'出版品代号:::CT
期数:::000179
文章代码:::CS3
文章标题:::车用汇流排四大天王渐成形
文章副标:::内装、底盘、引擎室
出版品单元:::CTCS
文章来源:::
作者:::陈颖志
译者:::
引言:::车用汇流排与现有资讯、消费、通讯所用的汇流排皆大异其趣,虽然有些3C领域的汇流排也试图在车用领域发挥,但接受与普及性都相当有限,汽车行驶所遭遇的环境多变性远多于3C,所以持续采行特属汇流排实有其坚持理由。本文将针对车用汇流排的现况与技术进行更多的讨论与说明。
附图定义:::图一(p1.gif),图二(p2.gif),图三(p3.gif),图四(p4.gif),图五(p5.gif),图六(p6 .gif),图七(p7.gif)
附表定义:::
公式图档定义:::
文章后之资料:::
属性(人物):::
属性(产业类别):::REI
属性(关键字):::LIN、CAN、FlexRay、MOST
属性(组织):::
属性(产品类别):::
属性(网站单元):::ZEIE
内容:::
有关车用电子的看好性,相信已在许多的市场观察、产业分析中证明,然而愿景虽美却也要面对现实,在多份的报告建言中也一致指出,国内的业者初期只能在汽车出厂后的加装市场中发挥,不易切入在厂内产制过程中的预装领域,此外能发挥的也拘限在环境抗受性较不严苛的底盘上空间,底盘下仍会由欧美日各大车厂的多年密切配合伙伴所主导。
即便如此,国内电子业者仍必须积极抢进,先从内装开始,接着进入仪表板、底盘,最终到达引擎室。而想进入车用电子领域的第一课就是认识与了解车用汇流排,车用汇流排与现有资讯、消费、通讯所用的汇流排皆大异其趣,虽然有些3C领域的汇流排也试图在车用领域发挥,但接受与普及性都相当有限,汽车行驶所遭遇的环境多变性远多于3C,所以持续采行特属汇流排实有其坚持理由。
因此,本文以下将针对车用汇流排的现况与技术进行更多的讨论与说明,了解车用汇流排,才能在车用感测、控制、处理等层面有更佳的发挥运用。
车用介面的百家争鸣
老实说,车用汇流排的种类相当多,今日一般较知名也较多关注的有四种:LIN、CAN、FlexRay与MOST,但若更全面的看待,则还有:J1850、byteflight、OBDII、 D2B、SMARTwireX、IDB-1394、IEBus、Intellibus、MI、DSI、BST、MML、J1708以及TTP等。
此外,各汇流排除了在基本规格特性上达成共识外,更进一步的运用也各异其趣,以美系车种较常使用的J1850来说,虽然都是采行J1850,但在实体层方面Ford福特就与GM通用汽车、Chrysler克莱斯勒不同,而即便GM与Chrysler在实体层相同,在更高的协定层上也各自不同,两者的讯框、封包等格式都无一致。
另外,即便是CAN、LIN等较具未来性的车用汇流排,也都还有各类型的衍生版本规格,如CAN有更强调反应时间的时触型(TTCAN),LIN也有更强调成本精省、能直接取用车内电瓶供电线路作为传输的DC-LIN。
再者,随着近年来逐渐强调车用影音娱乐,使得原本在3C领域运用的通讯方式也开始逐渐受用于车中,此以Bluetooth蓝芽最为典型,以及IEEE 1394(针对车用修改成IDB- 1394),更进一步为了强化行车安全而有的TPMS胎压监督系统,眼前多以业者专属的无线传输技术来回报胎压资讯,但未来也必然要走向RFID、ZigBee等标准协定。
如此总归地说,车用汇流排的标准之所以如此纷陈,其实是夹杂了多种因素于其中,简要归纳整理,这些因素包括:
- (1)一部PC就需要FSB、PCIe、DDR2、SATA、GbE、SMBus、USB及LPC等多种不同介面,何言是一部车;
- (2)车厂车系间的竞争立场而有的门户之见以致刻意分歧;
- (3)汽车组件须能多年的长时间供应,但电子技术不断推陈出新,以致新旧叠陈;
- (4)不断被赋予新机能与新运用,底盘上要导航、要资讯、要娱乐,底盘下要更方便的操控(倒车影像)、更安全的感测(胎压监督),以及能源日益短缺下的复合动力(汽油、天然气、电动)与省能设计(运用煞车摩擦力来发电,进而为电瓶充电)。
而且,汽车因行驶需求,其电子组件对环境的抗受性比一般3C领域为严苛,所以也多半不采行原有3C领域的介面标准。
从百家到儒道墨法
纵然影响车用介面的因素很多,单纯就功效面而言其实仍有一定的类别与脉络,先就传输率而言,美国汽车工程师协会(SAE)就有其界定:
![《图一 今日数种常见的车用电子接口,横轴为传输距离,纵轴为传输速率。》](/art/2006/09/081905471177/p1.gif)
《图一 今日数种常见的车用电子接口,横轴为传输距离,纵轴为传输速率。》 |
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- ●A类:低于10mbps,主要在感测器运用;
- ●B类:10kbps~125kbps,主要在传动、操控器运用;
- ●C类:125 kbps~1mbps,各种介面传输的汇总、接线化简、即时高资讯量传递。
此外依据功效也可区分成:
一般性感应、操控
如车身控制(动力方向盘)、传动控制(电子点火、EFi电子控制注油)。这是车用电子的最早需求处,今日不断扩展延伸已成为所谓的「X-by-Wire」,即是让各项操控都改成以电子线路实现,以取代过往的机械连杆操控或油压操控,使操控更为省力。
低阶性感应、操控
如电动天窗、电控式后照镜。就一般车厂角度而言,低阶性感控的重要性低于一般性,车子若没有电动窗仍可用机械手摇窗,但车子没有电子点火、动力方向盘等就相当麻烦,此外低阶感控在稳定与精确上有较高的容忍性,属于末稍运用,但此类运用在每部车中的用量数目正逐渐增多,因此以简易低廉为主考量、主诉求。
关键性感应、操控
如Airbag安全气囊、ABS紧急煞车系统等。此方面的传控感应需求必须快速即时,且传输表现必须坚稳无误。关键性感控多半用于行车上的安全检测监控,例如感应到方向盘频频左右转向,即认定驾驶遭遇前方困阻,安全机制会介入传控系统以强化煞车效果。
![《图二 贴附在内胎中的胎压传感器所侦测到胎压数据,是以无线通信方式传送到车体。》](/art/2006/09/081905471177/p2.gif)
《图二 贴附在内胎中的胎压传感器所侦测到胎压数据,是以无线通信方式传送到车体。》 |
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资讯娱乐性
如导航资讯、倒车影像、车内视听娱乐等。近年来日益讲究房车内娱乐,如同飞机上一样,椅背后方有个人观赏用的小画面电视,座椅上有控制器,如此可用来播放影音节目、收听收视广播、电玩游戏娱乐等,此外驾驶也要接收车外的广播资讯,包括交通路况的广播、导航定位的讯号广播。
由于在此难以逐项详述每项车用介面技术,因此以下将针对较具未来看好性的四种车用介面(LIN、CAN、FlexRay、MOST)进行更深入的解说。
![《图三 飞思卡尔(Freescale)的S12X系列微控器适合用于数种汽车应用中,如网关、中央车体控制、仪表、车门模块与基础节点等。》](/art/2006/09/081905471177/p3.gif)
《图三 飞思卡尔(Freescale)的S12X系列微控器适合用于数种汽车应用中,如网关、中央车体控制、仪表、车门模块与基础节点等。》 |
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四种主要车用介面
LIN
LIN汇流排全称是Local Interconnect Network,最初是1996年由瑞典VOLVO富豪汽车与VCT公司(Volcano Communications Technologies AB,2005年5月已被Mentor Graphics Corporation明导国际收并)合作所研创的介面,当时称为Volcano Lite,1997年Motorola也参与,使Volcano Lite能略省石英振荡器而用更低廉的RC振荡电路运作,1998年12月Audi、BMW、Daimler Chrysler加入,自此转变成LIN。
1999年7月LIN 1.0提出,不过受其他业者所用的VLIT汇流排所影响,因此在2000年内修订两次,成为LIN 1.1、1.2,到了2002年11月提出LIN 1.3,对实体层标准进行改善,提升装置节点间的相容性,而目前为止的最新版为LIN 2.0,于2003年9月发表。
LIN仅需单一线路即可传输,以串列通讯介面(SCI)的通用型非同步收发器(UART)即可进行通讯,线路上仅能有1个主控节点(Master),但受控节点(Slave)最多可至16个,由主控点进行广播式传输,所以没有各节点进行线路碰撞侦测的问题。
