車用電子進入網路時代 車用通訊技術趨勢研討會實錄

車用控制網路之研發趨勢與應用  

講師：工研院南分院家庭網路科技中心黃永慶  

根據市調機構IC Insights的資料顯示，車用電子化產品比例逐年增加，在1974年時，全球車用電子化產品的比例僅有2%，但在2001年時已達20%，估計2010年時將高達40%，其市場發展潛力已受到國內外電子廠商的關注。  

從汽車產量發展趨勢來看，2004年時全球汽車產量為6,461.6萬輛，若以每年100萬輛的增加速度，在2010年全球汽車的生產量將突破7,000萬輛。龐大的汽車市場自然引起廠商的重視，使得車用電子成為近來興起的熱門產業，吸引廠商積極投入。  

而為因應車上有愈來愈多的電子化產品，因此產生車用電子控制裝置網路化的需求，以提供更高頻寬及更可靠的網路機制。工研院南分院家庭網路科技中心黃永慶表示，目前車用控制網路主要包括媒體導向系統傳輸(Media Oriented Systems Transport, MOST)、控制器區域網路(Controller Area Network, CAN)、局部互連網路(Local Interconnect Network, LIN)以及新一代的FlexRay等幾種標準。由於MOST的成本高，且僅限於車用影音通訊裝置，未來發展有限，而應用於車體動力控制的CAN技術成熟，將持續為主流標準，且CAN被談論的次數最多，因為CAN的技術規格幾乎能夠涵蓋所有LIN的運用(圖1)。  

至於發展近5年的FlexRay，如今已接近高度成熟，此標準是針對先進自動化控制應用而訂的通訊系統，可提供高傳輸速率、備援傳輸通道，現在FlexRay正積極搶進車用電子領域，期望能夠取代CAN，預計將是下一代線傳控制系統(X-by-wire)車輛應用的主要技術。因此工研院便積極著手進行研究下世代明星主流技術FlexRay，黃永慶表示，在2000年由BMW、戴姆勒克萊斯勒(Daimler Chrysler)、飛思卡爾(Freescale)、通用汽車、飛利浦等產業財團共同創造建立FlexRay技術，是一種特別適合應用於下一代汽車的新型網路通訊系統。電控應用需要具有確定性、容錯性及支援分布式控制系統的高速匯流排系統，因此非常適合採用FlexRay技術，FlexRay將使汽車發展成百分之百的電控系統，完全不須後備機械系統的支援。  

此外，FlexRay可以滿足關鍵的汽車應用要求，如可靠性、可用性、靈活性和高數據速率，以彌補目前汽車內主要的網路標準如CAN、LIN和MOST等之不足。FlexRay協定主要用於底盤控制、車身以及動力引擎(Powertrain)等須要依賴高級通訊頻寬和容錯性資料傳輸的應用。  

黃永慶針對FlexRay進一步解說其主要特性：  

．在單頻道時，資料傳輸率最高可達10Mbps  

．穩定的資料傳輸與可預測的訊息延遲  

．高彈性擴充布局方式支援匯流排  

．匯流排監控機制確保時域中可控制錯誤範圍  

．完善的網路喚醒機制  

．先進的功率處理可支援CAN、LIN、MOST協定  

．X-by-Wire應用  

至於FlexRay的主要應用領域，黃永慶表示FlexRay可替代CAN匯流排，應用於骨幹網路、即時應用與分散式控制系統、針對安全的系統、所有汽車電子控制應用，包括人體和舒適度電子控制、溫度控制、轉向控制、操動控制加速控制、儀表板、導航、安全和感應器電子、動力系統和底盤電子，提供帶CAN的微處理器(MCU)及LIN介面協定。  

FlexRay可以實現大量不同拓墣的應用，由於FlexRay有多種網路拓墣結構，包含點對點連接結構、被動匯流排結構、線性被動匯流排結構、主動星狀結構、串接型星狀結構、混合型拓墣結構等。黃永慶表示，FlexRay節點可以支援兩個訊息通道，因而可以開發單訊息通道和雙訊息通道兩種系統，在雙訊息通道系統中，不是所有節點都必須與兩個訊息通道連接。  

在網路拓墣中，可於接收器和發送器之間採用星型連接器，可提供點對點連接，尤其在高傳輸速率和長傳輸線路中尤為明顯。此外，星型連接器具有故障隔離的功能。例如，如果訊號傳輸使用的兩條線路短路，只有到星型連接短路的節點才會受到影響，其他所有節點仍然可以繼續與其他節點通訊。  

