張凌露，高李明

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 210028）

隨著現(xiàn)代汽車電子技術的迅速發(fā)展，采用車載通信網(wǎng)絡實現(xiàn)電子控制單元或系統(tǒng)間信息多路傳輸越來越普遍。目前國內(nèi)乘用車領域車載網(wǎng)絡的技術應用已基本達到成熟水平，但商用車領域在電子技術應用上總體上比乘用車滯后，車載通信網(wǎng)絡應用和開發(fā)水平還處于起步階段，缺少開發(fā)經(jīng)驗和指導規(guī)范。本文企圖通過行業(yè)應用情況分析并結合南京依維柯某車型開發(fā)實踐，對輕型商用車車載網(wǎng)絡架構進行探討。

1 輕型商用車車載網(wǎng)絡的應用背景

日趨嚴格的節(jié)能、環(huán)保法規(guī)、消費者對汽車產(chǎn)品安全性、舒適性日益增高的要求，需要具備復雜控制功能的汽車電子系統(tǒng)，如發(fā)動機電子控制系統(tǒng)、自動變速器控制單元，這些技術的應用推動了商用車向電子化和智能化迅速發(fā)展。為完成這些復雜系統(tǒng)的控制功能，單元間需要交換大量的數(shù)據(jù)。這些控制器實時性和可靠性要求高，需要通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡實現(xiàn)信息共享保證控制系統(tǒng)的正常運行和診斷能力。

近年來，電商產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展帶動了國內(nèi)物流行業(yè)快速成長，物流運輸業(yè)在物流車輛管理上從過去的粗放管理，轉(zhuǎn)向精細管理。物流公司運用大數(shù)據(jù)的車聯(lián)網(wǎng)管理平臺逐步成形。這類大數(shù)據(jù)平臺不僅采集企業(yè)的物流貨物信息，同時采集大量車輛狀態(tài)信息，需要商用車應用網(wǎng)絡傳輸技術來滿足大數(shù)據(jù)車聯(lián)網(wǎng)的需求。

乘用車領域車載網(wǎng)絡的廣泛采用，車載網(wǎng)絡技術已在技術開發(fā)、元件提供、開發(fā)工具、驗證手段等方面取得明顯進步，相關軟硬件成本已大大降低，支持了在商用車領域的迅速增長。

但商用車對成本的敏感性并未改變，由于普遍規(guī)模不大，單一品種往往銷量不上規(guī)模，新技術的應用程度受成本制約較明顯，在車載網(wǎng)絡設計中應該充分考慮節(jié)點部件的成本增加和開發(fā)費用。

2 車載網(wǎng)絡通信協(xié)議選擇

為方便研究和實際使用，美國汽車工程師協(xié)會（SAE）根據(jù)傳輸速率的不同將車載網(wǎng)絡劃分為A、B、C類，如表1所示。

位速率1MB／s以下的通信協(xié)議已有LIN、VAN、CAN等協(xié)議，主要用于控制類信息的網(wǎng)絡傳輸。同時也有位速率高于1MB／s不同用途和特點的其它協(xié)議，如應用于多媒體系統(tǒng)的音視頻信息的傳輸MOST協(xié)議；基于時間觸發(fā)應用于線控技術 （X-by-Wire）的Flexray協(xié)議，但這些位速率高于1 MB／s的總線成本高昂，目前主要應用在高端乘用車領域，在輕型商用車上還不多見。從目前車載通信網(wǎng)絡的發(fā)展和使用情況看，輕型商用車選用的網(wǎng)絡標準越來越趨向集中到CAN、LIN總線。

表1 車載網(wǎng)絡的劃分

CAN總線采用短幀數(shù)據(jù)結構、非破壞性總線仲裁技術，具備突出的可靠性、實時性和靈活性，成為現(xiàn)階段B類和C類網(wǎng)絡采用的主流協(xié)議。對于不需要CAN這樣高速率的場合，LIN總線硬件成本低廉，在軟件和系統(tǒng)設計上也容易和其他網(wǎng)絡協(xié)議兼容，作為系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡的輔助性子網(wǎng)絡，在低速控制領域取得領先地位，典型應用有車門、照明及智能傳感器。

