'出版品代號:::CT
期數:::000179
文章代碼:::CS3
文章標題:::車用匯流排四大天王漸成形
文章副標:::內裝、底盤、引擎室
出版品單元:::CTCS
文章來源:::
作者:::陳隱志
譯者:::
引言:::車用匯流排與現有資訊、消費、通訊所用的匯流排皆大異其趣,雖然有些3C領域的匯流排也試圖在車用領域發揮,但接受與普及性都相當有限,汽車行駛所遭遇的環境多變性遠多於3C,所以持續採行特屬匯流排實有其堅持理由。本文將針對車用匯流排的現況與技術進行更多的討論與說明。
附圖定義:::圖一(p1.gif),圖二(p2.gif),圖三(p3.gif),圖四(p4.gif),圖五(p5.gif),圖六(p6.gif),圖七(p7.gif)
附表定義:::
公式圖檔定義:::
文章後之資料:::
屬性(人物):::
屬性(產業類別):::REI
屬性(關鍵字):::LIN、CAN、FlexRay、MOST
屬性(組織):::
屬性(產品類別):::
屬性(網站單元):::ZEIE
內容:::
有關車用電子的看好性,相信已在許多的市場觀察、產業分析中證明,然而願景雖美卻也要面對現實,在多份的報告建言中也一致指出,國內的業者初期只能在汽車出廠後的加裝市場中發揮,不易切入在廠內產製過程中的預裝領域,此外能發揮的也拘限在環境抗受性較不嚴苛的底盤上空間,底盤下仍會由歐美日各大車廠的多年密切配合夥伴所主導。
即便如此,國內電子業者仍必須積極搶進,先從內裝開始,接著進入儀表板、底盤,最終到達引擎室。而想進入車用電子領域的第一課就是認識與瞭解車用匯流排,車用匯流排與現有資訊、消費、通訊所用的匯流排皆大異其趣,雖然有些3C領域的匯流排也試圖在車用領域發揮,但接受與普及性都相當有限,汽車行駛所遭遇的環境多變性遠多於3C,所以持續採行特屬匯流排實有其堅持理由。
因此,本文以下將針對車用匯流排的現況與技術進行更多的討論與說明,瞭解車用匯流排,才能在車用感測、控制、處理等層面有更佳的發揮運用。
車用介面的百家爭鳴
老實說,車用匯流排的種類相當多,今日一般較知名也較多關注的有四種:LIN、CAN、FlexRay與MOST,但若更全面的看待,則還有:J1850、byteflight、OBDII、D2B、SMARTwireX、IDB-1394、IEBus、Intellibus、MI、DSI、BST、MML、J1708以及TTP等。
此外,各匯流排除了在基本規格特性上達成共識外,更進一步的運用也各異其趣,以美系車種較常使用的J1850來說,雖然都是採行J1850,但在實體層方面Ford福特就與GM通用汽車、Chrysler克萊斯勒不同,而即便GM與Chrysler在實體層相同,在更高的協定層上也各自不同,兩者的訊框、封包等格式都無一致。
另外,即便是CAN、LIN等較具未來性的車用匯流排,也都還有各類型的衍生版本規格,如CAN有更強調反應時間的時觸型(TTCAN),LIN也有更強調成本精省、能直接取用車內電瓶供電線路作為傳輸的DC-LIN。
再者,隨著近年來逐漸強調車用影音娛樂,使得原本在3C領域運用的通訊方式也開始逐漸受用於車中,此以Bluetooth藍芽最為典型,以及IEEE 1394(針對車用修改成IDB-1394),更進一步為了強化行車安全而有的TPMS胎壓監督系統,眼前多以業者專屬的無線傳輸技術來回報胎壓資訊,但未來也必然要走向RFID、ZigBee等標準協定。
如此總歸地說,車用匯流排的標準之所以如此紛陳,其實是夾雜了多種因素於其中,簡要歸納整理,這些因素包括:
- (1)一部PC就需要FSB、PCIe、DDR2、SATA、GbE、SMBus、USB及LPC等多種不同介面,何言是一部車;
- (2)車廠車系間的競爭立場而有的門戶之見以致刻意分歧;
- (3)汽車組件須能多年的長時間供應,但電子技術不斷推陳出新,以致新舊疊陳;
- (4)不斷被賦予新機能與新運用,底盤上要導航、要資訊、要娛樂,底盤下要更方便的操控(倒車影像)、更安全的感測(胎壓監督),以及能源日益短缺下的複合動力(汽油、天然氣、電動)與省能設計(運用煞車摩擦力來發電,進而為電瓶充電)。
而且,汽車因行駛需求,其電子組件對環境的抗受性比一般3C領域為嚴苛,所以也多半不採行原有3C領域的介面標準。
從百家到儒道墨法
縱然影響車用介面的因素很多,但純就功效面而言其實仍有一定的類別與脈絡,先就傳輸率而言,美國汽車工程師協會(SAE)就有其界定:
![《圖一 今日數種常見的車用電子介面,橫軸為傳輸距離,縱軸為傳輸速率。》](/art/2006/09/081905471177/p1.gif)
《圖一 今日數種常見的車用電子介面,橫軸為傳輸距離,縱軸為傳輸速率。》 |
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- ●A類:低於10kbps,主要在感測器運用;
- ●B類:10kbps~125kbps,主要在傳動、操控器運用;
- ●C類:125kbps~1Mbps+,各種介面傳輸的匯總、接線化簡、即時高資訊量傳遞。
此外依據功效也可區分成:
一般性感應、操控
如車身控制(動力方向盤)、傳動控制(電子點火、EFi電子控制注油)。這是車用電子的最早需求處,今日不斷擴展延伸已成為所謂的「X-by-Wire」,即是讓各項操控都改成以電子線路實現,以取代過往的機械連桿操控或油壓操控,使操控更為省力。
低階性感應、操控
如電動天窗、電控式後照鏡。就一般車廠角度而言,低階性感控的重要性低於一般性,車子若沒有電動窗仍可用機械手搖窗,但車子沒有電子點火、動力方向盤等就相當麻煩,此外低階感控在穩定與精確上有較高的容忍性,屬於末稍運用,但此類運用在每部車中的用量數目正逐漸增多,因此以簡易低廉為主考量、主訴求。
關鍵性感應、操控
如Airbag安全氣囊、ABS緊急煞車系統等。此方面的傳控感應需求必須快速即時,且傳輸表現必須堅穩無誤。關鍵性感控多半用於行車上的安全檢測監控,例如感應到方向盤頻頻左右轉向,即認定駕駛遭遇前方困阻,安全機制會介入傳控系統以強化煞車效果。
![《圖二 貼附在內胎中的胎壓感測器所偵測到胎壓數據,是以無線通訊方式傳送到車體。》](/art/2006/09/081905471177/p2.gif)
《圖二 貼附在內胎中的胎壓感測器所偵測到胎壓數據,是以無線通訊方式傳送到車體。》 |
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資訊娛樂性
如導航資訊、倒車影像、車內視聽娛樂等。近年來日益講究房車內娛樂,如同飛機上一樣,椅背後方有個人觀賞用的小畫面電視,座椅上有控制器,如此可用來播放影音節目、收聽收視廣播、電玩遊戲娛樂等,此外駕駛也要接收車外的廣播資訊,包括交通路況的廣播、導航定位的訊號廣播。
由於在此難以逐項詳述每項車用介面技術,因此以下將針對較具未來看好性的四種車用介面(LIN、CAN、FlexRay、MOST)進行更深入的解說。
![《圖三 飛思卡爾(Freescale)的S12X系列微控器適合用於數種汽車應用中,如閘道器、中央車體控制、儀錶、車門模組與基礎節點等。》](/art/2006/09/081905471177/p3.gif)
《圖三 飛思卡爾(Freescale)的S12X系列微控器適合用於數種汽車應用中,如閘道器、中央車體控制、儀錶、車門模組與基礎節點等。》 |
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四種主要車用介面
LIN
LIN匯流排全稱是Local Interconnect Network,最初是1996年由瑞典VOLVO富豪汽車與VCT公司(Volcano Communications Technologies AB,2005年5月已被Mentor Graphics Corporation明導國際收併)合作所研創的介面,當時稱為Volcano Lite,1997年Motorola也參與,使Volcano Lite能略省石英振盪器而用更低廉的RC振盪電路運作,1998年12月Audi、BMW、Daimler Chrysler加入,自此轉變成LIN。
1999年7月LIN 1.0提出,不過受其他業者所用的VLIT匯流排所影響,因此在2000年內修訂兩次,成為LIN 1.1、1.2,到了2002年11月提出LIN 1.3,對實體層標準進行改善,提升裝置節點間的相容性,而目前為止的最新版為LIN 2.0,於2003年9月發表。
LIN僅需單一線路即可傳輸,以串列通訊介面(SCI)的通用型非同步收發器(UART)即可進行通訊,線路上僅能有1個主控節點(Master),但受控節點(Slave)最多可至16個,由主控點進行廣播式傳輸,所以沒有各節點進行線路碰撞偵測的問題。
