I.汽车通信和信息技术的发展

传统上，汽车是机械系统。随着信息技术的发展和不断应用，越来越多的电子和信息技术被应用于汽车。几乎所有的总成和系统都已成为机电一体化信息系统，越来越多基于信息技术的功能和装置应运而生。车载信息系统和信息技术是汽车新技术中最重要的组成部分。几乎所有汽车新技术的增长点都与电子技术和信息技术有关。车载电子和信息系统的不断增加催生了车载网络通信技术。基于互联网的物联网的发展，必然导致车联网，实现车与车、车与路、车与人、车与服务中心之间的互联，使汽车成为全球互联网的移动网络的一部分，如图 1-1 所示。随着汽车智能化的发展以及智能控制和智能感知能力的提高，汽车的自主工作能力将不断提高。

1.开发车载网络技术

随着汽车电子技术的不断发展，汽车电子设备的数量也在迅速增加。随着电子元件价格的降低，电子技术向低端汽车延伸的速度也非常快。现在，汽车中几乎每一个总成都是机械、电子和信息装置的集成。在系统中，电子和信息部件所起的作用越来越重要，以至于有人认为，汽车正在从拥有大量电子技术和装置的机械系统向由某些机械装置支持的电子信息系统转变。随着汽车电子信息设备的不断增加，连接这些设备的电子电路也在迅速扩展。因此，在电子设备不断增加的情况下，如何有效地实现这些设备之间的互连成为一个必须解决的问题。采用传统的点对点并行连接方式显然无法摆脱这一困境，基于串行信息传输的网络结构成为必然选择。另一方面，随着汽车电子化的深入，基于网络通信的线控（CBW）技术将在汽车上得到广泛应用，这也是网络技术需求的另一个原因。所谓线控，是指用电子信息传输方式取代原来由机械、液压或气动系统连接的传动部件，如换挡杆、油门拉索、转向器传动机构、制动油路系统等。线控技术不仅涉及这些连接方式的改变，还涉及控制机构和控制方法的改变以及执行器的改变（电气化）。线控技术的广泛应用将形成一种全新的汽车结构。图 1-2 显示了线控过程的基本原理。控制意图通过人机界面转换成电信号，并传输给执行器，执行器控制功能装置；传感器感知功能装置的状态，并将电信号传输到人机界面，向驾驶员提供反馈。线控系统需要在人机界面、执行器和传感装置之间以及与其他系统之间传输大量信息。基于串行通信的网络技术是实现这种通信功能的最佳结构。线控技术要求网络具有良好的实时性和高可靠性，有些线控部件需要冗余的 "功能实现"，以确保在发生故障（失效运行）时仍能实现设备（组件）的基本功能。就像目前的防抱死制动系统（ABS）和动力转向系统一样，当电路出现故障时，它们仍能实现基本的制动和转向功能。这就要求用于线控的网络具有高数据传输速度、良好的时间特性（通信事件发生的时间是确定的）、高可靠性和必要的冗余技术，这些也是汽车网络的特点。在汽车上使用网络的最根本原因是社会对计算机网络的需求，以及基于这种网络的各种事物之间的互联。智能交通系统下的互联智能汽车的发展趋势，必然会使汽车成为互联网上的终端或移动网络。在智能交通系统中，汽车应具有接收和提供相关信息的功能，如接收定位信号、提供地理信息服务、接收管理信息、发送车辆状态信息、提出安全服务请求等。随着智能交通系统向网络物理一体化发展的趋势，远程访问车辆、远程控制、通过网络获取的多种信息与车辆控制相结合、自主智能操作等功能也将不断完善。要完成这些功能的要求，需要强大的通信能力、计算能力和数据共享功能，这也是计算机网络最基本的功能。基于计算机网络的通信以及基于这种能力的新技术和应用已成为汽车最重要的关键技术之一，并正在迅速发展，改变着汽车的 "基因"。目前，在车辆中，信息服务部分往往与车载媒体系统共用一个网络，即媒体与信息网络，而控制部分则拥有相对独立的网络。随着网络-物理一体化的发展，车载网络的分工不断被打破和重组，信息流和控制流的载体网络可能会被整合。早期的车载网络并没有开发自己的通用网络标准，而是采用了一些现有的传统标准，如 UART（通用异步接收器/发送器）。汽车制造商也主要沿袭传统的汽车技术发展模式，根据需求和自身基础开发网络系统，对外合作少，开放性差。汽车网络系统以及应用网络的控制和信息单元往往有多个不同的来源，因地区或制造商的不同而有不同的规格。然而，网络技术本身具有依赖于标准的特性。为了降低安装成本，提高设计和维护的便利性，必然要求车载网络形成和采用行业标准，并与信息和电子行业密切合作，形成开放式结构。