CAN總線規(guī)范僅定義了其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，實際應用的時候還需要更加詳細的應用協(xié)議，由于沒有統(tǒng)一的標準，各大乘用車廠家根據(jù)自己的需求定制了企業(yè)性的應用層協(xié)議，對CAN基本協(xié)議中的某些規(guī)定使用了更嚴格的約束條件，屬于不公開的保密文件。但目前越來越多的企業(yè)出現(xiàn)向J1939協(xié)議靠近的趨勢，尤其在商用車領域，J1939協(xié)議基本成為全球支持的應用層協(xié)議。J1939全稱是車輛網(wǎng)絡串行通信和控制協(xié)議，它采用CAN通信協(xié)議作為網(wǎng)絡核心，按照OSI模型對通信的分層制定了相關子標準，特別是在應用層子協(xié)議中對通信所傳輸?shù)挠行畔⒆鞒隽私y(tǒng)一明確的定義，對產(chǎn)品自主開發(fā)具有很高的參考價值。

3 主流輕型商用車車載網(wǎng)絡架構

3.1 單路總線

日本五十鈴700P輕型載貨汽車是國內(nèi)眾多輕型商用車企業(yè)的競爭標桿，代表了輕型載貨汽車中電氣設計的領先水平。其網(wǎng)絡架構采用單路總線，這種架構網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量較少，滿足現(xiàn)階段商用車配置需要，系統(tǒng)成本控制較好。其網(wǎng)絡拓撲圖如圖1所示。單路總線網(wǎng)絡主要特點如下。

1）采用J1939 CAN網(wǎng)絡通信協(xié)議，通信速率選擇250kB／s。

2）網(wǎng)絡節(jié)點的選擇在滿足平臺配置要求基礎上偏向于成本考慮，網(wǎng)絡結構簡潔，接入網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)量有限，選擇為網(wǎng)絡節(jié)點的控制單元主要考慮2個要素：①控制單元的實時性要求較高，如發(fā)動機控制單元 （ECM）、ABS等；②和其它控制單元或系統(tǒng)存在較大信息交換，如發(fā)動機防盜控制模塊（IMMO）、 儀表 （CLUSTER）、 車身控制模塊 （BCM）。

3）各節(jié)點控制器的診斷通信依舊延續(xù)了K線。

3.2 雙路總線

在國內(nèi)輕型客車市場，歐系車型增長迅速，其中江鈴汽車股份有限公司的TANSIT（全順）車型和南京依維柯汽車有限公司的DAILY（得意）車型為國內(nèi)中高檔輕客市場的最主要品牌，多年來始終占據(jù)市場前兩位，這兩個企業(yè)都具備國際大公司合資背景。TRANSIT（全順）為FORD（福特）公司專為歐洲市場設計和開發(fā)的經(jīng)典商用車成功案例，DAILY（得意）為意大利IVECO公司主打車型，在歐洲市場就是主要競爭對手，都是歐系輕型商用車的代表車型。這兩款車型電子化應用水平處于行業(yè)領航者地位，車載網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量相對較多。為降低網(wǎng)絡負載率，保證動力傳動系統(tǒng)的正常運行，將網(wǎng)絡分成傳輸速率不同的兩路，采用雙總線架構。根據(jù)各節(jié)點的實時性要求不同，分別接入不同的總線，通過網(wǎng)關協(xié)調(diào)信息交互和共享?，F(xiàn)將這兩款車型在歐洲市場原車型的車載網(wǎng)絡基礎拓撲結構介紹如下。

FORD TRANSIT（全順）車型網(wǎng)絡架構拓撲圖見圖2。IVECO DAILY（得意）車型網(wǎng)絡架構拓撲圖見圖3。其主要特點如下。

1）雙路總線架構以發(fā)動機控制單元為核心，將實時性要求高、信息共享關聯(lián)大的節(jié)點互聯(lián)在一起，構成高速通信網(wǎng)絡，車身部件和其它實時性要求相對較低的節(jié)點組成低速網(wǎng)絡，其中網(wǎng)關可以是實物節(jié)點，也可以是虛擬節(jié)點集成在某控制單元中（如上兩例都集成在BCM中）。