此外,LIN的主訴求就在價格低廉,除了Master節點需要運算效能較高、以硬體方式支援LIN介面的微控制器外,其餘各Slave節點只要使用一般具有UART週邊功效的微控制器即可。另外多數的LIN節點都以RC振盪電路來同步運作,RC振盪電路雖會因環境的溫濕度而造成時序偏移,但這個偏移仍在LIN傳輸運作的容忍範圍內。至於速率LIN約介於1kBaud~20kBaud間。
往未來看,LIN將在A類的低速、低成本運用中持續,其他與其相類似的介面(如SAE J1850)將逐漸被LIN兼併。
CAN
CAN匯流排全稱是Controller Area Network,最初是1980年代由德國Robert Bosch GmbH公司所研創,但首次運用是在1991年的德國Benz朋馳S系列的汽車中,同年由Bosch發表CAN 2.0規格,在此之前為1.0版,2.0版主要區分出CAN-A與CAN-B。
CAN也受到其他規格標準組織的重視,包括ISO、SAE都認同CAN標準,並歸列至自有編號中,如ISO 11898、ISO 11992、SAE J1939、SAE J2411等,這其中也包含了特殊衍生型的CAN標準,如卡車、火車用的容錯型CAN(ISO 11898-1)、高速型CAN(ISO 11898-2)、低速的容錯型CAN(ISO 11898-3)、時觸型CAN(Time-Triggered communication on CAN;TTCAN,ISO 11898-4)、以單線傳輸的CAN(Single-Wire CAN;SWC,SAE J2411)。
就典型應用而言,CAN為雙線式的差動傳輸,差動傳輸使其對環境雜訊有較高的抗受性,但嚴格而論CAN可以使用各種可能的實體傳輸,雙絞線只是其一,同軸線、光纖也都可使用。
有些文章報導提到CAN線路最長為40公尺,但其實這樣的描述並不完全,嚴格來說CAN沒有硬性的長度限制,而是與傳輸速率進行取捨妥協,在40公尺內CAN能夠以1Mbps的速率進行傳輸,但若可以接受更慢的傳輸率則仍可以延伸其長度,在逼近C類的底限(125kbps)時可使線長達500公尺。進一步的,CAN為多主控通訊,且傳輸的優先權直接以節點辨識編號為準,編號數高者優先權較低。
附帶一提的是,CAN僅定義了實體層與資料連結層(包含LLC邏輯連結控制與MAC媒體存取控制),但應用層仍由各使用者自主發揮,也因此出現了許多以CAN為基礎的應用層協定,如DeviceNet、CANopen、SDS、CANaerospace、J1939及CAN Kingdom等。
![《圖五 IDB-1394的應用示意圖:前座的導航資訊圖像顯示、後座的娛樂播放顯示。》](/art/2006/09/081905471177/p5.gif)
《圖五 IDB-1394的應用示意圖:前座的導航資訊圖像顯示、後座的娛樂播放顯示。》 |
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FlexRay
由於標準的CAN在時效傳輸上有其缺漏性,在安全控制上需要有更即時的傳遞,因此有了TTCAN的出現,此外類似訴求的也有TTP匯流排,不過另有一項新興的車用匯流排技術同樣是鎖定高傳輸、高抗受、高時效的運用,此即是FlexRay。其實FlexRay已歷經約五年時間的發展,最初由Philips所研創,之後Freescale、TI也都支持參與。
為了傳輸時效,FlexRay也採時觸性傳輸,保證任何的發送都能在50μS內獲得接收,同時傳輸上也具有偵錯、更錯能力,接線上也相當彈性,可採單線式、雙線互為備援式、星狀放射式,其中雙線、星狀方式有較高的錯誤容忍度。
尤其在傳輸上,單一組對線的FlexRay可達10Mbps傳輸,雙線備援且同時運用的結果則可以有20Mbps傳輸,大幅超越現有CAN的1Mbps,此外標準CAN為事件觸發型(Event-Triggered),另有針對更快速反應所訂的時間觸發型(Time-Triggered),FlexRay也同樣鎖定此兩取向的應用,FlexRay本身即是時觸型,然除此之外還加入了可動態運用的微時槽(Micro Time Slot)機制,如此即可兼顧事件觸發型所需的應用傳輸特性。目前FlexRay最新的版本為2.1版。
