I.汽車通訊與資訊科技的發展

傳統上，汽車是機械系統。隨著資訊技術的發展和不斷應用，越來越多的電子和資訊技術被應用在汽車上。幾乎所有的總成和系統都已經成為集成的機電-資訊系統，並且出現了越來越多的基於資訊技術的功能和裝置。車載資訊系統和資訊技術是汽車新技術中最重要的部分。幾乎所有汽車新技術的成長點都與電子技術和資訊技術有關。越來越多的車載電子和資訊系統催生了車載網路通訊技術。以互聯網為基礎的物聯網的發展，必然導致車載網絡化，實現車與車、車與路、車與人、車與服務中心之間的互聯，使汽車成為全球互聯網的移動網絡的一部分，如圖 1-1 所示。隨著汽車智能化的發展和智能控制、智能感知能力的提高，汽車的自主工作能力將不斷提高。

 

1.車載網路技術的發展

隨著汽車電子技術的不斷發展，汽車電子設備的數量也在快速增加。隨著電子元器件價格的降低，電子技術向低端汽車延伸的速度也非常快。現在，汽車中幾乎每個總成都是機械、電子和資訊裝置的集成。在系統中，電子、資訊部件所扮演的角色越來越重要，以至於有人認為汽車正在從大量採用電子技術和器件的機械系統向由一定的機械器件支持的電子資訊系統轉變。汽車中電子資訊裝置的不斷增加，使得連接這些裝置的電子電路迅速擴大。因此，在電子設備不斷增加的條件下，有效地實現這些設備的互聯已經成為一個必須解決的問題。採用傳統的點對點並行連接方式顯然無法擺脫這一困境，基於串行資訊傳輸的網路結構已成為必然的選擇。另一方面，隨著汽車電子化的深入，基於網路通信的線控（Control By Wire，CBW）技術將在汽車上廣泛應用，這是對網路技術需求的另一個原因。所謂線控，是指利用電子資訊傳輸取代以往由機械、液壓或氣壓系統連接的傳動部件，如換檔桿、節氣門拉索、轉向齒輪傳動機構、制動油路系統等。線控技術不僅涉及這些連接方式的改變，還涉及控制機構和控制方式的改變以及執行器的改變（電氣化）。線控技術的廣泛應用，將形成全新的汽車結構。圖 1-2 顯示了線控流程的基本原理。控制意圖通過人機介面轉換為電子信號，傳送到執行器，執行器控制功能裝置；感測器感知功能裝置的狀態，並將電子信號傳送到人機介面，向駕駛員提供反饋。線控系統需要在人機介面、執行器和感測機構之間以及與其他系統之間傳輸大量資訊。基於序列通訊的網路技術是實現此通訊功能的最佳結構。線控技術要求網路具有良好的即時性能和高可靠性，有些線控部件需要冗餘的 「功能實現」，以確保在發生故障時（Fail-Operational）仍能實現裝置（組件）的基本功能。就像目前的 ABS（防鎖死煞車系統）和動力轉向系統，當電路故障時，它們仍具有基本的煞車和轉向功能。這就要求用於線路控制的網路具有高資料傳輸速度、良好的時間特性（通訊事件發生的時間是確定的）、高可靠性以及必要的備援技術，這些也是汽車網路的特點。在汽車上使用網路的最根本原因是社會對電腦網路的需求，以及基於電腦網路的各種事物的互聯。智能交通系統下互聯智能汽車的發展趨勢，必然使汽車成為互聯網上的端點或移動網絡。在智慧型運輸系統中，汽車應具有接收及提供相關資訊的功能，如接收定位訊號、提供地理資訊服務、接收管理資訊、發送車輛狀態資訊、提出安全服務請求等。隨著智慧型運輸系統朝向網路-物理整合的趨勢，車輛的遠端存取、遠端控制、透過網路獲得的多元資訊與車輛控制的結合、自主智慧型操作等功能也將不斷提升。要完成這些功能的需求，需要強大的通訊能力、運算能力、資料分享功能，這些也是電腦網路最基本的功能。以電腦網路為基礎的通訊，以及以這種能力為基礎的新技術和新應用，已經成為汽車最重要的關鍵技術之一，並正在快速發展，改變著汽車的 「基因」。目前在車載中，資訊服務部分往往與車載媒體系統共用一個網路，即媒體與資訊網路，而控制部分則擁有相對獨立的網路。隨著網路-物理整合，車載網路的分工正不斷被打破和重組，資訊流和控制流的載體網路可能會被整合。早期的車載網路並沒有發展自己的通用網路標準，而是採用一些現有的傳統標準，例如 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）。汽車製造商也主要沿用傳統的汽車技術發展模式，根據需求和自身基礎開發網絡系統，外部合作少，開放性差。應用網路的汽車網路系統與控制、資訊單元往往有多種不同的來源，因區域或廠商的不同而有不同的規格。然而，網路技術本身具有依賴於標準的特性。為了降低安裝成本，提高設計與維護的便利性，必然要求車載網路形成並採用產業標準，並與資訊、電子產業緊密合作，形成開放式的結構。