2）IVECO DAILY （得意）和FORD TRANSIT（全順）車型的開發(fā)有FIAT（菲亞特）和FORD（福特）大集團背景，繼續(xù)了乘用車技術路線，在網(wǎng)絡設計時應用層協(xié)議都采用了各自企業(yè)規(guī)范，IVECO產(chǎn)品動力CAN采用了J1939協(xié)議，B-CAN采用了FIAT（菲亞特）的私有協(xié)議；TRANSIT產(chǎn)品整個網(wǎng)絡協(xié)議都采用了FORD（福特）私有協(xié)議，由于依托了大集團的成熟平臺，部分平臺產(chǎn)品可以沿用，可以保證產(chǎn)品可靠性和控制部件成本。

3）從網(wǎng)絡拓撲圖上可以看出，這種網(wǎng)絡架構明顯比單路網(wǎng)絡復雜，相對系統(tǒng)成本較高，但在電控單元較多時系統(tǒng)可靠性更高，未來升級擴展能力也要優(yōu)于單路網(wǎng)絡。

4 自主開發(fā)輕型商用車網(wǎng)絡架構介紹

中國的汽車工業(yè)隨著國家經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展迅速成長，在2013年國內(nèi)商用車產(chǎn)量達到405萬輛，在數(shù)量上升的同時，產(chǎn)品配置和品質(zhì)要求也越來越高。輕型商用車多年來一直以成本為中心，新競爭形勢下如何平衡配置和成本的關系是設計人員不得不面對的問題。其中構建適合本企業(yè)的車載網(wǎng)絡架構是電器開發(fā)人員一項重要工作。

車載網(wǎng)絡架構的創(chuàng)建主要工作是通信協(xié)議選擇、節(jié)點安排和網(wǎng)路數(shù)量確定，輕型商用企業(yè)在自主構建車載通信網(wǎng)絡時應注意以下方面。

1）網(wǎng)絡節(jié)點選擇原則 網(wǎng)絡架構構建的輸入是整車配置、功能和目標成本要求，實現(xiàn)相同電子控制功能存在分散控制、集中控制、分布式網(wǎng)絡控制等多種技術手段，對具體控制單元是否采用網(wǎng)絡傳輸信息、成為網(wǎng)絡節(jié)點主要取決于該單元實時性要求、信息交互量多少和成本高低。

2）企業(yè)整車電子水平 要充分了解本企業(yè)目前電子應用水平現(xiàn)狀，盡量利用現(xiàn)有資源，沿用和整合現(xiàn)有電子產(chǎn)品，要考慮采用逐步技術升級方式減少開發(fā)投入。

3）網(wǎng)絡架構的生命周期 網(wǎng)絡架構同樣具有生命周期，在創(chuàng)建架構前應該了解未來法規(guī)政策走向、商用車行業(yè)電子技術的發(fā)展和本企業(yè)產(chǎn)品戰(zhàn)略規(guī)劃，為新增電子控制留有拓展空間。

