汽车电子接口标准全面探索

随着人们对汽车要求“智能化”的期待日深，汽车电子的发展也越发风起云涌；包括车身及底盘控制、动力系统、卫星导航、信息娱乐、安全防盗及自我诊断修复等先进功能，莫不伺机而动。然而，想让动辄以数千万计的电子元器件顺畅的沟通、运作，首先要解决的就是“接口”问题，必须先“协议”出一些重要的规范，从而落实为“应用规格”才能令众多子系统和睦且有效地对话，共谋大事。为此，本期“高速接口”特辑特别把汽车电子的界面规范列入探讨，邀请国际半导体大厂来综合论述，并将在下期内容为读者做更深入及全面的产业现况报道。

由于越来越多的电子系统必须进行互联，旧时的“点对点”连接方式在布线及传输速率上早已走到了尽头，于上个世纪90年代谢幕退场，代之而起的是的是网络系统。目前，全世界有多达40多种的汽车网络标准芳华正盛，除了历史悠久的CAN和LIN以外，包括：高速容错网络FlexRay、用于汽车多媒体和导航MOST(Media Oriented System Transport，媒体定向系统传输)，以及与电脑网络兼容的蓝牙、无线局域网等多元网络技术，也都竞相活跃。
   
CAN：终结点对点传输时代

Actel公司IP解决方案部高级产品经理Ian Land跟我们分享了他对市场的观察：最初由飞利浦所提出的I2C规范提供菊花链总线，比同级的点到点解决方案能以更简洁的方法及更低的成本进行延展。这种多用途标准在整架汽车中──从娱乐系统到防锁死刹车系统及引擎盖下应用──被用作控制系统的重要一环(Actel针对I2C标准推出Core I2C，这是双线串行接口总线控制器，可实现IC之间的有效控制，能够以主或从模式进行接收或传送，并具有7位地址格式连8位固定数据宽度。它支持100 kbps和400 kbps的数据传输率)。
然而，为了减少配线需求，通过“串行通信协议联网”便成了理想的替代方案，其中最流行的两种协议是J1850和CAN。曾有好长一段时间，许多美国汽车都是利用41.6kbps的J1850标准进行联网。不幸的是，J1850虽一度让同一车系的产品线趋于一致、达成标准部分统一的使命，却未能打入不同的汽车供应商之间；随着CAN(控制器局域网络)及LIN(局域互联网络)的发展，向CAN及其它网络技术如LIN的转移将日渐成为趋势，终至取代J1850。对汽车应用亦着墨颇多的Cypress便直言，自从CAN出现后，过去5年来，发展J1850几乎已无任何利益。

CAN是一种实时数据总线技术，是国际标准化的串行总线系统，用于引擎管理、车身电子和娱乐控制。它拥有最长的历史和在全球汽车电子行业中最高的渗透率，同时也是最早被一家中国汽车制造企业所使用的总线系统；CAN在5-V差分总线上操作，能满足高速和错误敏感的需求。汽车行业广泛地将CAN作为引擎管理、车体电子(如车门和车顶控制、空调和照明)，以及娱乐控制的车内网络(IVN)。用于引擎管理的CAN网络与多个电子控制单元相连。许多汽车制造商还把CAN基础网络安装在电源引擎系统中或与信息娱乐设备连接。此外，一些轿车也会采用以CAN为基础的诊断接口。

CAN技术最早在欧洲被运用于汽车的电子系统通信，专供高档车型装备之用。1985年，BOSCH公司开始开发基于MCU的CAN总线——CAN-BUS，为CAN的初试啼声；随后在1993年，基于汽车网络计算的ISO118989标准出台，同时SAE J1939联盟成立，以数字微处理器为核心的ECU成为汽车网络计算的基础。到了2000年，CAN-BUS已经成为全球现代汽车电子设备的网络互连基础。
应用这种技术的车辆，通过遍布车身的传感器在收集到车辆行驶的各种信息后，信号发送者就可以将安全编码后的数据发送给所有的接收者，以短帧多发的方式实现数据的高实时性。在传送信息时，CAN使用了优先级仲裁，低优先级的信息总是排在高优先级的信息后面，因而导致延迟。只有优先级最高的信息可以在预定义传输时间保证被传输。

