目前，世界上有多达十多种车辆网络标准，其中最主要的有：控制器局域网CAN(Controller Area Network)、CANopen、本地互联" title="互联">互联网络LIN（Local Interconnect Network）、车辆多媒体网络IDB1394和美国汽车工程学会制定的协议SAE-J1939等。值得注意的是具有高速容错功能的网络协议FlexRay，它的发展非常迅速。FlexRay标准联盟的出现，以及面向对象联接的CANopen标准的广泛应用，预示着汽车电子技术向智能化迈出了重要一步。
    在汽车工业巨头和电子信息技术公司的合力推动之下，国际标准化组织于1992年基于CAN发布了ISO11898标准，为日后汽车计算平台联盟和相关标准的出现奠定了工业化基础。CAN经过20年的发展，目前在汽车动力总成中已占据85%的市场份额。在2008年全球主要汽车生产厂商生产欧III/欧Ⅳ排放标准以上的汽车以后，采用CAN的汽车将超过95%。基于CAN和ISO11898标准，美国汽车工程学会（SAE）在10年前组织制定的SAE-J1939被认为是全球范围内最开放和最具影响力的汽车网络标准之一，在欧Ⅲ以上的商用车型中，100%采用J1939构造汽车计算平台，主要用于发动机、变速箱、燃料箱和仪表等传动系统的互联。
    在国际CAN行业组织CiA（CAN in Automation）的推动下，2002年ISO又发布了简称为ISO BUS的国际标准ISO11783。ISO BUS、J1939和CANopen均是基于CAN的网络标准，这些标准的相互连接构成了面向未来的复杂汽车系统的网络计算平台。特别是CANopen对未来主导市场的环保汽车（混合动力汽车、电动汽车和燃料电池汽车）、多功能汽车、工程机械及客车车身控制网络起着决定性的作用。2005年起FlexRay联盟V2.1版本的规范发布，进一步推动了汽车计算平台向车辆安全控制系统方面标准化的发展。
    LIN作为CAN网络的补充，是一种低成本的通信标准。1998年由国际上著名的汽车厂商和电子厂商在德国组成了LIN联盟组织。LIN主要用于车内灯光、后视镜和座椅调节等非安全性部件的互联。IDB1394和MOST总线则是目前为汽车多媒体网络和消费类电子产品的互联建立的平台型标准。

汽车网络总线综述

    SAE按照传输速率将汽车网络分为A、B、C三类。
    A类总线为低速总线，目前的代表为LIN协议，采用SCI和UART等通用硬件接口，传输速度最高为20kbps。
    B类总线传输速率在10k~125kbps之间，当前主流协议为CAN(ISO 11898)、SAEJ1850等。欧洲市场采用的B类网络协议是CAN。CAN分为低速和高速两部分，高速CAN属于C类网络协议。
    C类总线传输速率在125kbps~1Mbps之间，主要用于与汽车安全相关以及对实时性要求很高的地方。如，SAE-J1939为250kbps，轿车多为500kbps。
    从车辆工程角度上看，CAN的速率、可靠性和成本指标在汽车的动力系统中应用最为适宜。但对于安全等级需求更高的系统，如转向控制和制动系统及安全气囊的网络互联问题则需一个新的标准，这就是FlexRay。CAN的成功应用及FlexRay标准的开发推动了新的线控X-by-wire车辆系统设计思想的完善，也导致了车辆系统对信息传送速度，尤其是对故障容错与时间确定性需求的不断增加。FlexRay通过在确定的时隙" title="时隙">时隙中传递信息，以及在两个通道上的故障容错和冗余信息的传送，满足了这些新增加的要求。

汽车安全与FlexRay计算平台

    FlexRay作为下一代汽车网络标准，提供了充足的带宽、可靠性和实时响应能力，以实现线控应用，如安全气囊、制动、转向和车辆稳定性控制系统。该标准已被越来越多的汽车制造商采用。
    FlexRay是一种用于汽车的、具备高速可确定性及故障容错的网络计算系统，源于Daimler Chrysler（戴姆勒·克莱斯勒）公司的典型应用以及BMW(宝马)公司Byteflight通信系统开发的成功经验。Byteflight是BMW公司专门为被动安全系统(气囊)而开发的。为了同时能够满足主动安全系统的需要，在Byteflight协议基础之上，被FlexRay协会进一步开发为一个与确定性和故障容错密切关系的、更可靠的高速汽车网络系统。今天，BMW、Daimler Chrysler、General Motors、Ford、Volkswagen和一些半导体公司，如Bosch、Freescale、Philips等组成了FlexRay联盟。2006年应用FlexRay技术的汽车已进入市场。

