汽車電子架構(gòu)和CAN網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

作者 |李偉上?？匕舶踩珳y評中心安全測評部總監(jiān)

來源 |鑒源實驗室

01汽車電子的分類和組成

汽車電子是車身電子控制裝置和車載電子控制裝置的總稱。

a）車身電子控制裝置主要包括：發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)和車身電子控制系統(tǒng)等，這三類是汽車傳統(tǒng)的電子領(lǐng)域三大模塊，常被稱為動力、底盤和車身，我們通常談及的汽車電子以及汽車電子研發(fā)一般也是指這三個模塊內(nèi)的電子零部件，同時也是汽車電子零部件各大傳統(tǒng)巨頭占據(jù)強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢的領(lǐng)域，供應(yīng)商如博世、大陸、法雷奧、安波福、偉世通等。汽車電子控制裝置一般是指參與實現(xiàn)車輛啟動及安全運行直接相關(guān)的那部分汽車電子裝置，如發(fā)動機(jī)電子控制系統(tǒng)、燃油噴射控制系統(tǒng)、底盤電子控制系統(tǒng)、照明及燈光信號系統(tǒng)、ABS、ESP等等。

b）

車載汽車電子裝置，是在汽車環(huán)境下能夠獨立使用的電子裝置，它和汽車本身駕駛屬性并無直接關(guān)系。由于汽車已有100多年的發(fā)展歷史，車身電子部分發(fā)展日趨成熟，而車載電子發(fā)展時間相對較短，且賦予了汽車許多其他功能，近年來得到飛速發(fā)展，國內(nèi)零部件廠商在此領(lǐng)域占有一定優(yōu)勢，供應(yīng)商如斑馬智行、慧翰微電子、商湯科技等等，車載電子有車載冰箱、導(dǎo)航系統(tǒng)、影音娛樂系統(tǒng)、上網(wǎng)設(shè)備等。

1.1汽車電子的發(fā)展階段

第一個發(fā)展階段，1971年以前。汽車上開始出現(xiàn)比較簡單的電子控制設(shè)備，如電子閃光器、電子喇叭、間歇雨刮裝置、汽車收音機(jī)、數(shù)字時鐘、交流發(fā)電機(jī)等。

第二個發(fā)展階段，1974～1982年。此階段的標(biāo)準(zhǔn)是車載電子出現(xiàn)集成電路和16位以下的微處理器。主要包括自動門鎖、自動燈光系統(tǒng)、高速警告系統(tǒng)、撞車預(yù)警傳感器等。最具代表性的是電子汽油噴射技術(shù)和ABS技術(shù)的發(fā)展成熟，電子控制器控制機(jī)械功能在部分零部件上逐步成熟，這不意味著所有零部件上都是非常成功的，在此階段機(jī)械與電器的融合總體并不成熟。

第三個發(fā)展階段，1982～1990年。微電腦在汽車上的應(yīng)用逐步可靠和成熟，開始出現(xiàn)向智能化方向發(fā)展的趨勢。如胎壓控制、電子道路監(jiān)視器、加熱擋風(fēng)玻璃、倒車示警、自動后視鏡等。

第四個發(fā)展階段，從2005年至今。以自動防撞系統(tǒng)、動力優(yōu)化系統(tǒng)、自動駕駛、導(dǎo)航技術(shù)為代表，標(biāo)志性技術(shù)高級駕駛輔助的智能化汽車的出現(xiàn)。

02汽車人的新革命 電子架構(gòu)

2.1 汽車電子架構(gòu)產(chǎn)生的背景

這次的故事是發(fā)生在梅賽德斯奔馳。2000年梅賽德斯奔馳技術(shù)有限公司在C級車開發(fā)時，面臨一個問題：那就是電子電器越來越多，系統(tǒng)復(fù)雜性越來越高，如何將所有設(shè)備連接起來？我們都知道兩兩互聯(lián)時，連線的個數(shù)是n（n-1）/2。新增零部件越來越多，原有的各系統(tǒng)通訊互聯(lián)和開發(fā)方式的鏈路、成本、信號干擾將是原方式下無法解決的問題。結(jié)果是經(jīng)過一系列的論證操作，最終決定推倒重構(gòu)，重新設(shè)計整車電子電氣，從根本解決問題。1年后該款車型電子電氣總體設(shè)計完成，同步發(fā)布的E/E Analyse軟件也應(yīng)用于電子電氣架構(gòu)設(shè)計。

2.2 電子架構(gòu)的技術(shù)發(fā)展劃分

博世集團(tuán)2017年在一場行業(yè)內(nèi)會議上分享的汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展趨勢圖得到了業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)可，并逐漸成為了發(fā)展方向的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，被大家廣為引用。整個發(fā)展階段被劃分成立了6個步驟：

Modular模塊化階段:每功能ECU化設(shè)計；

Integration功能集成階段；

Centralization中央域控制器階段：中央域控集中管理ECU；

Domain Fusion跨域融合階段：中央域控制器合并整合;

Vehicle Computer & Zone ECUs行車電腦和區(qū)域控制器：行車電腦集中管理，部分區(qū)域ECU獨立管理;

