车载以太网（二）

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在上篇文章，笔者初步介绍了将以太网技术引入汽车网络能够带来的诸多好处。这篇文章笔者将对汽车网络的发展历史做一个简要的介绍，以便使大家能够对汽车网络的技术特点和未来的发展趋势有一定的认识。

        汽车的内部数据通信网络是汽车控制系统的一部分。内部数据通信网络经常与更早存在的在线诊断OBD(On-Board Diagnostics)和排放测试工具混淆在一起。诊断网络使一个ECU或者一组ECU可以与测试工具为了实现不同的目的进行通信，这些目的包括下载新的软件、读取故障码（DTC）、提供排放测试相关的信息、控制系统参数的采集等等，但这些都与汽车控制系统的主要功能无关。这些功能作为一个整体可以称作诊断功能，在通信协议和工作方式上有其独有的特点。最早的诊断网络是由通用汽车在1980年发明的ALDL(Assembly Line Diagnostic Link)。这个点对点的通信网络用来使动力控制单元可以与工厂流水线上的测试工具进行通信。与此同时，大多数的欧洲OEM使用由德国博世公司提供的电子技术，K-Line成为欧洲OEM使用的技术标准。在20世纪80年代中期到后期，许多汽车制造商都有自己的控制器和测试工具之间的通信网络技术。这些诊断网络的一个核心特征是只有当外部的测试工具与车辆进行连接时诊断网络才激活。这一点非常重要，因为在车辆正常运行时处于激活的网络需要满足更严格的技术要求。例如，使用标准4对线缆的100Mb/s以太网不能满足汽车网络对于EMC的技术要求，但它已经用于诊断网络很长时间。此外，诸如网络休眠和电源模式这些重要的功能对于诊断网络系统来说都不是必须考虑的技术，但对于汽车正常运行时需要工作的汽车网络而言却是属于核心技术要求的一部分。

      在各国政府对汽车排放标准日趋严格以及提高汽车燃油经济性的需求驱动下，汽车电子的复杂程度在80年代末期爆发式增长。为了满足这些需求，汽车发动机和变速箱控制器系统需要安装大量的传感器，汽车中ECU的数量也不断地增长。多个ECU需要获取相同的传感器信息，例如发动机转速、冷却液温度等等。为了防止过多冗余的传感器线束连接，多路通信技术引入到汽车中。多路通信意味着来自多个信息源的组合信息通过单一的信息流发送出去；在这种情况下，汽车网络设计为通过相同的数据总线发送多个传感器的信息，这就是最初的用于汽车实时控制系统的车载网络。在早期阶段，这些车载网络主要用来传输执行器和传感器的数据。在80年代中期到末期，绝大多数汽车制造商都开发了某种形式的串行数据总线。通用公司开发了叫作J1850VPW的Class2数据总线；福特公司开发了J1850PWM数据总线；克莱斯勒开发了CCD数据总线（Chrysler Collision Detection）；标致公司和雷诺公司开发了VAN(Vehicle Area Network)；宝马公司开发了I-Bus；丰田公司开发了BEAN（Body Electronics Area Network）。在德国，博世也开发了一种新型数据总线，这种总线在技术文档中将其命名为“Automotive Serial Controller Area Network"，并在1986年的美国底特律SAE congress上进行了展示。在那时，大多数人对车载网络究竟能够对汽车工业产生多大的影响都一无所知。在90年代早期，几乎每一辆在西方世界销售的汽车都具有某种形式的通信网络。博世开发的称作CAN的数据总线已经成为车载网络的首个全球性的汽车工业网络标准。在1990年，戴姆勒奔驰公司（目前叫做戴姆勒）卖出了首辆采用博世公司CAN总线技术的汽车。不久之后，借助于博世公司巨大的市场影响力，几乎每一家德国汽车制造商都使用了CAN总线，并且迅速扩展到整个欧洲汽车制造商。CAN总线随后从欧洲穿越过大西洋来到美国，福特、克莱斯勒和通用公司都将其作为标准车载网络。随着许多日本汽车制造商使用CAN总线技术，CAN总线也在亚洲得到普遍应用。到2005年左右，CAN总线已经在全球的车载网络中占据统治地位。        深入理解CAN总线得到各个汽车公司广泛接受所具有的重要意义是非常重要的。不仅仅是CAN总线技术本身获得了成功，更重要的是CAN总线的广泛使用代表着车载网络技术从专属于各个汽车公司转向使用整个汽车行业都认可的标准网络技术，这使得所有的汽车制造商都可以从使用汽车工业标准网络技术中受益，这包括更清晰的设备需求和设备功能、各个汽车制造商之间的设备兼容性、以及汽车制造商在选择供应商时具有更多的选择和获取更低的价格。从那以后，几乎每一个新的车载网络技术都通过多个公司组成的联盟进行开发，其目的是形成一个像CAN那样得到行业广泛接受的新的车载网络标准。虽然CAN总线在汽车行业取得了成功，但由于其最大1Mb/s的带宽以及非确定性的message传输时间，CAN总线在不长时间后对于一些特定应用显得性能不足。在90年代末，MOST（Media Oriented Serial Transport）公司由宝马、戴姆勒奔驰和OASIS Silicon System（后来被SMSC收购，现在是Microchip公司的子公司）共同创立，其目的是开发一个更好地适用于多媒体应用的新的车载网络。MOST具有更高的带宽，并且能够提供为流数据和流数据同步内建的方法，这是CAN总线所欠缺的。2001年宝马7系是首个使用MOST网络技术的量产车型。MOST网络技术是为了弥补CAN网络的不足，比如CAN网络非常有限的速率。在开发MOST的同时，沃尔沃公司意识到对于某些应用来说CAN总线有些大材小用了，特别是对于车身和舒适性系统。诸如电动后视镜调节、解锁和闭锁车门以及其它类似的简单应用甚至都并不需要CAN总线的通信能力。这种想开发一种低成本简单网络的想法促使了在1998年LIN总线的诞生。LIN总线使用工业标准的UART接口，通过单根线缆进行通信。任何类型的微控制器都很容易支持LIN总线，即使是最廉价的用于低速应用的8位单片机。LIN总线在欧洲逐渐流行起来，并通过LIN总线联盟进行了标准化。在美国LIN总线通过SAE J1602进行了标准化。