車用電子整合控制的量測技術挑戰  

講師：美商國家儀器台灣分公司資深應用工程師孫偉恩  

孫偉恩指出，汽車電子領域相當廣泛，包含數種系統，包括：  

．引擎/傳動系統：如電子點火系統、自動變速箱等。  

．懸吊/底盤系統：包括動力方向盤、底盤控制、ABS煞車系統等。  

．車身系統：包括車燈、空調、天窗等。  

．駕駛資訊系統：GPS、主控台等。  

．安全系統：包括安全氣囊、防碰撞雷達等。  

．防盜保全系統  

．關鍵IC零組件：CPU、記憶體、微控制器(MCU)，以及溫度、壓力、影像感測器等。  

在一套完整的汽車電子系統架構(圖2)中，是以微控制器為中心，加上記憶體、無線通訊傳輸系統，以及各種通訊及輸出入介面。車用電子控制單元(Electronic Control Unit, ECU)即包括電源、MPU、通訊鏈路、離散輸入、頻率輸入、類比輸入、開關輸出、脈寬調制(Pulse Width Modulation, PWM)輸出和頻率輸出等九大模組，而一部汽車內可能就有好幾套不同的電子系統。在多種電子元件之間如何進行測試，是工程師的一大挑戰。  

在過去，汽車電子代表的僅是一套車用音響系統，測試工作比較簡單，使用一部示波器，再加上一具電表即可進行測試，但是如今卻變得愈來愈複雜，針對附加在汽車上的導航、行動通訊、網際網路、電腦遊戲、AM/FM收音機、遠端故障診斷、衛星保全、衛星廣播、DVD、CD、數位電視等功能，都必須使用不同的儀器進行測試(圖3)。  

虛擬儀控的概念即是以模組化的硬體，加上彈性化的軟體，在軟硬體之間取得平衡，利用產業標準PXI工業電腦架構，將日趨複雜的測試工作予以簡單化，只須使用一部PXI儀器，即可藉由改變軟體，而進行不同測試工作。藉由圖形控制開發環境，則能簡化電腦語言架構，節省程式開發及除錯時間。  

孫偉恩表示，以往使用C語言撰寫程式，須自行設定許多變數、參數，且須定義許多函數，而使用LabVIEW之類的圖控式語言，則能免除自行逐行編寫程式的步驟，直接以圖形介面，依照資料流概念，進行拉線、接線，即可完成程式開發工作。圖控式語言亦提供模組化的開發環境，可利用副程式建立階層式的系統，並重複使用程式碼。藉由預設模組，工程師得以更容易開發出具有美觀操作介面的測試程式，並節省大量時間。業界標準的虛擬儀控開發工具軟體，包括NI LabVIEW、微軟Visual Basic、Visual C++、MATLAB，以及LabWindows/CVI等，其中以LabVIEW市占率較高。  

使用虛擬儀控概念，由PXI硬體測試平台與圖控式軟體建構而成的車用電子測試系統，能同時包含車外廣播通訊、車外無線通訊、音響聲控、影像顯示、車內無線通訊、車內匯流通訊等測試項目，並提供客製化測試操作介面(圖4)。孫偉恩表示，面對未來汽車電子產業的挑戰，產品從設計，到製作雛形產品，到導入量產，其間的過程愈來愈短，在每一環節中並且會產生大量的設計變更、產品規格變更等要求，因而在研發、建立模型、設計、模擬、修改，以致於生產階段，測試工作的挑戰性愈來愈高，而採用虛擬儀控解決方案，將有助於降低開發難度，並節省測試成本。  

車用GPS晶片設計與導航系統應用  

講師：SiRF資深應用顧問暨亞太區技術經理阮業輝  

瑟孚科技(SiRF)資深應用顧問暨亞太區技術經理阮業輝指出，在車用電子領域，衛星定位服務備受矚目。世貿組織(WTO)之下的服務貿易總協定(General Agreement on Trade in Services, GATS)即針對GPS與航跡推算法(Dead Reckoning, DR)組合而成的車載導航系統，提出精確度規範。而GPS與導航系統的使用者，則總是希望業者以最低成本達到最高精確度與可用性。在此情況下，單獨的GPS與輔助式GPS(A-GPS)就成為業界探討重點。  

提高定位準確度方式，在單機式GPS與GPS/DR系統各有不同。單機式GPS是藉由衛星訊號、GPS測量處理、GPS導航處理，而得到位置、速度、方向等資訊；而GPS/DR系統則是藉由衛星訊號，加上回轉與計轉感測器，再加上GPS測量處理、GPS導航處理，而得到位置、速度、時間、方向等資訊。目前已有GPS晶片業者推出結合GPS與航跡推算的解決方案，將航跡推算感應器與GPS定位予以結合，進行合併式導航，亦即同時利用GPS衛星訊號、速度、方向等資料，進行導航計算。  

展望未來趨勢，阮業輝指出，車用GPS將與影音娛樂結合，並與通訊技術結合發展緊急救援、安全防護、車輛故障協助，以及客服中心相關服務。而在導航功能上，則將結合交通資訊廣播、速度警示等功能。此外，車用GPS亦將與氣象、購物，以及故障診斷、故障預測等服務進一步結合。  

(詳細圖表請見新通訊63期5月號)