5 依維柯第一代網(wǎng)絡架構設計案例

對于有合資背景的輕型商用車企業(yè)，技術路線會移植和搬用國外成熟車載網(wǎng)絡結構，在技術成熟度上具備明顯優(yōu)點，缺點是可能涉及較高技術引進費用和很難短時間內(nèi)真正掌控該方面技術。對于現(xiàn)階段自主開發(fā)企業(yè)或項目，通常分為兩類，一類是企業(yè)或產(chǎn)品市場定位于以成本領先技術跟隨市場策略，采用車載網(wǎng)絡通信技術往往是因為所選發(fā)動機等動力總成部件電控系統(tǒng)的技術升級要求，一般整車采用網(wǎng)絡傳輸?shù)墓?jié)點數(shù)不是很多，原則上可以采用單路高速總線涵蓋所有節(jié)點，建議根據(jù)本公司情況參考五十鈴700P車型的單路網(wǎng)絡架構創(chuàng)建，另一類是產(chǎn)品處于行業(yè)技術領先水平，電子部件采用較多，需要參考歐洲商用車技術路線，采用雙路總線的網(wǎng)絡架構，但無論采用何種網(wǎng)絡架構，對實時性要求高的控制部件和信息量大的儀表等部件應該接入網(wǎng)絡，考慮到輕型商用車成本敏感度的事實，對實時性要求不高的車身或舒適性部件需要平衡成本和性能的關系，甚至偏重于成本進行節(jié)點取舍，以南京依維柯第一代網(wǎng)絡架構為設計案例進行進一步解釋。

南京依維柯是意大利IVECO公司在華合資企業(yè)，為國內(nèi)輕型商用車重要的生產(chǎn)商，在2011年自主開發(fā)輕型商用車的車載通信網(wǎng)絡架構時，通過產(chǎn)品配置規(guī)劃、投入產(chǎn)出分析前期工作，選擇了單路CAN總線架構，其網(wǎng)絡拓撲圖如圖4所示。

在該網(wǎng)絡架構中協(xié)議采用商用車專用的J1939協(xié)議，并且在J1939協(xié)議框架內(nèi)根據(jù)實際情況進行了二次開發(fā)，通信速率采用250 kB／s，并維持了部件K線診斷。網(wǎng)絡節(jié)點模塊選擇依據(jù)沿用性、關聯(lián)性、成本、周期等要素的分析對比，決定是否接入網(wǎng)絡的部件選擇原則如下。

1）實時性要求較高。柴油發(fā)動機控制單元（EDC）、 自動變速器控制單元 （AMT）、ESP等系統(tǒng)實時性要求高、信息交換量大、相互間關聯(lián)度高，需要采用網(wǎng)絡進行信息傳輸。

2）信息交互量較大。發(fā)動機防盜控制模塊（IMMO）、 行駛記錄儀 （VDR）、 儀表 （CLUSTER）、車身控制模塊 （BCM）和其它電子單元交互的信息量較大，作為節(jié)點接入。

3）成本控制。胎壓報警系統(tǒng) （TPMS）接入系統(tǒng)，目的是通過網(wǎng)絡可靠地傳輸檢測到的各路胎壓信息，并集成到儀表顯示窗口顯示，減少了專用胎壓顯示器；音響系統(tǒng)接入網(wǎng)絡是通過網(wǎng)絡接收安裝在轉(zhuǎn)向盤上的多功能開關 （靜音、選臺等功能按鈕）的信息，這些開關信息通過硬線連接到BCM上，通過BCM轉(zhuǎn)換成CAN報文傳輸發(fā)送給音響。由于音響系統(tǒng)高低配置不同，采用統(tǒng)一的總線信號傳輸方式可以增加選擇音響產(chǎn)品的開放性和減少音響修改的模具投入和開發(fā)成本。

由于大部分車身電器部件 （如電動窗、中控鎖、雨刮、燈光、控制開關等）集中在駕駛室附近，相距不遠，仍采用BCM集中控制形式，同時BCM經(jīng)過技術升級，通過CAN接口和網(wǎng)絡間其它電子單元進行信息交換。安全氣囊、ABS為現(xiàn)生產(chǎn)沿用件，如果升級到CAN通信需要更換ECU，需要重新進行整車驗證，開發(fā)投入較大，所以未接入網(wǎng)絡。

兩年多的市場應用證明此次技術升級符合現(xiàn)階段車輛配置的技術要求，通過CAN車載信息網(wǎng)絡提升了系統(tǒng)信息交換的可靠性，減少了線路連接復雜性，豐富了電控系統(tǒng)的診斷能力，同時網(wǎng)絡傳輸?shù)男畔⒘枯^豐富，基本反映了車輛的運行狀態(tài)，為用戶連接車聯(lián)網(wǎng)提供了必要的基礎。該架構目前在依維柯輕卡和輕客雙平臺產(chǎn)品中都已采用。