CAN-BUS技术的最大优点，是减少了线束的数量和控制器接口的引脚数，可以更简单、迅速地实现在线编程、在线诊断，甚至多个控制器共同作用等功能，由于具有极强的抗干扰及纠错能力，曾被美国军方广泛应用于导弹、飞机和坦克电子系统的通信。但这种“事件驱动型”的网络技术，最高速率仅能达到1Mbps，无法提供下一代线控系统应用所需的容错功能或带宽。
　　
LIN：基于CAN平台的低成本网络

而最常被拿来相提并论的LIN总线系统，是一种较低成本的解决方案，主要应用在简单的车载系统，它对数据速率或迅速反应速度要求不高，在12V单线总线上满足低速、低带宽的需求，例如座位和车窗的控制电子件，有人将之视为是对于CAN的补充。LIN协议规范提供低成本和短距离的网络，能够在汽车子系统中执行崭新水平的电子智能化；LIN在CAN平台下操作，却不必要求与CAN同档次的稳健数据率、宽带性能，以及高成本。

LIN总线与CAN总线一起构成目前汽车界最广泛采用的两种总线形式。LIN的防干扰性亦佳，主要应用在精度误差不是很苛求的部件的控制上，例如：转向定时速度、雨刷/门锁/车灯/后视镜控制、电动车窗、座椅位置、发电系统、空调机控制等，均可受惠于稳健的LIN操作，能大幅降低线路复杂性和车身重量，并提高可靠性。飞利浦半导体汽车和智能识别产品大中华区高级市场总监张焕麟表示，LIN总线将会很快被中国制造的汽车所采用，因为相对于CAN来说，它更简便易用，成本较低，是低速度的另一种选择方案。在欧洲，LIN总线已经被普遍采用，并在北美最先获得了设计大奖。顺带一提的是，虽然LIN最初设计目的是用于汽车电子控制系统，但在工业自动化传感器总线和消费类电子产品中也有着广泛的应用市场。
　　
飞思卡尔半导体(中国)汽车及标准产品部业务拓展经理康晓敦则评述说，“CAN和LIN共同为汽车提供了一个完善的控制网络。未来这几年，这两种网络将继续成为汽车应用中的主要网络。”康晓敦并提到这两种现行协议在MCU应用上的不同：“对于CAN的应用，我们需要在MCU中提供CAN接口；对于LIN的应用，有时我们采用一般的串行通信口就可以。不过为了提高LIN的性能和为用户提供更方便的设计，我们亦在MCU中提供一些增强LIN接口。”
　　
FlexRay：高速、稳定、容错
攸关人身安全设备的最爱

近年来，汽车引入的电子器件数量增长迅猛。先进控制系统的推出，因为结合多个传感器、制动器和电子控制单元，因此对高速率数据传输、决定性行为及容错性支持的要求也更趋严苛；特别是通信的可用性、可靠性和数据带宽，将成为动力传动、底盘和车体控制等目标应用的关键因素。于是，标榜高速、灵活的FlexRay便是在这种氛围下成形。

FlexRay是带静态和动态插槽的可扩展系统，能够根据应用需求进行配置，支持光物理层和电物理层，使生产商能够部署最符合他们需求的布线机制。此外，开发人员还可以将FlexRay系统从单通道总线扩展为多个双信道星状拓扑，具有完全通道冗余。如果将FlexRay用作车内网络的骨干系统，连接动力总成、底盘、车身、安全和多媒体应用(有无支持FlexRay的应用皆可)，制造商甚至还能更好地利用高带宽的优势。