FlexRay的传输介质和访问

    FlexRay符合TDMA（时分多址）的原则，部件和信息都被分配了确定的时隙，在此期间它们可以惟一地访问总线。时隙有固定的重复周期。由于信息在总线上的时间完全可以预测，因而对总线的访问具有确定性。
    不过，通过为部件和信息分配时隙的方法来固定地分配总线带宽，其不利因素是导致总线的带宽没有被完全利用。出于这个考虑，FlexRay把周期分成了静态段和动态段，确定的时隙适用于信息开始部分的静态段。在动态段，时隙是动态分配的。每种情况下都只有一小段时间允许惟一的总线访问(这段时间称为超小时隙）。如果在超小时隙中出现了总线访问，时隙就会按照需要的时间来扩展。因此总线带宽是动态可变的。图1为FlexRay的通信周期、帧的静态、动态部分的结构示意图。

FlexRay的数据速率和网络拓扑结构

    FlexRay在物理上通过两条分开的总线通信，每一条总线的数据速率是10Mbps。这两条总线主要是用于冗余和故障容错的信息传输，但也可以传递不同的信息，后者的数据吞吐量翻倍。
    FlexRay也可以在2.5Mbps和5Mbps低数据率下工作，并且为数据传输定义了主动星型、被动星型或是两者混合的总线拓扑结构，因此FlexRay网络节点的连接非常灵活。图2为FlexRay的主动星型网络拓扑示意图。图3为FlexRay的星型、总线型混合网络拓扑示意图。

FlexRay节点的同步和协议帧结构

    为了实现功能的同步和通过两条信息间的短距离来优化带宽，该通信网络中的分布组件都要有一个共同的时基（全局时间）。为了时钟同步，同步信息应在周期的静态段传输。通过增添一个特殊的算法，部件的本地时钟被修正为所有的本地时钟与全局时钟同步。图4为FlexRay协议帧的静态、动态部分的结构示意图。

FlexRay网络节点的结构

    FlexRay的网络节点是由主处理器、FlexRay通信控制器、可选的总线监控器（BG）和总线驱动器（BD）组成的。主处理器提供和产生数据，并通过FlexRay控制器传送出去。
    总线驱动器连接着通信控制器和总线，或是连接总线监控器和总线。主处理器把FlexRay控制器分配的时隙通知给总线监视器，然后总线监视器就允许FlexRay控制器在这些时隙中来传输数据。数据可以在任何时候被接收。图5为FlexRay的网络结构图。