隨著合作信心的增強和合作產生效益的提高，這種通過汽車行業內部以及與電子元器件、資訊技術公司合作採用開放標準的趨勢日益明顯。汽車中連接至網路的產品，例如感測器、致動器和控制單元，可能來自許多不同產業的製造商。這種標準化有利於整合來自不同元件或裝置製造商的產品，也有利於設計、組裝和維護的可操作性。有了統一的標準，在設計時就可以為尚未存在的裝置或可替換的裝置預留介面，最明顯的就是汽車軟體介面（目前汽車的嵌入式系統硬體水平足以支援相對獨立的軟體，在汽車上應視為元件或組件）。這種標準化已經產生了所謂的開放式架構，也就是某些技術標準以及對這些標準的認可與遵守。車載網路真正開始應用於車輛是從 1980 年代開始。20 世紀 90 年代，車身網路和連接部分電子控制單元（包括故障診斷系統）的控制網路開始廣泛應用於不同車型。目前應用最廣、支援技術和元件最豐富的標準是 CAN (Controller Area Network) 和 SAE J1850。20 世紀 90 年代，車載媒體網路、線控系統網路、智慧型運輸系統網路仍處於早期階段，網路協定、支援的軟硬體技術、元件大多處於試產階段。一些大型汽車公司基於技術原因和集團利益考量，對網路協定標準有不同的選擇。線控系統網路協定主要有兩種選擇：一種是 TTP/C（Time Triggered Protocol，SAE Class C，即符合 SAE Class C 網路的時間觸發協定），目前 Audi、Volkswagen、Honeywell、Delphi 等公司傾向於選擇此協定作為線控網路的協定標準；另一種是 FlexRay，此協定同時支援時間觸發與事件觸發的存取方式。目前，BMW、Motorola、Philips Semiconductor、Bosch、GM 等公司都傾向選擇此通訊協定作為線控網路的通訊協定標準。為了彌補 CAN 事件觸發存取方法在即時控制應用上的缺陷，博世也推出了支援時間觸發存取方法的 CAN 通訊協定 TTCAN。針對專用的車載媒體網路，MOST (Media Oriented System Transport) 標準已應用於部分高階車輛。隨著車載電子控制與資訊設備、資訊服務需求的不斷增加，對於更好、更快、更可靠的車載網路設施的要求也在不斷提高。尤其是多媒體資訊、電子地圖、網際網路資訊等在汽車上的應用，匯流排網路已經很難滿足頻寬與資訊傳輸格式的需求。在此背景下，支援多媒體、高資料傳輸的車載網路技術開始湧現，其中 車用乙太網路 是一個典型的代表。車用乙太網路承襲了乙太網路傳輸速度快、擴充性強等優點，自推出以來便受到廣泛的關注。以促進車用乙太網路標準的制定與普及為宗旨的「OPEN (One-Pair Ether-Net) Alliance SIG」成員數量迅速增加。OPEN Alliance SIG 的快速成長是基於汽車產業使用汽車乙太網路的趨勢。乙太網路在 2008 年左右開始實際應用於車載診斷 (OBD)。未來，在提高即時效能、確保故障時的安全性、降低成本、提高資料傳輸速度的同時，將進一步擴大其應用範圍。乙太網路的應用範圍可能會延伸至連結車載 AV 設備影像傳輸 (資訊) 系統、車身系統、控制系統、安全系統、資訊系統等各種系統閘道的骨幹網路。目前，一些基於乙太網路的汽車網路標準已經出現，並在不斷地完善和部署中，主要包括針對資訊和媒體的 AVB (Audio Video Bridging)，以及具有良好即時特性的 TTE 系統。車載網路的應用不僅涉及到汽車上各種電子設備之間的硬體連接，還涉及到與網路相關的軟體，而這些軟體必然會成為每個控制單元中軟體的一部分。汽車軟體系統很快將成為相對獨立的部分，其與汽車（汽車上的電子系統）的關係將逐漸發展成與目前電腦軟體與硬體系統的關係相同。車載應用系統將能直接呼叫嵌入式作業系統中的網路功能服務程式和其他一般服務功能軟體（或韌體）。汽車軟體設計在汽車設計中的重要性將與引擎設計、底盤設計或車身設計同等重要。儘管車載網路技術已被廣泛應用，但要達到進一步的要求仍有許多工作要做。目前，還沒有一個網絡系統能夠滿足低成本、非常可靠的性能、容錯能力、良好的時間特性（包括實時性能和確定的事件回應時間）以及良好的可擴展性等要求。由於車載網路應用的層級與目的有很大的差異，不同的層級或目的對網路效能的要求也有很大的不同。汽車本身對於價格非常敏感。如果使用高效能的網路系統來涵蓋低階應用，其成本是無法接受的。因此，汽車將有多種不同層次的網路標準。這就決定了汽車網路將是一個多層次互聯的網路結構。