随着合作信心的增强和合作效益的提高，这种通过汽车行业内部以及与电子元件和信息技术公司合作采用开放标准的趋势越来越明显。与汽车网络连接的产品，如传感器、执行器和控制单元，可能来自许多不同行业的制造商。这种标准化有利于整合来自不同组件或设备制造商的产品，也有利于提高设计、装配和维护的可操作性。有了统一的标准，就可以在设计过程中为尚不存在的设备或可更换的设备预留接口，最明显的就是汽车软件接口（目前汽车的嵌入式系统硬件水平足以支持相对独立的软件，而软件应被视为汽车的一个组件或总成）。这种标准化产生了所谓的开放式架构，即某些技术标准以及对这些标准的认可和遵守。车载网络真正开始应用于汽车是在 20 世纪 80 年代。20 世纪 90 年代，连接一些电子控制单元（包括故障诊断系统）的车身网络和控制网络开始广泛应用于不同车型。应用最广泛、支持技术和组件最丰富的标准是 CAN（控制器局域网）和 SAE J1850。20 世纪 90 年代，车载媒体网络、线控系统网络和智能交通系统网络还处于早期阶段，网络协议、配套软硬件技术和组件大多处于试制阶段。一些大型汽车公司出于技术原因和集团利益考虑，对网络协议标准有不同的选择。线控系统网络协议主要有两种选择：一种是TTP/C（Time Triggered Protocol，SAE Class C，即符合SAE Class C网络的时间触发协议），目前奥迪、大众、霍尼韦尔、德尔福等公司倾向于选择该协议作为线控网络的协议标准；另一种是FlexRay，这是一种同时支持时间触发和事件触发访问方式的协议。目前，宝马（BMW）、摩托罗拉（Motorola）、飞利浦半导体（Philips Semiconductor）、博世（Bosch）和通用汽车（GM）都倾向于选择该协议作为线控网络的协议标准。为了弥补 CAN 事件触发访问方法在实时控制应用中的缺陷，博世还推出了支持时间触发访问方法的 CAN 协议 TTCAN。对于专用的车载媒体网络，MOST（面向媒体的系统传输）标准已被一些高端汽车所采用。随着车载电子控制和信息设备以及信息服务需求的不断增加，对更好、更快、更可靠的车载网络设施的要求也在不断提高。特别是随着多媒体信息、电子地图、互联网络信息等在汽车上的应用，总线网络难以满足带宽和信息传输格式的要求。在此背景下，支持多媒体和高数据传输的车载网络技术开始出现，其中包括 汽车以太网 就是一个典型代表。汽车以太网继承了以太网传输速度快、可扩展性强等优点，一经推出便受到广泛关注。推动汽车以太网标准制定和普及的 "OPEN（One-Pair Ether-Net）联盟小组 "的成员正在迅速增加。OPEN Alliance SIG 的快速发展是基于汽车行业使用车载以太网的趋势。2008 年前后，以太网开始实际应用于汽车车载诊断系统（OBD）。未来，以太网在提高实时性、确保故障时的安全性、降低成本和提高数据传输速度的同时，还将进一步扩大其应用范围。以太网的应用范围可能会扩展到连接车载 AV 设备图像传输（信息）系统、车身系统、控制系统、安全系统和信息系统等各种系统网关的主干网络。目前，一些基于以太网的汽车网络标准已经出现，并在不断完善和部署，主要包括用于信息和媒体的 AVB（音视频桥接）以及具有良好实时性的 TTE 系统。车载网络的应用不仅涉及汽车上各种电子设备之间的硬件连接，还涉及与网络相关的软件，这些软件必然成为每个控制单元软件的一部分。汽车软件系统将很快成为一个相对独立的部分，它们与汽车（汽车上的电子系统）的关系将逐渐发展成与当前计算机软件和硬件系统的关系一样。车载应用系统将能直接调用嵌入式操作系统中的网络功能服务程序和其他通用服务功能软件（或固件）。汽车软件设计在汽车设计中的重要性将不亚于发动机设计、底盘设计或车身设计。尽管车载网络技术已得到广泛应用，但仍有许多工作要做，以满足进一步的要求。目前，还没有一个网络系统能满足低成本、非常可靠的性能、容错能力、良好的时间特性（包括实时性能和确定性事件响应时间）和良好的可扩展性等要求。由于车载网络应用的级别和目的差异很大，不同级别或目的对网络性能的要求也大不相同。汽车本身对价格非常敏感。如果用高性能的网络系统来覆盖低级别的应用，其成本是无法接受的。因此，汽车将在不同层次上采用多种网络标准。这就决定了汽车网络将是一个多级互联的网络结构。

