在路上跑的行動網路　車載通訊協定各司其職

在智慧化車輛的潮流下，越來越多的電子控制單元(Electronic Control Unit, ECU)被導入到汽車中。2000年後，一輛普通轎車的ECU平均數量達到四十個，在高階汽車上，甚至可找到超過一百個ECU；為了使這些ECU能夠在一個共同的環境下協調工作，車載通訊網路應運而生。  

目前，世界上各車廠所採用的車用網路，依照協定特性與傳輸鮑率(一種資料處理的速度單位，即每秒的電碼數)的不同，可分為區域互聯網路(Local Interconnect Network, LIN)、控制區域網路(Controller Area Network, CAN)、多媒體導向傳輸系統(Media Oriented System of Transport, MOST)與FlexRay。由於各車用電子控制系統與裝置肩負不同功能與目的，使得各車載通訊協定也不盡相同，目前以CAN和LIN為主，MOST負責多媒體傳輸，而FlexRay將扮演未來汽車發展線控操作(X-by-wire)系統的重要角色。  

LIN具有低成本優勢 適用於低速應用  

LIN是一種用於汽車中分散式電子系統的低成本串列通訊系統低階的應用，這些應用中，每個節點的通訊成本都大幅低於CAN，且不需要CAN高性能、高頻寬和仲裁的功能。  

LIN相對於CAN的差異，主要是由於採用單線傳輸、低成本。LIN規格書包含了協議定義、實體層以及用於開發工具和應用軟體的介面定義，這是利用串列通訊介面(SCI)、數據格式、單主/多從概念、單線12伏特匯流排和沒有穩定時基節點的時脈同步。LIN串列低成本通訊概念和開發環境的標準，讓汽車製造商及其供應商能以非常經濟的方式製作、實現和處理複雜的網路分散式多工通訊系統，圖1為基本LIN系統架構。

資料來源：作者整理 圖1　基本LIN系統架構

LIN典型應用在如車門、導向輪、座位、馬達、氣候控制、照明、雨水感測器、智慧發電機、開關板或RF接收器等零件，可以很容易地把這些零件連接到汽車網路並接取各種類型的診斷和服務，是一種基於通用SCI(UART)介面的單線串列通訊協定，目前幾乎所有微控制器都配有UART介面模組，因此可以在任何單晶片上實現，並且，在LIN中媒體存取是由主節點控制而不須從屬節點的仲裁或衝突管理，因而可以保證最壞情況下的訊號傳輸延遲時間。  

同步機制亦是LIN的一個特殊特性，透過從屬節點恢復時脈而不需要石英或陶瓷諧振器，匯流排驅動器(Bus Driver)和接收器的規格是依照ISO 9141的標準，根據電磁相容性(EMC)和時脈同步要求而定義最大傳輸速度可達到20kbit/s。  

除了主節點的命名之外，LIN網路中的其他從屬節點並不須使用任何系統設置的資訊，亦即可以在不要求其他從屬節點改變硬體和軟體的情況下，可以在LIN Bus增加節點。但是，由於識別碼(Node ID 0～63)數量較少和傳輸速度相對較低，所以LIN Bus的設計，通常在十二個節點之下(儘管並不局限於此)，因此，時脈同步、簡單的UART通訊和單線介質是保證LIN經濟性的主要因素。  

CAN著重高速即時 為現階段車網主流  

CAN是德國BOSCH為了解決現代汽車電子系統內複雜的數據交換，所發展的一個即時、分散式通訊協定；乃使用訊框交換的方式來共享匯流排上的資訊，具有很高的即時性能，被廣泛應用在汽車、自動化的製造環境等領域。在CAN規範中只定義了資料連結層和實體層，描述訊框交換的規則以進行訊息共享以及位元編碼等，如表1所示。

◎表1　基本ISO/OSI與CAN參考模型之比較
ISO/OSI參考模型	各階層定義	CAN定義之項目
7 ： 應用層	提供能實際利用的應用服務。	允許直接存取資料鏈路層，對不同的應用需求進行擴充。
6 ： 表述層	進行數據呈現形式的變換。 例：數據壓縮、密碼化等控制。
5 ： 會議層	建立通訊對話成立之秩序以及正確的數據解譯。
4 ： 傳輸層	保證數據順序控制和錯誤再傳送以恢復的通訊品質。 例：錯誤更正、再傳送控制。	錯誤後再傳送之控制。
3 ： 網路層	進行數據傳送的路途選擇和傳達。例：單位之間的數據交換、位址管理。
2 ： 資料鏈結層	作為從實體層接收有意義之訊號，提供訊框、傳送錯誤控制等等的數據傳送控制程序。 例：存取方法和數據形式、通訊模式、同步模式、錯誤檢驗、應答、通訊模式、訊框、位元調變等。	訊框、通訊方式(點對點、廣播)、訊息仲裁、錯誤發生之檢驗及防範、故障抑制、應答方式等。
1 ： 實體層	對通訊使用的電纜、連接器等等的媒體、電氣的訊號表示規格制定。 例：訊號準位之收發器、電纜連接器等等的形態。	位元編碼、位元時序以及位元同步方式。