Vehicle Cloud Conputing車載云計算階段：車載功能云端計算。

圖1 汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展趨勢圖

目前行業(yè)主流所處的階段為1階段，即模塊化階段。同時也有部分廠商和車型出現(xiàn)了2階段功能集成的車型量產(chǎn)。這部分廠商就是我們通常所說的以特斯拉為首的整車新勢力。在汽車行業(yè)，他們在傳統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)無法跟那些壟斷性的巨頭相抗衡，只能通過立足未來的方式來降維跟傳統(tǒng)企業(yè)形成競爭。這也是我們在這些車企的新車型上看到引入新的架構(gòu)、新的技術(shù)和嘗試。

隨著車載以太網(wǎng)技術(shù)的加持，新興車企在2階段技術(shù)上遇到的問題遠(yuǎn)比我們想象的要小，遇到的阻力主要來源于市場的檢驗（可靠性和質(zhì)量方面），以及傳統(tǒng)車企的抵制和阻撓。

當(dāng)車載以太網(wǎng)在車載通訊日趨成熟的時候，架構(gòu)發(fā)展向3階段演進(jìn)在技術(shù)上幾乎不存在難度，正常的零部件研發(fā)積累足夠形成跨代發(fā)展的所需。3階段和4階段的區(qū)別也只是設(shè)計上通訊方式不一致，導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計的不同。在通訊領(lǐng)域這種區(qū)別的技術(shù)問題早已解決，技術(shù)成熟發(fā)展了好多年，這可能跟博世的工程師在設(shè)計此圖時謹(jǐn)慎考慮有一定關(guān)系。

整個架構(gòu)中目前技術(shù)上的最大難點集中在了5階段和6階段，一個是中央行車電腦，另外一個是云計算中心。中央行車電腦的問題是目前我們所知的算力足夠的主流處理器在車載環(huán)境下或者類似場景下沒有任何應(yīng)用，換句話說就是沒有針對車載環(huán)境專門設(shè)計的高算力處理器和操作系統(tǒng)，這也會隨著市場需求的發(fā)展逐步解決。云計算中心的問題是算力足夠，但是車端和云端的通訊問題，數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)和可靠性如何得到保證。

2.3發(fā)展趨勢

行業(yè)內(nèi)很多伙伴發(fā)表了一些發(fā)展趨勢的言論，作者也在行業(yè)內(nèi)，也因興趣原因觀察了許久，總結(jié)自己經(jīng)驗斗膽發(fā)表下自己關(guān)于汽車電子和行業(yè)的一些趨勢看法，如有不同意見或引起不適敬請見諒。

最近這五年的時間段內(nèi)，汽車電子的以驚人的速度爆發(fā)性的進(jìn)行著發(fā)展。新能源汽車的蓬勃發(fā)展在特斯拉為首的電動汽車帶動下，撬動著傳統(tǒng)汽車的主導(dǎo)地位，我們在近期的車輛銷售排行榜上可以看到前十里面有多款新能源汽車了。在汽車圈內(nèi)很有可能發(fā)生當(dāng)初蘋果取代諾基亞的劃時代事件，汽車電子大體呈現(xiàn)以下的發(fā)展趨勢。

傳統(tǒng)的燃油車市場趨向飽和，以節(jié)能減排、行業(yè)輿論、國家倡導(dǎo)和個人降低使用成本為目的，充電汽車、混合動力汽車增長強(qiáng)勁。

電動汽車等新能源汽車推動汽車電子快速發(fā)展，帶動汽車電子產(chǎn)品的快速更新迭代，同時汽車電子在整車成本中的占比不斷升高，部分電動汽車車型中電子產(chǎn)品占成本比例可能比同級別傳統(tǒng)汽車高出一倍左右，并且繼續(xù)增加。

軟件定義汽車，這將不再是口號，軟件將成為汽車競爭的關(guān)鍵優(yōu)勢。汽車領(lǐng)域零部件供應(yīng)商的細(xì)分化，導(dǎo)致圈子內(nèi)硬件系統(tǒng)和解決方案的共享和開放性。單個車企或車型不可能獨占特有的零部件硬件，掌握軟件開發(fā)的整車廠會掌握軟件功能的獨有性。軟件將逐步成為車輛功能區(qū)別的標(biāo)志。通過軟件定義汽車不再是空話，軟件將逐步成為車廠核心。

汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)將持續(xù)影響深遠(yuǎn)。Google開放了Android，在手機(jī)系統(tǒng)中和蘋果聯(lián)手控制了移動設(shè)備的操作系統(tǒng)領(lǐng)域?；谕ㄓ没?、模塊化、快速研發(fā)的考慮，汽車開放式系統(tǒng)架構(gòu)目前高速在不同廠商中發(fā)展，這很可能變成汽車領(lǐng)域內(nèi)的Android，并且沒有汽車領(lǐng)域內(nèi)的蘋果，他可能會在汽車領(lǐng)域內(nèi)一家獨大。