2.车载信息技术的发展

车载信息娱乐系统是基于计算机、卫星定位、网络通信、电子和控制技术的软件和硬件系统，可为汽车提供安全、环保、舒适和娱乐功能及服务。它们已成为现代汽车的组成部分，在汽车工程和汽车应用中发挥着越来越重要的作用。车载信息系统从高到低可分为四个层次：客户层、服务层、通信层和车载层。目前，车载电子信息技术主要用于车辆安全系统、网络、通信和导航系统、移动多媒体系统以及人机交互系统。(1) 车辆安全系统通过应用电子信息技术，车辆实现了高度智能化，大大提高了车辆人机系统的安全性，避免了事故的发生，降低了伤害程度。

1. 自适应巡航控制系统：自适应巡航控制系统可控制车辆，并在设定所需的较低车速后，使用雷达、声纳或激光束扫描前方道路。必要时，自适应巡航控制系统会自动减小油门开度、降挡，甚至踩下刹车，以保持安全的跟车距离。梅赛德斯-奔驰 S 级 2000 车型是世界上第一款配备自适应巡航控制系统的车型，此后其他公司也相继推出了自己的自适应巡航控制系统。

2. 碰撞预警系统和碰撞通知系统：其工作原理与自适应巡航控制系统类似，利用雷达、声纳和激光束扫描潜在障碍物。当存在碰撞风险时，它会发出警告信号并采取自动制动措施。如果与 GPS 接收器结合使用，碰撞通知系统还能向救援机构提供车辆的精确位置信息。

3. 综合安全系统：该系统由 50 项技术组成，包括电子设备、微控制器、传感器以及已经或即将推出的其他技术和产品。该系统依托先进的电子技术和集成专长，关注驾驶的方方面面，如帘式头部安全气囊、安全带预紧和超紧装置、自适应吸能转向柱、主动式护膝等，调动车辆上的所有安全因素，为车内乘员提供全方位、全过程的保护。

4. 被盗车辆追回系统：这种技术提供了一种基于车辆自动跟踪的防盗方法。一些被盗车辆追回系统需要车主授权才能启动发射器进行车辆自动跟踪，而另一些系统则在车辆被入侵或未经许可被开走时自动启动发射器进行车辆跟踪。

(2) 网络、通信和导航系统

1. 网络和通信系统：该系统允许驾驶员通过笔记本电脑和无绳电话接收网络新闻、电子邮件和其他信息，而无需将视线从前方道路或双手从方向盘上移开，并通过语音控制将这些信息传送给驾驶员。人们只需触摸方向盘上的按钮即可启动它。这种车载网络通信可通过两种方法实现：一种是通过数字显示屏读取电子邮件文本，另一种是将文本文件转换为语音文件，用电子语音读取电子邮件内容。电子邮件回复可以音频文件格式发送，或在发送前通过语音识别系统转换成文本文件。