FlexRay的發展晚,進一步的運用也晚,第一款採行FlexRay的車款是今年才發表的BMW寶馬X5,而且僅用於氣體阻尼系統(pneumatic damping system)上,真正更全面運用FlexRay技術的量產車預計要到2008年才可能問世,此外Volkswagen、General Motors、Daimler Chrysler等其他車廠也都支持FlexRay。往未來看FlexRay與CAN/TTCAN將會有一番惡爭。
MOST
MOST全稱為Media Oriented Systems Transport,最初是1997年MOST Cooperation與其他業者的合作研究為發端,到了1998年以之前的合作為基礎再結合10多家的國際車廠及50多家汽車組件商所共同研發而成。
MOST是採環狀連接(拓樸),且傳輸介質為光纖(若為省成本也可用塑膠光纖),若為了容錯也允許採行雙環狀或星狀的連接,一個MOST匯流排上最多可以有64個節點裝置(僅有一個是主控點),且MOST在協定上支援隨插即用機制,各裝置節點可隨時加插、移除。
在傳輸速度上,MOST理論上最高可達150MBaud(或寫成:150MBd、150M Bd),但目前實務上最高達24.8MBd,其中包含了60個傳輸通道、15個MPEG-1編碼格式的視訊通道,不過這些通道仍可由設計者再行規劃調配。
由於MOST是為多媒體傳輸而設計,因此也講究傳輸時效性,但也因為傳輸量極大,所以也用來兼顧其他需求的傳輸,如導航資訊的傳輸、行車上網的數據傳輸,導航、網路等資訊較不具時效性,允許較長時間的延遲,因此是非同步傳輸,相對的影音播放等則為時效性的同步傳輸。不過MOST在傳輸機制上也有了良善的兼顧設計:無論非同步資料傳輸量的多寡,都不會影響到同步傳輸的傳量與傳速。
同樣的,MOST也獲得諸多大廠的支持,不僅是汽車大廠,也包含車用電子的半導體大廠及車用影音設備的大廠,車廠方面有Ford、BMW、Daimler Chrysler、General Motors,電子廠方面有Infineon、Delco(通用汽車的部門)、Denso(豐田汽車的部門)、Bosch,車用影音則有Sony、Philips、Linn Products(英國蘇格蘭業者)等。
![《圖七 適合車體感控運用的高效能微控器:Freescale的MCP5567。》](/art/2006/09/081905471177/p7.gif)
《圖七 適合車體感控運用的高效能微控器:Freescale的MCP5567。》 |
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跨涉前的心理準備
最後,過往熟悉資訊產業組件的研製生產者,可能要對車用電子有著不同的面對態度,過去一部PC的最內處理器到最外變壓器,都可以同一種設計通賣全世界,但車用市場可不同,不單是左右駕駛位置的不同,各車廠的各車型款變動,都會使相關組件必須跟著連動,是一種高度默契協同的產業,而非現有資訊產業可快速彈性的模組化共用。
因此,除了要瞭解車用介面的多樣存在性、長期供貨性、堅韌抗受性外,也確實還有很多地方必須嘗試摸索進而熟悉適應。
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車用產品電磁干擾(EMI)的理念與防治就產品在銷售上及功能上有著相當大的重要性,在銷售上,每個國家都有他所適用的法規,如果沒辦法透過他國所遵行的法規,那在產品的出貨上就會遇到無法進口到該國的困境。相關介紹請見「車用電子產品EMI對策修改案例介紹 」一文。 |
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國內目前在汽車電子部分以行車資訊與影音娛樂部分發展最為熱門,車輛研究測試中心(ARTC)總經理黃隆洲分析,不外乎因我國資訊電子、通訊產業蓬勃發展,業者希望掌握優勢,迅速切入汽車電子市場。你可在「
研發.檢測.驗證加速車輛電子產業國際化」一文中得到進一步的介紹。 |
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於智慧型車輛科技變革的過程中間,明日車輛將具有預知(anticipatory)品質,能提供操作建議並主動支援駕駛,其藉由監看週遭交通條件、便是面臨狀況及所需之駕駛反應,必要時還可強制採取行動。在「明日之車輛安全 」一文為你做了相關的評析。 |
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