2.車載資訊技術的發展

車載資訊娛樂系統是以電腦、衛星定位、網路通訊、電子及控制技術為基礎的軟硬體系統，為汽車提供安全、環保、舒適及娛樂功能和服務。它們已經成為現代汽車的組成部分，在汽車工程和汽車應用中發揮著日益重要的作用。車載資訊系統由高到低可分為四層：客戶層、服務層、通訊層及車載層。目前，車載電子資訊技術主要應用於車輛安全系統、網路、通訊及導航系統、行動多媒體系統、人機互動系統等。(1) 車輛安全系統通過應用電子資訊技術，車輛實現了高度智能化，大大提高了車輛人機系統的安全性，避免了事故的發生，降低了傷害程度。

1. 自適應巡航控制系統：自適應巡航控制系統可控制車輛，並在設定所需的較低交通行駛速度後，利用雷達、聲納或雷射光束掃描前方道路。必要時，自適應巡航控制系統會自動降低油門開度、降檔，甚至煞車，以維持安全跟車距離。Mercedes-Benz S-Class 2000 車型是全球第一部配備自適應巡航控制系統的車輛，之後其他公司也陸續推出各自的自適應巡航控制系統。

2. 碰撞警示系統和碰撞通報系統：其工作原理類似自適應巡航控制系統，使用雷達、聲納和雷射光束掃描潛在障礙物。當有碰撞的危險時，它會發出警告信號，並採取自動煞車的動作。當與 GPS 接收器結合使用時，碰撞通報系統還可將車輛的精確位置資訊提供給救援機構。

3. 綜合安全系統：該系統由 50 項技術組成，包括電子設備、微控制器、感測器以及其他已經或即將推出的技術和產品。該系統依托先進的電子技術和集成專業知識，針對駕駛的各個環節，如簾式頭部安全氣囊、安全帶預緊和過緊裝置、自適應吸能轉向柱、主動護膝等，動員車輛上的所有安全因素，為車內乘員提供全方位、全場域的保護。

4. 被盜車輛追尋系統：此技術提供基於車輛自動追蹤的防盜方法。有些被盜車輛追回系統需要車主授權才能啟動發射器進行車輛自動追蹤，而其他系統則會在車輛被入侵或未經許可而駛離時自動啟動發射器進行車輛追蹤。

(2) 網路、通訊及導航系統

1. 網路與通訊系統：此系統可讓駕駛人透過筆記型電腦和無線電話接收網路新聞、電子郵件和其他資訊，而無須將視線從前方道路移開或雙手離開方向盤，並透過語音控制將這些資訊傳送給駕駛人。人們只需輕觸方向盤上的按鈕即可啟動。這種車內網路通訊可透過兩種方式來實現：一種是透過數位顯示器來讀取電子郵件文字，另一種是將文字檔轉換為語音檔，以電子語音來讀取電子郵件內容。電子郵件回覆可以語音檔格式傳送，或在傳送前透過語音辨識系統轉換成文字檔。

