??? 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(Controller Area Network)、CANopen、本地互聯" title="互聯">互聯網絡LIN（Local Interconnect Network）、車輛多媒體網絡IDB1394和美國汽車工程學會制定的協議SAE-J1939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。
??? 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。在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以后，采用CAN的汽車將超過95%。基于CAN和ISO11898標準，美國汽車工程學會（SAE）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影響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CiA（CAN in Automation）的推動下，2002年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。2005年起FlexRay聯盟V2.1版本的規范發布，進一步推動了汽車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，是一種低成本的通信標準。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聯盟組織。LIN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。

汽車網絡總線綜述

??? SAE按照傳輸速率將汽車網絡分為A、B、C三類。
??? A類總線為低速總線，目前的代表為LIN協議，采用SCI和UART等通用硬件接口，傳輸速度最高為20kbps。
??? B類總線傳輸速率在10k~125kbps之間，當前主流協議為CAN(ISO 11898)、SAEJ1850等。歐洲市場采用的B類網絡協議是CAN。CAN分為低速和高速兩部分，高速CAN屬于C類網絡協議。
????C類總線傳輸速率在125kbps~1Mbps之間，主要用于與汽車安全相關以及對實時性要求很高的地方。如，SAE-J1939為250kbps，轎車多為500kbps。
??? 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中應用最為適宜。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需一個新的標準，這就是FlexRay。CAN的成功應用及FlexRay標準的開發推動了新的線控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需求的不斷增加。FlexRay通過在確定的時隙" title="時隙">時隙中傳遞信息，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。

汽車安全與FlexRay計算平臺

??? FlexRay作為下一代汽車網絡標準，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。該標準已被越來越多的汽車制造商采用。
??? FlexRay是一種用于汽車的、具備高速可確定性及故障容錯的網絡計算系統，源于Daimler Chrysler（戴姆勒·克萊斯勒）公司的典型應用以及BMW(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協會進一步開發為一個與確定性和故障容錯密切關系的、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技術的汽車已進入市場。

FlexRay的傳輸介質和訪問

??? FlexRay符合TDMA（時分多址）的原則，部件和信息都被分配了確定的時隙，在此期間它們可以惟一地訪問總線。時隙有固定的重復周期。由于信息在總線上的時間完全可以預測，因而對總線的訪問具有確定性。
??? 不過，通過為部件和信息分配時隙的方法來固定地分配總線帶寬，其不利因素是導致總線的帶寬沒有被完全利用。出于這個考慮，FlexRay把周期分成了靜態段和動態段，確定的時隙適用于信息開始部分的靜態段。在動態段，時隙是動態分配的。每種情況下都只有一小段時間允許惟一的總線訪問(這段時間稱為超小時隙）。如果在超小時隙中出現了總線訪問，時隙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為FlexRay的通信周期、幀的靜態、動態部分的結構示意圖。

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FlexRay的數據速率和網絡拓撲結構

??? FlexRay在物理上通過兩條分開的總線通信，每一條總線的數據速率是10Mbps。這兩條總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，后者的數據吞吐量翻倍。
??? FlexRay也可以在2.5Mbps和5Mbps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網絡節點的連接非常靈活。圖2為FlexRay的主動星型網絡拓撲示意圖。圖3為FlexRay的星型、總線型混合網絡拓撲示意圖。

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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，同步信息應在周期的靜態段傳輸。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為FlexRay協議幀的靜態、動態部分的結構示意圖。

FlexRay網絡節點的結構

??? FlexRay的網絡節點是由主處理器、FlexRay通信控制器、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控制器分配的時隙通知給總線監視器，然后總線監視器就允許FlexRay控制器在這些時隙中來傳輸數據。數據可以在任何時候被接收。圖5為FlexRay的網絡結構圖。