故障诊断技术和远程服务

    未来发展最快的技术将是由汽车电子与信息产业、智能交通相互融合而产生的新兴技术。这些新技术主要用于解决与安全、环保有关的系统性问题，如：转向控制、制动控制、安全气囊、OBD侦测及更广义的汽车故障诊断技术和远程服务等。
    有资料表明欧Ⅲ以上的发动机ECU电控单元中，嵌入式软件代码超过50%是关于故障诊断的。由此推测未来汽车与安全部件早期失效相关的故障诊断价值将占汽车电子软件的50%以上。
    汽车的发明已走过100年的历史，技术的进步推动着汽车的不断创新。但另一方面，市场的竞争对成本又有严格的限制，而汽车排放的限值要依靠更高性能的嵌入式技术才能实现。
    嵌入式系统（ES）的诊断技术可分为在线诊断(OBD)和远程诊断(RFD)。对于重大机电产品和系统而言(如飞机、船舶、汽车），OBD是必不可少的系统组成部分；就现代汽车而言，电控发动机的诊断代码已超过了系统功能的控制代码规模；从法规角度看环保和产品缺陷的召回是汽车嵌入式系统开发不可回避的问题。
    各国对RFD技术的发展和研究很活跃，如将汽车的OBD系统信息通过RFD接入因特网，这对全社会而言意义非常重大。
OBD和RFD实际上是一个多处理器的异构嵌入式网络计算平台。
    当前普遍应用的因特网是一个异构互联的超级计算平台，这就是近年来发展迅速的网格(GRID)计算技术。基于此，能与网格（因特网）互联的嵌入式系统（ES）将得到更加强大的计算能力的支持，就像今天的电气设备从电网上取得电力能源一样。计算能力也可以通过无缝连接的中间件技术对分布式的ES进行在线、离线、运行，甚至是实时性的支持，从而构成一个更加强大的、智能化水平更高的计算平台。
    现代汽车的刹车和转向系统其实同一百多年前汽车刚被发明时一样，都借助于机械连接和液压传动，将驾驶者的意图传递到车轮和引擎。而未来将通过线控系统网络将指令发送到刹车执行单元、转向步进马达单元，并通过微处理器及电子执行装置（FlexRay节点）进行制动和转向控制。线控新技术还能简化某些功能的实现，如自适应巡航控制、自动车道保持及防碰撞等，并为汽车最终实现自动驾驶打下基础。对安全性至关重要的部件，如转向和制动系统、安全气囊网络及电子稳定系统（ESP）等，必须能够进行更高可靠性、无缝配合和自动诊断。FlexRay与CAN构成的仿真单元和网络计算平台已可以方便地集成到汽车系统之中进行混合验证并建立实物控制模型。中国单片机公共实验室，从1992年起在国内首先建立了国际标准的CAN开放实验室。2005年又第一个在国内建立了完整的FlexRay开发、分析、仿真与实验测试平台，与国际水平保持同步。
    汽车线控系统网络实际上就是一种特殊的局域网，这种系统是从飞机控制系统引申而来的。飞机控制系统中的Fly-by-Wire是一种电线代替机械的控制系统，它将飞机驾驶员的操纵控制和操作命令转换成电信号，利用机载计算机控制飞机的飞行。这种控制方式引入到汽车驾驶上，就称为Drive-by-Wire(电控驾驶)，引入到制动上就产生了Brake-by-Wire（电控刹车），引入到转向控制上就有Steering-by-Wire(电控转向)，因此统称为X-by-Wire。这些创新功能的基础是一种能够满足实时和严格容错要求的宽带计算平台结构——FlexRay网络计算系统（汽车计算平台）。
    FlexRay的重要目标应用之一是线控操作(如线控转向、线控刹车等)，即利用有容错功能的电气/电子系统取代机械/液压部分。线控操作包括从转向到刹车和加速等所有汽车控制应用互连技术，它的应用可以补充并将最终代替汽车的机械和液压解决方案。FlexRay的执行器是机电一体化的产物，将对全球汽车行业产生革命性的深远影响。FlexRay的基础开发工作基于FlexRay控制器和嵌入式软件中间件，FlexRay和CAN的网关将是未来汽车计算平台的核心部件。这些应当成为我国汽车计算平台工程研究和技术跟踪的重点和技术方向。国际上FlexRay的标准尚未定型，我们完全有机会参与广泛的国际合作，特别是在中间件和故障诊断方面，应加强标准化研究工作。
    另一个值得注意的是CANopen在汽车中的应用。CANopen是在ISO11898标准之上真正面向对象连接的网络计算平台（J1939是面向具体应用而连接的网络标准）。在CANopen网络中，可以将最多128个用CAN互联的嵌入式微处理器看成一个统一的计算机平台，通过对网络中的任何一个单片机中的电子表格(存储在E2PROM或Flash之中，称为CANopen的对象字典）的修改和重定义，即可改变整个系统的功能配置和构造，而无需通过CANopen节点的制造商，在每个节点的对象字典之中还存储全球惟一的制造商编码和相关的配置参数，将其称之为数字基因(Digital DNA)。通过标准方法可以方便地访问汽车中各个电子设备的“数字基因图谱”，用于维护和诊断。
    CANopen在工业、交通、航空、航天和海事领域的应用技术成果，可方便地移植和集成到未来更复杂的汽车系统之中。在电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车中，CANopen有明显的优势。在通用单片机中加入CANopen中间件并为应用程序留下API接口，即可做成一种称之为CANopen SiP的系统级芯片产品。在北京集成电路设计园开发平台的支持下，北京英贝多公司在成功地开发出J1939系统级芯片的基础上，正在为汽车、船舶行业研发具备自主知识产权的CANopen SiP。CANopen SiP可以连接各种传感器，实现对车辆、船舶等主要部件的安全性监测。