2. 電子導航系統：車載導航系統的 GPS 導航功能非常傑出，可協助駕駛人在複雜的都市交通路網中及時快速抵達目的地。利用多層導航選單，可依區域、城市、設施功能分類，方便地選擇目標。導航系統會立即計算出最短的行車路線，並以線條的形式顯示在二維或三維電子地圖上。當汽車啟動後，代表汽車即時位置的符號會自動沿著設定的路線前進。當遇到前方塞車或突發狀況需要更改行車路線時，衛星導航系統會自動重設，並在幾秒鐘內自動設定新的行車路線，恢復導航功能。

3. 即時交通資訊諮詢系統：即時交通資訊諮詢系統是一種適合熟悉交通路線人士使用的車輛導航裝置。即時交通資訊的傳輸方式有多種。依靠通過音頻系統收聽實時交通資訊的 RDS 系統由來已久。現在已有公司在網際網路上推出即時交通資訊追蹤服務，可以在離開公司或家之前使用電腦查詢。目前正在開發的最先進的即時交通諮詢系統，是由車載導航系統傳送數位脈衝資訊，顯示在區域地圖上或用來計算其他可行路線。

(3) 行動多媒體系統行動多媒體技術主要用於開發後排座位娛樂系統。這種後座影音技術包括全彩螢幕、遊戲設備、DVD 播放器、電源供應器、CD 播放器、錄影機和播放器。行動多媒體技術還體現在智慧型無線產品、遠端通訊設備、資訊處理產品上，包括提供支援多國語言的語音辨識系統，讓駕駛者不需手動操作即可控制智慧型資訊/娛樂系統，解放雙手控制方向盤。也可將網際網路功能整合至車內，讓人們在車內瀏覽網頁、收發電子郵件、進行股票交易等。同時，利用「隨插即用」的方式，汽車消費者可以方便快捷地更新多媒體產品，享受更豐富的新服務。(4) 人機互動系統汽車中最經典的人機互動系統就是汽車儀表和各種車載設備的控制系統。隨著汽車信息化程度的不斷提高，駕駛者所獲取的信息和獲取信息的方式都發生了很大的變化。基於各種新型數位顯示技術的儀錶板和新的信息傳遞方式在汽車上不斷出現，控制方式也從各種開關按鈕發展到觸摸屏、語音等方式。未來車載資訊技術的高度發展性和優越性不僅體現在車載功能和車載軟硬體技術上，還體現在創造全新的用戶體驗上。汽車將成為富含各種資訊功能的移動設備，是資訊技術另一個具有廣闊應用前景的領域。資訊技術在汽車產業領域的發展水平和應用狀況，決定了其在未來全球汽車產業競爭中的地位。車載資訊技術將成為衡量汽車技術整體水平的重要指標，也將成為智能汽車技術的基礎。

II.入門車輛網路s

美國汽車工程師學會 (Society of Automotive Engineers, SAE) 將車載網路系統從低性能到高性能分為 Class A、Class B 和 Class C 網路。隨著導航、多媒體和安全系統在汽車上的應用，對網路可靠性和頻寬提出了更高的要求。依照 SAE 的分類方法，新增了 Class D 和 Class E 網路，如表 1-1 所示。表 1-1 車載網路分類