        在世纪之交，宝马、戴姆勒克莱斯勒、飞思卡尔和飞利浦导体（目前的NXP）意识到需要开发一种更强健和更高速率的车载网络，这种网络针对安全要求非常苛刻的应用具有内建信息冗余以及严格的实时同步能力。在当时没有车载网络能够具有这种性能，因此这几家公司成立了FlexRay联盟。在2006年，第一款具有FlexRay车载网络的量产车型BMM X6面世，并对FlexRay进行了大肆宣传：具有10Mb/s的传输速率，双冗余网络拓扑和极大提升的同步能力。很多汽车业界人士都认为FlexRay将取代CAN总线成为最主流的车载网络，诸多新成立的工具厂商都去促进这项新技术的发展。尽管FlexRay具有更大的带宽和更优化的时间特性，但它也有明显的缺点。FlexRay的技术实施比CAN复杂太多，这一点使它的接受速度相对预期要慢很多。正当几个大汽车制造商对FlexRay的研究和开发进入实质性阶段时，经济大萧条来临了 。底特律受大萧条的影响远大于其它地方，通用和克莱斯勒都频临破产。为了应对这场生存危机，这几家汽车公司只能搁置对FlexRay技术的研发，这直接导致了这个新网络技术的夭折。

       当这场经济大萧条结束后，宝马公司希望能够提供比当时任何车载网络的带宽高很多并且使用非屏蔽双绞线的网络技术，宝马公司表达了对以太网技术的浓厚兴趣。标准的100Mb/s以太网无法满足汽车EMC的需求，并且它所使用的4对线缆在成本上不具有吸引力。在几年前，博通公司已经开发出了使用单对线缆的叫做BroadR-Reach的以太网物理层方案用于长距离传输，并且具有根据不同线缆长度的可变传输速率。在宝马公司针对汽车EMC技术领域的协助下，博通公司为汽车应用修改了BroadR-Reach。OPEN（One Pair EtherNet）联盟在2011年由博通公司、恩智浦和哈曼共同成立，联盟成立的初衷是促使基于BroadR-Reach的以太网技术形成汽车行业标准。2013年新宝马X5面世，这款车型首次将以太网技术应用于后视摄像头的实时视频信号传输。时至今日，几乎每一个大汽车制造商都是OPEN联盟的成员，并且许多成员公司都有使用以太网车载网络技术的量产车型规划。在2014年，博世和其它OPEN成员共同促进BroadR-Reach技术标准化并且作为IEEE 802.3以太网规范的一部分，最终形成了IEEE   802.3 One Twisted Pair100 Mb/s Ethernet工作组，简称1TPCE(使用罗马数字C代表100)。目前这个标准化工作在代号为P802.3bw的标准下进行。             以太网技术目前看来各方面都发展得非常顺利，并且极有可能成为下一个主流的车载网络技术。MOST非常不幸，因为在最初阶段以太网几乎每一个应用都是针对信息娱乐系统的，并且在很多情况下都完全替代了MOST。MOST联盟的2个创始成员哈曼（世界最大的信息娱乐系统供应商）和宝马公司都是车载以太网技术的最大支持者。长期来看，车载以太网也很有可能替代FlexRay，因为它至少能够提供10倍于FlexRay的带宽。图1展示了车载网络技术发展的各个重要阶段。



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