FlexRay在每个通道中提供10Mbps的总数据速率，在“高速”上已见优势；加上通道单独运行的特点，使总数据速率可达到20Mbps，足足是当前CAN标准速率(1Mbps)的20倍！此外，FlexRay是一个“时间触发”的架构，意味着控制信号是根据“预定义”的时间进度传输的，这又为其“可靠性”做了一定程度的保证：在确定性算法中，始终会预先定义正确的输出结果，而这些结果是基于特定输入而生。接着，输出可以控制后面的操作，其结果将决定下一个步骤，依次类推。

无论外部产生什么冲击，确定性网络都是完全可预测的。这对需要持续的高速性能的应用(如线控刹车、线控驾驶)来说非常重要。FlexRay协议可以确保将信息延迟和抖动降至最低，另外还提供高带宽(10 Mbps)，可以减少网络冲突的数量。

“容错功能”是它另一个笑傲商场的特性，即使系统的不同部分出现故障，系统仍将按照设计继续运行；然一旦网络运行性能降低，故障的严重性也会成比例上升。换句话说，小故障既不会造成系统功能的丧失，又不致忽略致命性错误。FlexRay支持多个级别的容错功能，包括通过单信道或双信道模式(提供传输所需要的冗余)，提供可扩展的系统容错，另其物理层存在独立的总线监控器，有助于最大程度地减少系统错误。
　　
● 线控应用
FlexRay是近来备受讨论的新一代车内网络，有汽车总线系统“最高级的标准”之喻，深受国际汽车行业的推崇，特别是在高速应用，如：线控应用(X-by-wire)。采用X-by-Wire可以降低部件的复杂性，降低油耗和制造成本，提高可靠性和安全性；另由于布线灵活，使汽车操纵部件的布置也增加了灵活性，扩展了汽车设计的自由空间。例如汽车方向盘采用X-by-Wire技术，左置或右置就可以随意变动。

高级底盘控制是FlexRay推动新技术在新汽车设计中应用的最好例子，而“线控系统”则是业界普遍看好FlexRay技术所带来的主要益处，希望借以减少车辆控制对液压系统的依赖，最可能的应用就是线控刹车。今天的汽车刹车和转向系统都借助于物理连接和液压传动，来将驾驶者的意图传递到车轮和引擎。未来线控系统是将指令发送到刹车，或通过微处理器及电子启动装置来进行制动，如：防抱死刹车系统(ABS)。这种线控刹车技术(也称为电子机械刹车，EMB)，虽有助于消除制动液和液压管路的困扰，但却不能像传统的液压刹车系统能提供备用系统。

此时，FlexRay的容错操作对于确保线控车系统的绝对可靠性非常重要；其高宽带宽功能可以快速传输大量极为详尽的信息，从而使机械反应变得非常迅速、准确。由于每个车轮节点都是FlexRay网络的独立系统，每个车轮可以在不同时间间隔提供不同的刹车压力，从而在不同刹车情况下提供即时的稳定性控制。使用综合感应技术将其它信息(如重量分配、乘客定位、胎压偏差、路面状况等)装载到线控刹车上，同时线控驾驶系统将提供空前的车辆稳定控制级别。

事实上，这种系统是从飞机控制系统引来的。飞机控制系统Fly-by-Wire是一种电线控制系统，它将飞机驾驶员的操纵、操作命令转换成电信号，利用计算机控制飞机飞行；这种控制方式引入到汽车驾驶上，就成为Drive-by-Wire，引入到制动上就产生了Brake-by-Wire，引入到控制上就有Steering-by-Wire，因此统称为“X-by-Wire”。近来瑞萨半导体大力提倡的Safe-by-Wire，亦是其中一种形态。

Safe-By-Wire由Safe-By-Wire联盟所推出，旨在通过综合运用多个传感器来实现安全气囊系统的细微控制。它作为新一代安全气囊系统的汽车LAN接口标准而被广为关注。瑞萨公司正在计划开发面向安全气囊系统的网络协议ASRB2.0的IC及微控制器。ASRB2.0是以安全气囊系统网络化为目标，由Safe-by-Wire Plus联盟制定的网络协议，已开始依据ISO进行标准化。
   