1. A 類網路主要應用於要求低價格、低資料傳輸速度、即時效能和可靠性要求的情況，例如車身系統中的門、窗和行李箱網路系統。A 類網路也可作為底層局部連接匯流排，用於某些感測器層級和致動器層級的應用。

2. B 類網路用於對資料傳輸速度要求較高的系統，包括一些車體控制系統、儀錶板、低階即時控制系統和故障診斷系統 (OBD)。

3. C 類網路主要用於可靠性和即時性要求較高的系統，例如引擎和動力傳動系統的高階即時控制系統，以及線路控制系統。

4. D 類網路主要面向多媒體和導航系統領域。目前 D 類網路的主流通訊協定包括 IDB-1394、MOST 及汽車乙太 AVB。

5. E 類網路主要應用於安全性和即時性要求較高的控制系統。主流網路包括 FlexRay 和 Automotive Ethernet TTE。

Local Interconnect Network (LIN) 是 1998 年由汽車製造商 Audi、BMW、Daimler-Chrysler、Volvo 和 Volkswagen 與元件製造商 Motorola 和開發工具公司 VCT (Volcano Communications Technologies) 共同發起的汽車低端網路通訊協定。LIN 標準不僅定義了通訊協定，還定義了開發工具介面和應用軟體介面 (API)。其目標是提供價格低廉的底層感測器和致動器級區域網路標準。LIN 聯盟不僅提出通訊協定標準，還包括開發工具和 API 標準，為汽車設計使用者提供便利，並為未來的汽車網路標準化工作提供典範。LIN 的通訊協定標準以序列通訊介面 (Serial Communication Interface, SCI) 為基礎，並依據汽車故障診斷標準 ISO 9141 來調整實體層，符合汽車環境中的電磁相容性 (Electro-Magnetic Compatibility, EMC) 與靜電放電 (Electrostatic Discharge, ESD) 要求。傳統上使用 LIN 匯流排網路的零件正逐漸被低速 CAN 網路所取代。由 Bosch 提出的 CAN 標準首先在歐洲的汽車中廣泛採用。之後，美國和日本的汽車公司也將它作為 Class B 或 Class C 車載網路使用。CAN 是應用最廣泛的汽車網路標準之一，同時也被許多其他產業所採用。MOST 和 車用乙太網路 AVB 是面向車載多媒體系統連接的標準。由於媒體資訊音訊及視訊所傳輸的資料量相當大，因此相較於車內的控制網路，需要更高的傳輸速度（頻寬）。一般而言，需要使用光纖或同軸電纜作為實體層媒體，考慮到成本因素，雙絞線也被廣泛使用。FlexRay 與汽車乙太網路 TTE 標準提供了時間觸發的車載網路標準，在即時效能與安全性方面更適合車載線路控制系統。無線區域通訊技術在汽車車身控制系統或媒體系統中有一些應用，例如基於藍牙技術的車內裝置。車用乙太網路保留了乙太網路傳輸速度快、擴充性強的特性。未來車用乙太網路訊號傳輸速度可提升至 1Gbit/s。在擴充性方面，當支援通訊設備及消費性產品常用的 TCP/IP 時，與外部網路設備及網路服務的連線在通訊及應用功能上非常便利。隨著通訊協定在汽車應用需求上的不斷改進，其在車載控制與資訊系統上的應用也將越來越多。由於車輛類型的多樣性以及車載網路技術的不斷發展，應用於車輛的網路系統有多種標準。如果將飛機、船舶、農業機械以及其他與汽車具有某些共同特性（長距離移動、相對獨立、自給式電源）的獨立移動和運載工具計算在內，則有不下數十種網路標準。其中許多網路應用在不同的領域。例如，CAN 應用於汽車、越野車、飛機等領域。表 1-2 列出了一些應用於車輛型系統的網路系統標準。

III.車載網路與資訊系統的特性

汽車要求安全、易用、操作簡單、性能可靠，並且對價格非常敏感。汽車的應用環境可能很惡劣，幾乎會遇到所有可能的道路、電磁和氣候環境。基於汽車的這些使用要求，汽車系統設計應考慮以下因素：

1. 溫度範圍一般要求為 -40~125°C。

2. 油、水、鹽霧、灰塵和可能的化學腐蝕物質的影響。

3. 機械振動、撞擊和衝擊的影響。

4. 電磁相容性問題。系統必須具備承受外部電磁干擾的能力，且不得對環境造成電磁干擾（居家環境的電磁場為 3V-m-¹，工廠環境的電磁場為 10V-m-¹，汽車環境的電磁場可能大於 200V-m-¹）。

5. 環境保護問題。運轉過程中的排放物（包括聲、光、電磁、油和氣）必須符合環保要求，以及零件和車輛報廢時的處理問題。

6. 可能發生的故障和錯誤操作，例如電源反接、線端鬆脫、短路/開路、摩擦等，應盡量減少損失。

7. 應充分考慮意外發生時的防護措施或安全影響。

8. 任何元件都必須確保高可靠性，並在規定的使用壽命內有足夠小的故障概率。

9. 大量生產成本。

車載網路系統還應考慮以下因素：

1. 節點到總線連接頭的電氣和機械特性，以及連接頭的數量。

2. 網路系統與應用系統的評估與效能測試方法。

3. 容錯與故障復原問題。

4. 即時控制網路的時間特性。

5. 網路配線生產流程和使用維護流程的安全性。

6. 增加網路節點和軟體/硬體更新 (擴充性)。

7. 通訊協定與資訊安全。