此外,LIN的主诉求就在价格低廉,除了Master节点需要运算效能较高、以硬体方式支援LIN介面的微控制器外,其余各Slave节点只要使用一般具有UART周边功效的微控制器即可。另外多数的LIN节点都以RC振荡电路来同步运作,RC振荡电路虽会因环境的温湿度而造成时序偏移,但这个偏移仍在LIN传输运作的容忍范围内。至于速率LIN约介于1kBaud~20kBaud间。
往未来看,LIN将在A类的低速、低成本运用中持续,其他与其相类似的介面(如SAE J1850)将逐渐被LIN兼并。
CAN
CAN汇流排全称是Controller Area Network,最初是1980年代由德国Robert Bosch GmbH公司所研创,但首次运用是在1991年的德国Benz朋驰S系列的汽车中,同年由Bosch发表CAN 2.0规格,在此之前为1.0版,2.0版主要区分出CAN-A与CAN-B。
CAN也受到其他规格标准组织的重视,包括ISO、SAE都认同CAN标准,并归列至自有编号中,如ISO 11898、ISO 11992、SAE J1939、SAE J2411等,这其中也包含了特殊衍生型的CAN标准,如卡车、火车用的容错型CAN(ISO 11898-1)、高速型CAN(ISO 11898-2)、低速的容错型CAN(ISO 11898-3)、时触型CAN(Time-Triggered communication on CAN;TTCAN,ISO 11898-4)、以单线传输的CAN(Single-Wire CAN;SWC,SAE J2411)。
就典型应用而言,CAN为双线式的差动传输,差动传输使其对环境杂讯有较高的抗受性,但严格而论CAN可以使用各种可能的实体传输,双绞线只是其一,同轴线、光纤也都可使用。
有些文章报导提到CAN线路最长为40公尺,但其实这样的描述并不完全,严格来说CAN没有硬性的长度限制,而是与传输速率进行取舍妥协,在40公尺内CAN能够以1Mbps的速率进行传输,但若可以接受更慢的传输率则仍可以延伸其长度,在逼近C类的底限(125kbps)时可使线长达500公尺。进一步的,CAN为多主控通讯,且传输的优先权直接以节点辨识编号为准,编号数高者优先权较低。
附带一提的是,CAN仅定义了实体层与资料连结层(包含LLC逻辑连结控制与MAC媒体存取控制),但应用层仍由各使用者自主发挥,也因此出现了许多以CAN为基础的应用层协定,如DeviceNet、CANopen、SDS、CANaerospace、J1939及CAN Kingdom等。
![《图五 IDB-1394的应用示意图:前座的导航信息图像显示、后座的娱乐播放显示。》](/art/2006/09/081905471177/p5.gif)
《图五 IDB-1394的应用示意图:前座的导航信息图像显示、后座的娱乐播放显示。》 |
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FlexRay
由于标准的CAN在时效传输上有其缺漏性,在安全控制上需要有更即时的传递,因此有了TTCAN的出现,此外类似诉求的也有TTP汇流排,不过另有一项新兴的车用汇流排技术同样是锁定高传输、高抗受、高时效的运用,此即是FlexRay。其实FlexRay已历经约五年时间的发展,最初由Philips所研创,之后Freescale、TI也都支持参与。
为了传输时效,FlexRay也采时触性传输,保证任何的发送都能在50μS内获得接收,同时传输上也具有侦错、更错能力,接线上也相当弹性,可采单线式、双线互为备援式、星状放射式,其中双线、星状方式有较高的错误容忍度。
尤其在传输上,单一组对线的FlexRay可达10Mbps传输,双线备援且同时运用的结果则可以有20Mbps传输,大幅超越现有CAN的1Mbps,此外标准CAN为事件触发型(Event-Triggered) ,另有针对更快速反应所订的时间触发型(Time-Triggered),FlexRay也同样锁定此两取向的应用,FlexRay本身即是时触型,然除此之外还加入了可动态运用的微时槽(Micro Time Slot)机制,如此即可兼顾事件触发型所需的应用传输特性。目前FlexRay最新的版本为2.1版。