● 发展现况
FlexRay技术在生产中具有相当大的吸引力，即使最初的安装价格较贵(需要双绞线布线)，但它却能帮助生产商节约花费在生产线上的时间和金钱；在线控系统中，控制器和连线的安装远比主汽缸、次汽缸和大量关联管道更简单、方便、可靠。对于生产商来说，他们的安装费用有所下降，而对于用户来说，他们的维护成本将有所下降，可谓是双赢局面。此外，FlexRay还为大量不同应用提供一个控制协议，不仅车内网络系统的复杂性可大为降低，更多元器件也可以重复使用，从而减少以后所需的设备开支和时间。

目前大多数汽车生产商都支持FlexRay协议。宝马、戴姆勒-克莱斯勒、通用和大众都是FlexRay联盟的核心合作伙伴。大多数高级会员都是汽车生产商。联盟最重要的目标是“使FlexRay成为汽车业的实际标准”，为此，半导体厂商亦动作频频；飞思卡尔和飞利浦早先即达成协议，共享FlexRay技术，以加快支持FlexRay的半导体产品的面市。飞思卡尔在独立设备中推出FlexRay协议引擎，包括：16位微控制器、数字信号控制器系列、内含PowerPC核心的处理器；而飞利浦则是在基于ARM的整个汽车微控制器系统中集成FlexRay协议引擎，双方皆已有实质进展。另外，日系的瑞萨与富士通也都已有FlexRay的微控制器推出。

作为大部分汽车系统网络的委员会成员的飞思卡尔，其大部分汽车用的MCU都具有CAN/LIN接口，并拥有满足CAN/LIN的物理层驱动器和第一个FlexRay物理层驱动器。飞思卡尔的康晓敦说，与汽车制造商和大型供应商一同开发，FlexRay是全新确定性及可容错的高速总线系统，能够满足线控应用(如线控驾驶drive-by-wire、线控转向steer-by-wire、线控刹车brake-by-wire等)，以及其它底盘、动力传动和安全相关应用的容错性和时间确定性需求。
同样也是FlexRay的核心成员之一，飞利浦半导体努力推动FlexRay的标准化和推广工作(其它核心成员还有：宝马、戴姆勒－克莱斯勒、通用汽车、大众汽车、博世和Freescale)，是第一个推出完整的FlexRay解决方案的芯片厂商，如：微控制器和收发器，这些都已经被一家主要的德国汽车制造商所采用。飞利浦半导体相信，FlexRay在未来将会扮演一个重要的角色；预计在2009年，部份高端应用将会从CAN转移到FlexRay系统中。

代表飞利浦接受本刊访问的张焕麟说：“在中国，飞利浦半导体公司确信一旦最初的应用在欧洲推出之后，能迅速地推进FlexRay在中国的采用，这一形势正在形成中。”2005年10月，为了满足车内网络日益增长的需求，飞利浦推出业界首个FlexRay系统解决方案，作为应用于高端汽车网络的协议，FlexRay具有把所有系统连接到一起的能力，这样可以使汽车系统将孤立的系统整合在一起工作。使用FlexRay后，汽车的安全性将会由于将有效的安全系统应用于新建立的整合中而大大增强。

要为所有的FlexRay节点提供时间触发的实时系统，需要在不同节点之间提供准确的全局时间同步。FlexRay通过偏差纠正和速率纠正算法，支持时钟纠正管理，以便与同步节点的时钟相匹配。这是一个理想的“故障──安全系统”，如果一个节点发生故障，不会干扰其它节点的同步。
　　
其它基于PC的无线界面

在汽车领域中，已开发了规范来协助将1394建立为汽车联网标准。IDB1394(蜕变自IEEE-1394，也称为FireWire或i.Link)及MOST都是面向汽车多媒体应用的网络，其中，IDB1394主要被北美厂商支持，MOST主要被欧洲厂商支持──据悉，ST意法半导体即为代表之一。有业者指出，由于IDB1394与现有的电脑网络兼容性更好些，似乎前景更明朗，知名分析机构In-Stat也估计以1394为基础的汽车网络在汽车的应用将会越来越多。