資料來源：作者整理  

然而，為了增進不同設備之間的互用性以及互換性，同時減低設計與製作不同裝置的複雜性，可針對使用者不同需求，定義應用層中的通訊服務。通常，應用層也考慮到裝置的功能模型(Function Models)，此功能模型稱為裝置子協定(Device Profiles)。比起原始CAN規範的資料連結層定義而言，整個CAN協定顯得更加靈活。  

最初CAN只被設計作為汽車環境中的微控制器通訊，在車載各ECU之間交換資訊，形成汽車電子控制網路，例如引擎管理系統、變速箱控制、儀表、電子主幹系統中，均嵌入CAN控制裝置。1993年，CAN已成為國際標準ISO11898(125k～1Mbit/s)和ISO11519(10k～125kbit/s)。  

由CAN匯流排構成的單一網路中，理論上可以掛載無數個節點，但在實際應用中，節點數目會受網路硬體的電氣特性所限制；另CAN可提供高達1Mbit/s的資料傳輸速率，這使即時控制變得非常容易，而且硬體的錯誤檢驗特性也增強了抗電磁干擾能力。  

CAN是一種分散式的串列通訊匯流排，基本設計規範要求位元傳輸速率高、高抗電磁干擾性，而且要能檢測出網路上的任何錯誤；因此，當CAN訊號傳輸距離達10公里時，仍可提供高達50kbit/s的資料傳輸速率。  

儘管CAN協定已經發展了約20年的歷史，但仍處於改進中；為了修正CAN事件觸發機制的缺陷，2000年ISO組織定義了一種時間觸發CAN訊息傳輸的協定，稱之為時間觸發通訊的CAN(Time-Triggered CAN, TTCAN)，其規格為ISO11898-4，已在積體電路上實現，不僅可實現閉迴路控制下支援訊息的時間觸發傳輸，而且可以實現CAN的X-by-wire應用。不過，因為CAN協定規範並未改變，所以在基於相同的實體層上，既可以實現傳輸時間觸發的訊息，也能實現傳輸事件觸發的訊息，使CAN的應用將更加的廣泛。

MOST兼容各種通訊娛樂設備  

如今的汽車中出現了越來越多的通訊娛樂設備，如：收音機、DVD、CD、電話、全球衛星定位系統(GPS)、電視等，這些複雜且各自獨立的系統希望能夠互相和使用者之間進行通訊，但往往因彼此沒有共同的介面而無法實現通訊。因此，有些需求將無法滿足，例如當車被偷時，安全系統可以將通過GPS進行失車定位；當人們在車內使用手機時，希望可以通過車載音響調節音量，或者直接通過車載的話筒進行通話；當車內接上筆記型電腦時，可以直接在車載的螢幕上操作電腦、觀看影片、收聽音樂等。  

基於這些需求，在寶馬(BMW)、戴姆勒克萊斯勒(Daimler Chrysler)、別克(Harmann Becker)、Oasis這幾家公司的共同努力下，於1999年研發了一種匯流排，一種能夠相容各種通訊娛樂設備，可以進行不同資料格式之間傳輸，高速有效的匯流排通訊協定--MOST。位於德國卡爾斯魯厄的公司Oasis於2003年提供了用於MOST的匯流排收發器(Bus Transceiver) OS8104。以此為車載電子娛樂通訊設備系統的開發與組網提供了一個規範的介面，降低了開發的成本與難度。  

MOST定義了一種功能強大的，用於多媒體資料服務的匯流排系統，涵蓋了ISO/OSI參照模型所有的七層(表2)，能在特有的拓撲結構下進行通訊，經典的結構為環形結構；MOST匯流排既可以實現為Single Master也可以作為Multi Master的系統，並運用光纖進行資料傳遞，加上環形結構的特點，使MOST具有良好的EMC，以及抗干擾能力。此外，MOST還具有很大的靈活性能夠隨插即用。MOST系統除了所需的MOST匯流排控制器外，還需要收發器作為數位與類比設備之間的連接，或者是與S/PDIF、I2S、I2C設備之間的連接。

◎表2　模型結構對比
MOST定義	ISO/OSI模型	MOST硬體
應用部分	應用層	微控制器
	表述層
網路部分	會議層
	傳輸層
	網路層
硬體部分	資料層	收發器(RSIC) 光纖收發器(Fiber Optical Transceiver, FOT)
	實體層

資料來源：作者整理  

為了能進行正確的資料傳送與接收，MOST匯流排需要全域的時脈同步訊號；正因為整個MOST系統是完全同步的，所有與匯流排相連的設備都與匯流排同步，因此緩衝區(Buffer)將不再被需要，這將降低設備成本。在MOST匯流排中的取樣頻率一般為30k～50kHz之間，所採取的取樣頻率將依據應用的不同而有所變化，例如CD的取樣頻率一般為44.1kHz，如果網路中只有音訊設備，那匯流排系統將採用44.1kHz的頻率，如果在網路中還具有DVD設備，DVD的取樣頻率為48kHz，不同的設備之間則需要取樣頻率的轉換，並將付出訊號錯誤的代價。  