6 自主開發(fā)商用車網(wǎng)絡架構應用分析及注意事項

從目前輕型商用車行業(yè)的產(chǎn)品配置和電子產(chǎn)品應用情況分析，現(xiàn)階段采用單路或雙路總線網(wǎng)絡架構已滿足要求，而且在一段時間內(nèi)仍可能是輕型商用車主流架構形式。預計未來網(wǎng)絡架構的發(fā)展將會在此基礎上進行改進提升，目前商用車電子技術的應用已進入一個迅速增長期，一方面許多乘用車開始采用的現(xiàn)代汽車電子技術會影響商用車的配置，另一方面商用車的應用環(huán)境的特殊性也會對商用網(wǎng)絡的發(fā)展產(chǎn)生影響，其中已經(jīng)初步顯現(xiàn)的以下兩個方面需要注意。

1）商用車安全性要求越來越高，國外ADAS技術法規(guī)化，安全類預警或干預技術的應用，會對未來的國內(nèi)商用車配置產(chǎn)生直接影響，由于這類技術都需要較高實時性，網(wǎng)絡架構必然向兩路或多路總線方向發(fā)展。

2）商用車物流應用的迅速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)應用將更加普遍，客戶車聯(lián)終端將收集更多的車載信息，更科學地對車輛狀態(tài)和駕駛者行為進行分析。但由于國內(nèi)物流車客戶往往采用自己采購的車聯(lián)終端，品質(zhì)水平參差不齊，在架構設計時應該盡量減少客戶自選設備對車載網(wǎng)絡的潛在干擾。

根據(jù)筆者對輕型商用車的認識，對未來的車載網(wǎng)絡架構形式給出如下拓撲結構示意的建議，見圖5。

該網(wǎng)絡架構中的具體節(jié)點可以根據(jù)本單位實際情況進行選擇和安排，總體上的構建理念如下。

1）網(wǎng)絡架構采用多網(wǎng)絡結構，滿足不斷增加的電控單元需要，按照實時性、安全性要求的不同將主網(wǎng)絡分成高速動力網(wǎng)絡和車身網(wǎng)絡?？紤]到商用車領域總線協(xié)議應用趨向，動力網(wǎng)絡采用J1939協(xié)議， 速率500kB／s； 車身網(wǎng)絡優(yōu)選J1939， 250kB／s，但如果企業(yè)有集團或合資技術平臺，也可能采用本企業(yè)專用應用層協(xié)議。

2）專用車聯(lián)網(wǎng)接口和診斷接口分別采用專用網(wǎng)絡，通過獨立網(wǎng)關，和動力網(wǎng)絡、車身網(wǎng)絡進行信息交換，減少動力和車身網(wǎng)絡的負載率，有效避免對主要車載網(wǎng)絡的干擾，確保車輛安全性。

3）采用LIN總線作為整車CAN網(wǎng)絡的輔助補充，主要用于連接智能型傳感器和獨立工作的智能性執(zhí)行部件 （如蓄電池傳感器、車輛防盜報警器）。

7 總結

車載網(wǎng)絡架構形式多種多樣，沒有最好只有最合適企業(yè)自身，輕型商用車網(wǎng)絡架構的設計應該充分兼顧產(chǎn)品技術發(fā)展和成本控制。需要說明的是，本文介紹的思路基于目前以CAN為主流標準的事實和對網(wǎng)絡發(fā)展的個人思考，隨著車聯(lián)網(wǎng)、汽車安全等現(xiàn)代汽車電子技術的迅速發(fā)展，要求車載網(wǎng)絡傳輸速度越來越高，位速率達到10MB／s的CAN-FD和以太網(wǎng)技術以高速率優(yōu)勢已逐漸表現(xiàn)出替代CAN總線的可能，需要密切跟蹤。

［1］張培仁.CAN總線設計及分布式控制［M］.北京：清華大學出版社，2012.