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故障診斷技術和遠程服務

??? 未來發展最快的技術將是由汽車電子與信息產業、智能交通相互融合而產生的新興技術。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偵測及更廣義的汽車故障診斷技術和遠程服務等。
??? 有資料表明歐Ⅲ以上的發動機ECU電控單元中，嵌入式軟件代碼超過50%是關于故障診斷的。由此推測未來汽車與安全部件早期失效相關的故障診斷價值將占汽車電子軟件的50%以上。
??? 汽車的發明已走過100年的歷史，技術的進步推動著汽車的不斷創新。但另一方面，市場的競爭對成本又有嚴格的限制，而汽車排放的限值要依靠更高性能的嵌入式技術才能實現。
??? 嵌入式系統（ES）的診斷技術可分為在線診斷(OBD)和遠程診斷(RFD)。對于重大機電產品和系統而言(如飛機、船舶、汽車），OBD是必不可少的系統組成部分；就現代汽車而言，電控發動機的診斷代碼已超過了系統功能的控制代碼規模；從法規角度看環保和產品缺陷的召回是汽車嵌入式系統開發不可回避的問題。
??? 各國對RFD技術的發展和研究很活躍，如將汽車的OBD系統信息通過RFD接入因特網，這對全社會而言意義非常重大。
OBD和RFD實際上是一個多處理器的異構嵌入式網絡計算平臺。
??? 當前普遍應用的因特網是一個異構互聯的超級計算平臺，這就是近年來發展迅速的網格(GRID)計算技術。基于此，能與網格（因特網）互聯的嵌入式系統（ES）將得到更加強大的計算能力的支持，就像今天的電氣設備從電網上取得電力能源一樣。計算能力也可以通過無縫連接的中間件技術對分布式的ES進行在線、離線、運行，甚至是實時性的支持，從而構成一個更加強大的、智能化水平更高的計算平臺。
??? 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，將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）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、自動車道保持及防碰撞等，并為汽車最終實現自動駕駛打下基礎。對安全性至關重要的部件，如轉向和制動系統、安全氣囊網絡及電子穩定系統（ESP）等，必須能夠進行更高可靠性、無縫配合和自動診斷。FlexRay與CAN構成的仿真單元和網絡計算平臺已可以方便地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。
??? 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實時和嚴格容錯要求的寬帶計算平臺結構——FlexRay網絡計算系統（汽車計算平臺）。
????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，將對全球汽車行業產生革命性的深遠影響。FlexRay的基礎開發工作基于FlexRay控制器和嵌入式軟件中間件，FlexRay和CAN的網關將是未來汽車計算平臺的核心部件。這些應當成為我國汽車計算平臺工程研究和技術跟蹤的重點和技術方向。國際上FlexRay的標準尚未定型，我們完全有機會參與廣泛的國際合作，特別是在中間件和故障診斷方面，應加強標準化研究工作。
??? 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連接的網絡計算平臺（J1939是面向具體應用而連接的網絡標準）。在CANopen網絡中，可以將最多128個用CAN互聯的嵌入式微處理器看成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惟一的制造商編碼和相關的配置參數，將其稱之為數字基因(Digital DNA)。通過標準方法可以方便地訪問汽車中各個電子設備的“數字基因圖譜”，用于維護和診斷。
??? CANopen在工業、交通、航空、航天和海事領域的應用技術成果，可方便地移植和集成到未來更復雜的汽車系統之中。在電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車中，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，即可做成一種稱之為CANopen SiP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地開發出J1939系統級芯片的基礎上，正在為汽車、船舶行業研發具備自主知識產權的CANopen SiP。CANopen SiP可以連接各種傳感器，實現對車輛、船舶等主要部件的安全性監測。