FlexRay緊咬高複雜度安全應用  

網路拓撲結構對於汽車網路系統安全具有重要的影響，要保證汽車環境下通訊系統的可用性和可靠性，須對於特定應用進行優化。具有創新功能和安全特點的FlexRay發展於2000年，由BMW、DC、飛利浦半導體(現改名為恩智浦)、摩托羅拉半導體(現改名為飛思卡爾)共同推動，Robert Bosch、通用(GM)和福斯(VW)於2003年加入，目前已運用於BMW X5的底盤部分展開試驗性應用。  

由於汽車中新的電子應用數量和複雜度的增加，目前主流的汽車通訊系統CAN將漸漸無法滿足需求。因此，FlexRay的高可靠性的和容錯系統、高頻寬等，皆能實現複雜的應用，如X-by-wire轉向、剎車等。相對於CAN而言，FlexRay須處理更多參數、排程，例如管理超過四十個以上的匯流排參數和每個控制器也超過三十個以上的參數。並且，如果像CAN把訊息區分優先次序是不夠的，FlexRay還須定義一個精確的進度表。FlexRay滿足未來先進汽車高速控制應用的需要，同時支援分散式控制系統，並可彌補CAN、LIN和MOST等主要車用網路標準的不足。FlexRay協定主要定義於需要高速通訊頻寬和決定性容錯資料傳輸能力的底盤控制、車身和動力總成等場合。但是，FlexRay通訊系統並非僅是一個通訊協議，它還包括一種特殊設計的高速收發器，使單一通道的傳輸速率最高可達10Mbit/s。  

FlexRay聯盟(FlexRay Consortium)持續督促FlexRay的標準化，使之成為新一代汽車內部網絡通訊協議，如今已發展到成熟的FlexRay Spec. V2.1。此標準是針對「先進車輛自動化控制應用」而訂定的通訊系統，不但跨足所有車用電子通訊領域，並期望未來不久能夠取代CAN Bus，成為下一代的線控通訊系統。  

挾多重優勢　FlexRay受矚目  

圖2　FlexRay具有高可靠、高容錯和高頻寬特性

FlexRay作為下一代的車內控制系統必須能提供夠快的速度和可靠性(圖2)，傳統的CAN網路最高性能極限為1Mbit/s，但由於FlexRay具有兩個通訊通道，若一起進行通訊，則總傳輸速率可達到20Mbit/s，足足是CAN的二十倍。  

FlexRay還能提供很多CAN網路所不具有的可靠性特點，尤其是FlexRay具備的冗餘通訊能力可實現通過硬體完全複製網絡配置，並進行過程監測；不僅可像CAN和LIN網路這樣的單通道系統一樣運行，還可以作為一個雙通道系統的運行。雙通道系統可以通過冗餘網絡傳輸數據--這也是高可靠系統的一項重要性能(表3)。

◎表3　CAN、LIN、MOST、FlexRay比較表
網路	頻寬	實體層	拓撲	仲裁機制	技術基礎
LIN	1k～20 kbit/s	單線	匯流排	‧TDMA經由排程而來，無絕對/偶發的訊框 ‧事件觸發訊框CSMA/CD	TDM/TDMA
CAN	‧低速：125 kbit/s ‧高速：最高可達1MBit/s	‧低速：無遮蔽雙絞線(UTP) ‧高速：三條線	匯流排	‧CSMA/CA+AMP (依訊息的優先性)	TDM/TDMA
MOST	‧MOST25：25 MBit/s@48kHz ‧MOST50：50 MBit/s@48kHz	‧MOST25塑膠光纖 ‧MOST50 UTP	環形結構	‧控制通道CSMA/CA ‧非同步通道符記環狀(Token Ring) ‧沒有同步通道	TDM/TDMA
FlexRay	10 MBit/s	雙絞線(TP)	匯流排/星狀及與匯流排的組合/星狀拓撲	‧沒有靜態區間(TDMA) ‧動態區間 ‧動態迷你時槽(類似CSMA/CA)	TDM/TDMA

資料來源：作者整理  

車載網路是指通過某種通訊協議，借助雙絞線、同軸電纜或光纖等通訊介質，將汽車中各種電控單元、感測器、儀表等設備相互連接，一起協同工作。  

為了這個目的，有許多通訊協定應運而生，如CAN、LIN、FlexRay等，而FlexRay是繼CAN和LIN之後最新的通訊標準介面，可應用於管理多重安全和舒適等功能，例如線控操作、底盤控制、引擎控制等，FlexRay車載網路標準已成為汽車通訊的新基準，將在未來引導整個汽車電子產品控制結構的發展方向。  

(本文作者任職於車輛研究測試中心)