关于AutoSAR和汽车计算平台的思考

   上世纪50年代航空电子占整个飞机造价的比例约为20%，到上世纪90年代则上升为80%。随着CAN、FlexRay等网络计算平台技术的发展，汽车电子也将遵循航空电子的发展规律，得到更快速的发展。因此说，汽车网络计算平台对现代汽车工业将产生本质性的重大影响。
    从国际上看，汽车电子的数字化进程已有二十多年历史。回顾CAN的发展历史，直到1995年SAE J1939、CANopen等网络计算平台标准的出现，才为汽车OEM关键零部件的互联、协同工作进而提升整车的系统性能、功能和灵活性建立了平台化的工业基础。
    2000年和2005年诞生的LIN联盟和FlexRay联盟，均是由著名的汽车厂商和（IT）信息技术公司联合发起和推动的标准联盟和技术联盟，这标志着汽车产业和信息产业在共同推动着一个全新的、复合性的产业——汽车（电子）信息产业的出现。与传统的汽车电子产品开发时强调单个部件功能和性能不同的是，汽车（电子）信息产业更关心网络标准和平台技术，因为它们决定了行业的发展与兴衰。
    2002年，宝马、通用和丰田等10个国际汽车巨头联合IBM、TI和NEC等100余家IT、电子和半导体商家共同发起成立汽车开放系统体系架构（组织）AutoSAR（AUTomotive Open System ARchitecture）。AutoSAR由于得到汽车、半导体、软件厂商的支持，将成为未来汽车软件设计的开放式标准。AutoSAR是汽车界日趋热门和成熟的一套软件体系结构，其主体思想是使得软件设计开发更易于管理，软件系统更易于移植、裁剪以及更好的维护性和质量保证。
    AutoSAR旨在推动建立汽车电气/电子(E/E)架构的开放式标准，使其成为汽车嵌入式应用功能管理的基础架构。开放系统架构AutoSAR有助于定义所有汽车共同的ECU和软、硬件子功能，实现通用功能软、硬件的标准化，增强设计层面之间的沟通，缩短设计周期，提高安全性和可靠性，降低成本。实际上，AutoSAR是一个资源库，它储存了可以共享的标准组件。
    AutoSAR的成立则是建立在资源共享观念上，由整车厂、车用电子厂、嵌入式系统与软件厂、车用半导体厂商及有意进入车用电子产业的新加入者组成。将整体车辆产业供应链从上游到下游的参与者纳入联盟的对话平台，制定车用电子系统软硬件之间共通的标准，用以解决系统之间的复杂性以及封闭性，这将大幅降低车厂的成本，缩短各阶段产品开发的时程；而车用半导体厂商也藉此机会，取得车用电子产品的共通性开发平台以及标准协议内容，并建立与国际车厂及车用电子厂的合作机会，对于产品切入供应链以及降低开发成本将有相当的助益。
    AutoSAR的目标是：解决汽车功能的可用性和安全性需求；保持汽车计算平台系统一定的冗余；可以移植到不同汽车的不同平台上；实现标准的基本系统功能，作为汽车供应商的标准软件模块；通过网络共享软件功能；集成多个开发商提供的软件模块；在产品生命期内更好地进行软件维护；增强采用“商业现货供应硬件(Commercial off the shelf hardware)”；进行汽车计算平台软件的更新和升级。
    AutoSAR是一个强健的全球性合作联盟，它创建了一个公共规则：“在标准上合作，在实现上竞争。” 截止到2007年1月，AutoSAR组织已经颁布100多个标准规范。
    2004年9月16日，丰田汽车、日产汽车、丰田通商及其子公司丰通电子等召开记者发布会，宣布日本正式成立了一个与AutoSAR相对应的日本汽车软件平台构架JASPAR（Japan Automotive Software Platform and ARchitecture）的车载电子软件标准化机构。2005年4月，JASPAR就已有日本的汽车电子厂商、电装OEM厂商、半导体厂商、线材厂商及开发工具厂商等49家公司参加，其目标是API、中间件和汽车网络技术的标准化，旨在联手开创汽车计算平台系统的软件国际标准之先河。
    日本JASPAR在另外一个层面上挑战AutoSAR，以防欧美形成技术市场的全球垄断，提出了三个组织任务和功能分配：
    ·AutoSAR将负责制定软件架构和API标准、进行概念实证；
    ·FlexRay联盟负责制定FlexRay的物理层及其协议和互联性能实验等的标准；
    ·JASPAR负责对上述标准的妥当性进行确认并进行封装等。
    据东风汽车研究院专家提供的消息，针对AutoSAR和JASPAR，韩国政府也正在筹备相对应的组织。汽车行业专家呼吁中国也应尽早成立相对应的组织。有ES专家建议叫做CamoSAR（China Auto Marine Open System ARchitecture)，包括汽车(Auto)、航空（Air）、船舶（Marine）、自动化机械(Automation)等共同的嵌入式软件和系统开放架构标准联盟组织。2007年3月12日在南京会议上中国计算机学会(嵌入式系统专业委员会)、中国汽车工程学会（汽车电子技术分会)、中国系统工程学会(信息系统专业委员会)达成共识，面对国家和行业需求不断提出问题，走联合创新之路。
    当今，技术发展的专业化、分工的精细化和相互融合，以及系统性能的不断提高和电子技术日益复杂化趋势的挑战，同时对汽车电子产品规模和经济性的要求，使研发设计环节变得越来越重要。因此，类似于集成电路设计行业独立于制造行业一样，未来汽车电子设计产业作为一个独立的行业将会得到快速发展。在进行产业规划时，这一点应当引起足够的思考。
    我国在汽车计算平台方面参与国际合作的机会也是存在的。如在CANopen方面，由于标准是分层制定的，CANopen的基础层已经相当完善，应用层是透明开放的。所谓应用层行业规范就是由国际上同行专家共同为某个具体行业制定的平台性标准。据国际CiA组织最近提供的信息，在电动发动机、混合动力传动、房车等方面，正在寻求国际上专业厂商及专家共同制定应用层行业规范。在FlexRay方面，我们也有机会参与应用平台标准化工作和FlexRay控制器IP(半导体知识产权)方面的国际合作项目，用FPGA实现FlexRay控制器在国内已有相关的研发活动。

汽车计算平台的标准化问题