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佛瑞亚海拉
随着车辆中电子成分不断增加,以及汽车制造商寻求在车辆中分散电子系统,车载网络或IVN的角色就变得越来越重要了。为了支持分散模型,多种汽车总线系统已经涌现。通常而言,某种汽车总线系统并不能替代另一种;更具体地说,每一种汽车总线系统都与现代汽车中部署的不同电子系统所要求的特定数据通信匹配。
应用必须为符合相应的网络而设计,同时确保不损及操作、可靠性、功率消耗和成本。反过来,电子元件制造商也在开发帮助汽车设计人员实现这些目标的技术,其中最重要的就是通过部署混合信号集成电路(IC)工艺开发针对特定应用的“系统芯片(System-based Chips)”或SBC。
在1980年代中期以前,乘用车中的电子成分微乎其乎,电子控制单元(ECU)相当稀少。大多数功能都是通过点到点连接激活的简单的开/关控制操作。ECU的增加和更分布化的功能创造多元通信的需求。最初各个汽车生产厂商各行其道,开发他们自己的对等(ad-hoc)网络。自1990年代中期以后,大多数汽车制造商都看到多元通信的需求,并开始逐步将网络标准化。
这些网络为汽车制造商带来的众多好处不仅体现在他们的技术能力,还体现在其它方面,如凭借规模经济降低成本、缩短开发时间,以及可有各种供应商产品的选择等。
各种车辆功能在数据率和应用的安全重要程度方面具有不同要求,这导致了几种不同标准网络的涌现和演变。
适应不同网络要求的不同功能
车载网络能够清晰地划分为几个不同组别,每个组别都有不同要求。
动力传动系统(引擎和传动)通常是低延迟闭环控制系统,带有持续的大量数据流,通常约为100kbps。它们需要与其它相同的汽车域交换数据,且冗余要求高。
底盘(悬挂、转向和刹车)也是低延迟闭环控制系统,需要与车辆中的其它系统交换数据。数据以长串大量猝发数据形式流动,数据率约为100kbps。底盘安全很重要,因此良好的网络可靠性和持续性必不可少。
虽然车身舒适功能在车辆功能中占据最大数量,但它们不太影响网络的性能。它们通常传输短猝发较慢的数据,这些数据由驾驶员和乘客因着舒适度动作而输入至控制功能。车身控制网络的主要要求,是必须灵活(如能配合汽车升级)、高度兼容性和低成本。
主动和被动安全(安全气囊、胎压监测等)的网络拥有与极高冗余度和安全相关的低延迟特性。特别是安全气囊已经广泛采用,驾驶员安全气囊成了几乎每部汽车的标配功能。如今,乘客安全气囊、复杂的安全侧气囊和高规格汽车中的其它安全气囊,与驾驶员安全气囊形成了大范围的互补。
远程信息处理系统(无线、导航、娱乐、诊断)需要与外界交换数据,因此必须兼容于非汽车标准。虽然延迟不是特别重要,但远程信息处理系统网络性能能够在车内及与车外交换大量多媒体数据。信息完整性和保密性可是重要。
市场上符合上述五项应用组别要求的主要网络协定是本地互连网络(LIN)和控制器区域网络(CAN)。其它应用程度较低的网络协定包括媒体导向系统传输协定(MOST)和FlexRay。此外,市场上也有众多汽车制造商的专有协定。
常用且每节点成本最低的网络协定是单线(LIN)。凭借(40m线缆上)20kbps的数据率加上良好的灵活性和可扩展性,LIN非常适合于车身电子功能,并被广泛采用。
双线式CAN目前在汽车市场占据主导地位的总线系统。它由博世(Bosch)公司于1980年代早期开发出来,并于1992年首先应用在奔驰汽车之中。虽然它有潜力实现(超过40m线缆上)1Mbps的数据率,但现在普遍的动力传动系统和底盘系统使用的只是500kbps设置。
MOST使用光纤,是一种点到点网络,具有环型、星型或菊花链型等不同拓扑结构。MOST特别针对快速发展的汽车远程信息系统、音频和多媒体应用而开发,支持64个节点,传输速率达24Mbps。
随着线控转向、线控刹车和主动安全系统距离被主流汽车采用的日子不远,FlexRay被定位为适合安全至关重要的动力传动系统和底盘应用的理想网络。FlexRay使用双线光纤,能够处理500kbps~10Mbps的毛数据率,显著高于CAN,但成本也要高得多。
这些网络协议的对比可参见表1。
系统芯片提供集成总线接口
所有车载网络都需要收发器功能设于协定控制器和物理总线之间。为了降低成本和空间要求,同时提升强健性和长期可靠性,尽可能地集成这电路是重要的。得益于近年来出现的混合信号工艺,如安森美半导体的Smart Power高压0.35μm CMOS技术,高压模拟电路如今能够与相同器件中的数字功能共存。安森美半导体的LIN收发器AMIS-40616是新一代的SBC,适合汽车应用,其功能框图如图1所示,典型应用电路如图2所示。
更高的集成度使得系统芯片得以开发。这些系统芯片集成收发器、稳压器和其它许多特性,如旨在省电的看门狗模式和唤醒电路,以及通过热关闭和ESD防护措施进行保护等。SBC有效提供单芯片式解决方案,将所需外部元件数量减少至只不过几个解耦电容。SBC采用小型SOIC封装,器件安设空间可能常常非常狭小,仅占用极小的电路板空间,帮助简化设计流程。另外的好处,是硬连线的连接可靠性已成事实,这硬连线采用的是密封封装,而非印制电路板上的外部连接;这就可以轻易地理解为什么用于车载网络的系统芯片是重要的发展成果。
随着LIN、CAN、FlexRay和MOST等网络在未来几年内被汽车制造商大量应用至不同的车型,SBC由于生来就能够结合模拟和数字功能及这些基于标准的收发器,所以将会越来越受重视。