2. 电子导航系统：车载导航系统的 GPS 导航功能非常出色，可以帮助驾驶员在复杂的城市交通路网中及时、快速地到达目的地。通过多层引导菜单，可方便地按地区、城市和设施功能分类选择目标。导航系统会立即计算出最短的行车路线，并以线条的形式显示在二维或三维电子地图上。汽车启动后，代表汽车实时位置的符号会自动沿着设定的路线行驶。当遇到前方交通堵塞或需要更改行驶路线的意外情况时，卫星导航系统会自动复位，并在数秒内自动设定新的行驶路线，恢复导航功能。

3. 实时交通信息咨询系统：实时交通信息咨询系统是一种适合熟悉交通路线的人使用的车载导航设备。传输实时交通信息的方法有很多种。通过音频系统收听实时交通信息的 RDS 系统早已出现。现在，一些公司在互联网上推出了实时交通信息跟踪服务，可以在离开办公室或家之前使用计算机进行查询。目前正在开发的最先进的实时交通咨询系统是由车载导航系统发送数字脉冲信息，这些信息或显示在区域地图上，或用于计算其他可行路线。

(3) 移动多媒体系统移动多媒体技术主要用于开发后座娱乐系统。这种后座视听技术包括全彩屏、游戏设备、DVD 播放器、电源、CD 播放器、录像机和播放器。移动多媒体技术还体现在智能无线产品、远程通信设备和信息处理产品上，包括提供支持多种语言的语音识别系统，让驾驶员无需手动操作即可控制智能信息/娱乐系统，解放双手控制方向盘。它还可以将互联网功能集成到汽车中，使人们可以在车内浏览网页、收发电子邮件和进行股票交易。同时，利用 "即插即用 "的方式，汽车消费者可以方便快捷地更新多媒体产品，享受更丰富的新服务。(4) 人机交互系统汽车中最经典的人机交互系统是汽车仪表和各种车载设备的控制系统。随着汽车信息化程度的不断提高，驾驶员获取信息的方式和途径都发生了很大变化。基于各种新型数字显示技术和新型信息传递方式的仪表盘在汽车上不断涌现，控制方式也从各种开关按钮发展到触摸屏、语音等多种方式。未来车载信息技术的高度发展和优越性不仅体现在车载功能和车载软硬件技术上，还体现在创造全新的用户体验上。汽车将成为富含各种信息功能的移动设备，是信息技术又一个具有广阔应用前景的领域。信息技术的发展水平及其在汽车工业领域的应用状况，决定了其在未来全球汽车工业竞争中的地位。车载信息技术将成为衡量汽车技术整体水平的重要指标，也将成为智能汽车技术的基础。

II.导言车辆网络s

美国汽车工程师学会（SAE）将车载网络系统从低性能到高性能分为 A 级、B 级和 C 级网络。随着导航、多媒体和安全系统在汽车中的应用，对网络可靠性和带宽提出了更高的要求。按照 SAE 的分类方法，增加了 D 级和 E 级网络，如表 1-1 所示。表 1-1 车载网络分类