關于AutoSAR和汽車計算平臺的思考

?? 上世紀50年代航空電子占整個飛機造價的比例約為20%，到上世紀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影響。
??? 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的發展歷史，直到1995年SAE J1939、CANopen等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。
??? 2000年和2005年誕生的LIN聯盟和FlexRay聯盟，均是由著名的汽車廠商和（IT）信息技術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時強調單個部件功能和性能不同的是，汽車（電子）信息產業更關心網絡標準和平臺技術，因為它們決定了行業的發展與興衰。
??? 2002年，寶馬、通用和豐田等10個國際汽車巨頭聯合IBM、TI和NEC等100余家IT、電子和半導體商家共同發起成立汽車開放系統體系架構（組織）AutoSAR（AUTomotive Open System ARchitecture）。AutoSAR由于得到汽車、半導體、軟件廠商的支持，將成為未來汽車軟件設計的開放式標準。AutoSAR是汽車界日趨熱門和成熟的一套軟件體系結構，其主體思想是使得軟件設計開發更易于管理，軟件系統更易于移植、裁剪以及更好的維護性和質量保證。
??? AutoSAR旨在推動建立汽車電氣/電子(E/E)架構的開放式標準，使其成為汽車嵌入式應用功能管理的基礎架構。開放系統架構AutoSAR有助于定義所有汽車共同的ECU和軟、硬件子功能，實現通用功能軟、硬件的標準化，增強設計層面之間的溝通，縮短設計周期，提高安全性和可靠性，降低成本。實際上，AutoSAR是一個資源庫，它儲存了可以共享的標準組件。
??? AutoSAR的成立則是建立在資源共享觀念上，由整車廠、車用電子廠、嵌入式系統與軟件廠、車用半導體廠商及有意進入車用電子產業的新加入者組成。將整體車輛產業供應鏈從上游到下游的參與者納入聯盟的對話平臺，制定車用電子系統軟硬件之間共通的標準，用以解決系統之間的復雜性以及封閉性，這將大幅降低車廠的成本，縮短各階段產品開發的時程；而車用半導體廠商也藉此機會，取得車用電子產品的共通性開發平臺以及標準協議內容，并建立與國際車廠及車用電子廠的合作機會，對于產品切入供應鏈以及降低開發成本將有相當的助益。
??? AutoSAR的目標是：解決汽車功能的可用性和安全性需求；保持汽車計算平臺系統一定的冗余；可以移植到不同汽車的不同平臺上；實現標準的基本系統功能，作為汽車供應商的標準軟件模塊；通過網絡共享軟件功能；集成多個開發商提供的軟件模塊；在產品生命期內更好地進行軟件維護；增強采用“商業現貨供應硬件(Commercial off the shelf hardware)”；進行汽車計算平臺軟件的更新和升級。
??? AutoSAR是一個強健的全球性合作聯盟，它創建了一個公共規則：“在標準上合作，在實現上競爭。” 截止到2007年1月，AutoSAR組織已經頒布100多個標準規范。
??? 2004年9月16日，豐田汽車、日產汽車、豐田通商及其子公司豐通電子等召開記者發布會，宣布日本正式成立了一個與AutoSAR相對應的日本汽車軟件平臺構架JASPAR（Japan Automotive Software Platform and ARchitecture）的車載電子軟件標準化機構。2005年4月，JASPAR就已有日本的汽車電子廠商、電裝OEM廠商、半導體廠商、線材廠商及開發工具廠商等49家公司參加，其目標是API、中間件和汽車網絡技術的標準化，旨在聯手開創汽車計算平臺系統的軟件國際標準之先河。
??? 日本JASPAR在另外一個層面上挑戰AutoSAR，以防歐美形成技術市場的全球壟斷，提出了三個組織任務和功能分配：
??? ·AutoSAR將負責制定軟件架構和API標準、進行概念實證；
??? ·FlexRay聯盟負責制定FlexRay的物理層及其協議和互聯性能實驗等的標準；
??? ·JASPAR負責對上述標準的妥當性進行確認并進行封裝等。
??? 據東風汽車研究院專家提供的消息，針對AutoSAR和JASPAR，韓國政府也正在籌備相對應的組織。汽車行業專家呼吁中國也應盡早成立相對應的組織。有ES專家建議叫做CamoSAR（China Auto Marine Open System ARchitecture)，包括汽車(Auto)、航空（Air）、船舶（Marine）、自動化機械(Automation)等共同的嵌入式軟件和系統開放架構標準聯盟組織。2007年3月12日在南京會議上中國計算機學會(嵌入式系統專業委員會)、中國汽車工程學會（汽車電子技術分會)、中國系統工程學會(信息系統專業委員會)達成共識，面對國家和行業需求不斷提出問題，走聯合創新之路。
??? 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，同時對汽車電子產品規模和經濟性的要求，使研發設計環節變得越來越重要。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，這一點應當引起足夠的思考。
??? 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組織最近提供的信息，在電動發動機、混合動力傳動、房車等方面，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。

汽車計算平臺的標準化問題