奠基于1394技术在消费电子行业获得的广泛接纳，IDB-1394是车内网络IDB系列的最新成员，专为需要在车辆上快速传送大量信息的高速多媒体应用而设。IDB-1394定义了系统架构/拓扑，使现有及未来的IEEE-1394消费电子设备可与嵌入式汽车级设备相互操作。

即便如此，元件供应商对此并不表乐观：Actel公司IP解决方案部高级产品经理Ian Land仍认为，IDB1394的发展不免遭到其它接口方案所滞碍；Cypress汽车业务部常务董事(managing director) David Zimpfer也表示，1394很可能只会出现在影像和信息娱乐系统中，由于受限于成本与抗噪声能耐的缘故，未来成长性应不大。

至于MOST(Media Oriented Systems Transport，媒体系统传输)，则是消费电子协会(Consumer Electronics Association，CEA)移动电子委员会于去年开始力推，针对汽车多媒体传输网络、相对低速的网关接口技术规格。CEA预测，MOST光纤网络最快在2008年将连接全球48%汽车的多媒体设备。

MOST网络网关将是消费者连接车内电子产品的通用平台，CEA正与开发MOST网络的协会MOSTCO组织合作。MOST网络是许多汽车内数字多媒体系统的基础骨干，而正在研究的标准将定义便携式产品和已安装产品到MOST网络的连接，还将确立需要透过网络允许元器件市场设备工作的信息类型。
　　
结 语

简言之，I2C所提供的是一种非常简单的电子设备互连界面；CAN总线能提供非常稳定的通用网络界面；LIN可解决CAN复杂度和成本的问题；而新兴的FlexRay则有助解决CAN传输速度及保证带宽的问题。面向这些接口标准，Cypress公司的Zimpfer也提出了他的看法作为总评：在众多汽车应用中，Cypress预期I2C将持续它在汽车引擎控制和娱乐系统模块中主流的地位；CAN未来几年中，仍将在实现多重车辆网络(包括车体元器件、仪表板以及动力系统控制)中，则将继续保持独特的强势地位；LIN依然是低成本模块制造商的最爱，未来在车体控制模块上，甚至可凭其价格优势和CAN一较高下。至于FlexRay则尚处于萌芽阶段，Zimpfer提到，由于FlexRay需增加额外的芯片面积成本，因此在一些如操控和刹车等重要的安全系统应用上，初期可能会有门坎存在。

尽管规范不断推陈出新，然而Cypress并不认为这些接口标准有完全互相取代之虞，多种标准发展的结果，只会迫使IC供应商提供更多元的接口产品以形成有利的产品组合。无独有偶，飞利浦半导体也认为，一个专有总线系统很适合于特定的应用领域，因为每一个应用的性能和价格要求是不同的，目前来看，不可能出现一种全能(all-in-one)的系统；例如，上述的FlexRay将取代目前在CAN总线中的某些高端应用，而MOST则主要应用在网络音频/视频领域(虽然它在欧洲以外的地区较少被采用)。因此，飞利浦在产品定位上的重点，就是继续为特定应用领域提供高性价比的方案。

“正如我们所看到，建立在开放的行业标准基础上的总线系统将很快在全世界范围内应用。所以开放的行业标准将会持续不断地去驱动汽车行业的总线系统在全球范围内应用。”张焕麟补充说。凭借既有国际领先地位和敢为人先的丰富经验，飞利浦半导体自信地表示，具备足够的能力来推动FlexRay、LIN和CAN这3项标准在全球范围内的普及，并运用到中国市场中。此外，张焕麟特别提到一个值得关注的产业趋势：那些基于开放产业标准的总线系统肯定会在世界范围内得到迅速普及。这也是飞利浦之所以力持“开放的行业标准仍将是推动汽车行业中总线系统得到采用的驱动力”主张的原因。