1. A 类网络主要应用于要求低价格、低数据传输速度、实时性和可靠性的场合，如车身系统中的门、窗和行李箱网络系统。A 类网络还可用作底层本地连接总线，用于某些传感器级和执行器级应用。

2. B 类网络用于对数据传输速度要求较高的系统，包括一些车身控制系统、仪表板、低级实时控制系统和故障诊断系统 (OBD)。

3. C 类网络主要用于可靠性和实时性要求较高的系统，如发动机和动力系统的高级实时控制系统以及线控系统。

4. D 类网络主要面向多媒体和导航系统领域。目前，D 类网络的主流协议包括 IDB-1394、MOST 和汽车以太网 AVB。

5. E 类网络主要应用于安全性和实时性要求较高的控制系统。主流网络包括 FlexRay 和汽车以太网 TTE。

本地互连网络（LIN）是一种汽车低端网络协议，由汽车制造商奥迪、宝马、戴姆勒-克莱斯勒、沃尔沃和大众，以及零部件制造商摩托罗拉和开发工具公司 VCT（火山通信技术）于 1998 年联合发起。LIN 标准不仅定义了通信协议，还定义了开发工具接口和应用软件接口（API）。其目标是提供廉价的底层传感器和执行器级本地网络标准。LIN 联盟不仅提出了协议标准，还包括开发工具和 API 标准，为汽车设计用户提供了便利，并为未来的汽车网络标准化工作提供了范本。LIN 协议标准基于串行通信接口 (SCI)，物理层符合汽车故障诊断标准 ISO 9141，满足汽车环境中的电磁兼容性 (EMC) 和静电放电 (ESD) 要求。传统上使用 LIN 总线网络的部件正逐渐被低速 CAN 网络所取代。博世提出的 CAN 标准首先在欧洲汽车上得到广泛采用。后来，美国和日本的汽车公司也将其用作 B 级或 C 级车载网络。CAN 是应用最广泛的汽车网络标准之一，也被许多其他行业所采用。最不发达国家和 汽车以太网 AVB 是面向车载多媒体系统连接的标准。由于媒体信息音频和视频传输的数据量大，与车载控制网络相比，需要更高的传输速度（带宽）。一般来说，物理层介质需要使用光纤或同轴电缆，考虑到成本因素，双绞线也被广泛使用。FlexRay 和汽车以太网 TTE 标准提供了时间触发的车载网络标准，在实时性能和安全性方面更适合车载线控系统。无线本地通信技术在汽车车身控制系统或媒体系统中也有一些应用，例如基于蓝牙技术的车载设备。汽车以太网保留了以太网传输速度快、可扩展性强的特点。未来的汽车以太网信号传输速度可提高到 1Gbit/s。在可扩展性方面，当支持通信设备和消费类产品常用的 TCP/IP 时，与外部网络设备和网络服务的连接在通信和应用功能方面非常方便。随着协议在汽车应用需求方面的不断改进，它们将越来越多地应用于车载控制和信息系统。由于车辆类型的多样性和车载网络技术的不断发展，应用于车辆的网络系统有多种标准。如果把飞机、轮船、农业机械和其他与汽车有一些共同特点（长距离移动、相对独立、自带电源）的独立移动和运载工具也包括在内，那么网络标准就不下几十种。其中许多网络应用于不同的领域。例如，CAN 用于汽车、越野车、飞机和其他领域。表 1-2 列出了一些应用于车载系统的网络系统标准。

III.车载网络和信息系统的特点

汽车要求安全、易用、操作简单、性能可靠，而且对价格非常敏感。汽车的应用环境可能十分恶劣，几乎会遇到所有可能的道路、电磁和气候环境。根据汽车的这些使用要求，汽车系统设计应考虑以下因素：

1. 温度范围一般要求在 -40~125°C 之间。

2. 油、水、盐雾、灰尘和可能的化学腐蚀性物质的影响。

3. 机械振动、碰撞和冲击的影响。

4. 电磁兼容性问题。系统必须能够承受外部电磁干扰，并且不得对环境造成电磁干扰（家庭环境中的电磁场为 3V-m-¹，工厂环境中的电磁场为 10V-m-¹，汽车环境中的电磁场可能大于 200V-m-¹）。

5. 环境保护问题。运行过程中的排放物（包括声、光、电磁、油和气体）必须符合环保要求，以及报废时的部件和车辆处理问题。

6. 可能出现的故障和误操作，如电源反接、线端松动、短路/开路、摩擦等，应尽量减少损失。

7. 应充分考虑事故发生时的保护措施或安全影响。

8. 任何部件都必须确保高可靠性，在规定的使用寿命内出现故障的概率要足够小。

9. 大规模生产成本。

车载网络系统还应考虑以下因素：

1. 节点到总线连接头的电气和机械特性以及连接头的数量。

2. 网络系统和应用系统的评估和性能测试方法。

3. 容错和故障恢复问题。

4. 实时控制网络的时间特性。

5. 网络布线生产过程和使用维护过程的安全。

6. 增加网络节点和软件/硬件更新（可扩展性）。

7. 通信协议和信息安全。