FlexRay的发展晚,进一步的运用也晚,第一款采行FlexRay的车款是今年才发表的BMW宝马X5,而且仅用于气体阻尼系统(pneumatic damping system)上,真正更全面运用FlexRay技术的量产车预计要到2008年才可能问世,此外Volkswagen、General Motors、Daimler Chrysler等其他车厂也都支持FlexRay。往未来看FlexRay与CAN/TTCAN将会有一番恶争。
MOST
MOST全称为Media Oriented Systems Transport,最初是1997年MOST Cooperation与其他业者的合作研究为发端,到了1998年以之前的合作为基础再结合10多家的国际车厂及50多家汽车组件商所共同研发而成。
MOST是采环状连接(拓朴),且传输介质为光纤(若为省成本也可用塑胶光纤),若为了容错也允许采行双环状或星状的连接,一个MOST汇流排上最多可以有64个节点装置(仅有一个是主控点),且MOST在协定上支援随插即用机制,各装置节点可随时加插、移除。
在传输速度上,MOST理论上最高可达150MBaud(或写成:150MBd、150M Bd),但目前实务上最高达24.8MBd,其中包含了60个传输通道、15个MPEG-1编码格式的视讯通道,不过这些通道仍可由设计者再行规划调配。
由于MOST是为多媒体传输而设计,因此也讲究传输时效性,但也因为传输量极大,所以也用来兼顾其他需求的传输,如导航资讯的传输、行车上网的数据传输,导航、网路等资讯较不具时效性,允许较长时间的延迟,因此是非同步传输,相对的影音播放等则为时效性的同步传输。不过MOST在传输机制上也有了良善的兼顾设计:无论非同步资料传输量的多寡,都不会影响到同步传输的传量与传速。
同样的,MOST也获得诸多大厂的支持,不仅是汽车大厂,也包含车用电子的半导体大厂及车用影音设备的大厂,车厂方面有Ford、BMW、Daimler Chrysler、General Motors,电子厂方面有Infineon、Delco(通用汽车的部门)、Denso(丰田汽车的部门)、Bosch,车用影音则有Sony、Philips、Linn Products(英国苏格兰业者)等。
![《图七 适合车体感控运用的高效能微控器:Freescale的MCP5567。》](/art/2006/09/081905471177/p7.gif)
《图七 适合车体感控运用的高效能微控器:Freescale的MCP5567。》 |
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跨涉前的心理准备
最后,过往熟悉资讯产业组件的研制生产者,可能要对车用电子有着不同的面对态度,过去一部PC的最内处理器到最外变压器,都可以同一种设计通卖全世界,但车用市场可不同,不单是左右驾驶位置的不同,各车厂的各车型款变动,都会使相关组件必须跟着连动,是一种高度默契协同的产业,而非现有资讯产业可快速弹性的模组化共用。
因此,除了要了解车用介面的多样存在性、长期供货性、坚韧抗受性外,也确实还有很多地方必须尝试摸索进而熟悉适应。
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车用产品电磁干扰(EMI)的理念与防治就产品在销售上及功能上有着相当大的重要性,在销售上,每个国家都有他所适用的法规,如果没办法透过他国所遵行的法规,那在产品的出货上就会遇到无法进口到该国的困境。相关介绍请见「车用电子产品EMI对策修改案例介绍 」一文。 |
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国内目前在汽车电子部分以行车资讯与影音娱乐部分发展最为热门,车辆研究测试中心(ARTC)总经理黄隆洲分析,不外乎因我国资讯电子、通讯产业蓬勃发展,业者希望掌握优势,迅速切入汽车电子市场。你可在「
研发.检测.验证加速车辆电子产业国际化」一文中得到进一步的介绍。 |
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于智慧型车辆科技变革的过程中间,明日车辆将具有预知(anticipatory)品质,能提供操作建议并主动支援驾驶,其藉由监看周遭交通条件、便是面临状况及所需之驾驶反应,必要时还可强制采取行动。在「明日之车辆安全 」一文为你做了相关的评析。 |
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