB 開發車輛多媒體網絡是中國的機會。

　　在基于OBDIII 的Blue-Bus 汽車計算平臺方面，中國的IT 企業與有遠見的汽車企業也開始了戰略性合作。 （完成于2006-9-15）

        注：[1] 1990 年美國Sun 公司發表了“網絡就是計算機”的著名言論，這是對未來計算機體系結構變化的預見性定義。后由Internet 的發展而證實。

　　作者E-mail：can@bol-system.com HomePage: Http:// www.bol-system.com

　　參考文獻

　　[1] 呂京建“現代汽車的核心技術SAE J1939”《今日電子》2004-1
　　[2] FlexRay Communications System Bus Guardian Specification ,Version 2.0 30-June-2004
　　[3] 呂京建“數字汽車時代的思考~談談汽車網絡計算平臺”北京國際微電子研討會論文集P307 頁，2004-9-23
　　[4] 呂京建“SAE J1939 汽車網絡標準在中國的應用”、“CANopen 與汽車網絡計算平臺”中國汽車工程學會汽車電子技術分會 第六屆年會論文集 P71 頁和P92 頁，2004-11
　　[5] 梁合慶 、呂京建“中國計算機科學技術發展報告”P161 頁 清華大學出版社2005-8 (end)