汽車行業(yè)內(nèi)特有的整車廠和零部件供應(yīng)商的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致全球性的巨頭博士、大陸等在行業(yè)內(nèi)形成反向的對主機(jī)廠的一定制約性，他們在傳統(tǒng)的動力、車身、底盤領(lǐng)域的壟斷性優(yōu)勢讓新興的廠商短時間內(nèi)難以立足，且難以形成商業(yè)規(guī)模導(dǎo)致無法生存，這也是傳統(tǒng)零部件廠商利益利潤最大化，技術(shù)迭代緩慢等招人詬病的原因之一，也正是這點讓新興企業(yè)選擇在車載電子這塊傳統(tǒng)巨頭不重視的領(lǐng)域大力投入且不斷發(fā)起挑戰(zhàn)的原因。

以特斯拉為首的新興企業(yè)在車載電子的迅速發(fā)展，階段性取得一定利潤，且在年輕人中逐步引導(dǎo)汽車消費思維，讓傳統(tǒng)廠商感受到一定危機(jī)，傳統(tǒng)巨頭也會向車載電子領(lǐng)域發(fā)展?jié)B透。新興企業(yè)也會立足車載電子，向車身電子發(fā)起挑戰(zhàn)。根本解決一個問題的方法通常跟引起問題的原因不在一個領(lǐng)域，通常引入另一個維度的方法降維這個問題，因此新興企業(yè)的挑戰(zhàn)立足點應(yīng)該是站在汽車電子架構(gòu)的未來發(fā)展方向上，而不是跟傳統(tǒng)巨頭一樣來拼當(dāng)前ECU的解決方案。但是他們所選擇的立足點是否能代表未來方向目前沒有塵埃落定，只是在用戶功能領(lǐng)域引起了不錯的反響。

車載通訊及車載娛樂系統(tǒng)升級（FOTA和SOTA）的迅速普及，車載電子的趨于同質(zhì)化，以及車身電子和車載電子軟件系統(tǒng)的迭代更新速度差異，導(dǎo)致車廠在吸引消費者時，將加大對車載電子及軟件的重視。

上述的整車趨于同質(zhì)化，零部件廠商發(fā)展方向相互取長補(bǔ)短。我們似乎又看到了一個模子里出來的主機(jī)廠和零部件廠，這樣所有廠商的利潤會趨于降低，如何保證利潤會是所有廠家的苦惱，而前面提到根本解決一個問題的方法通常跟引起問題的原因不在一個領(lǐng)域，通常引入另一個維度的方法降維這個問題，開源節(jié)流提高利潤，我們說了開源的方向在未來廠家趨向同質(zhì)化，節(jié)流這塊一樣需要有突破。傳統(tǒng)的汽車和零部件研發(fā)方式已經(jīng)沿用很久了，大家也都意識到自己零部件研發(fā)的通用性能有效降低成本，AUTOSAR這些體系的建立是為了不同廠商之間的快速對接，但是零部件廠商內(nèi)部如何通用化絕對是一個待研究領(lǐng)域，新興企業(yè)如果掌握了同類型零部件內(nèi)部通用的研發(fā)手段，將極大提高業(yè)內(nèi)的話語權(quán)和生存能力，因為同樣一個零部件賣1000元，我內(nèi)部通用化研發(fā)攤薄成本是300，業(yè)內(nèi)平均成本是700，那多出來的部分就是廠家話語權(quán)的籌碼。所以我們看到了AUTOSAR這種在不同廠商間的技術(shù)體系迅速發(fā)展并成為趨勢，未來也一定會看到某個廠商內(nèi)部建立的以大幅降低研發(fā)成本的設(shè)備通用化研發(fā)體系出現(xiàn)。

03CAN 網(wǎng)絡(luò)

3.1CAN網(wǎng)絡(luò)的重要性

之所以把CAN網(wǎng)絡(luò)接著汽車電子后面就跟大家介紹，是因為CAN網(wǎng)絡(luò)很重要。我們都知道上層技術(shù)的發(fā)展，如整體的上層技術(shù)路線、技術(shù)演進(jìn)方向等等戰(zhàn)略層面的技術(shù)變革都需要底層很多技術(shù)的成熟和積累才能實現(xiàn)，前文介紹電子架構(gòu)誕生時講過ECU的互聯(lián)，那是屬于上層的演進(jìn)，而CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則是支持這些技術(shù)變革的底層基石。從CAN網(wǎng)絡(luò)誕生直至今日，一直是ECU通訊互聯(lián)的方式。哪怕現(xiàn)在隨著電子架構(gòu)的演進(jìn)，以太網(wǎng)架構(gòu)的引入，目前市場上以及車企研發(fā)中的所有車型，CAN網(wǎng)絡(luò)也是占主要地位，系統(tǒng)中CAN和以太網(wǎng)同時并存，且開發(fā)的模式幾乎都是先基于CAN網(wǎng)絡(luò)，然后向以太網(wǎng)移植。CAN網(wǎng)絡(luò)把車上所有電子零部件連接在了一起，它是零部件研發(fā)中重要適配功能，整車的各種上層功能，也基于CAN網(wǎng)絡(luò)的通訊得以在單個及多個零部件之間實現(xiàn)。CAN網(wǎng)絡(luò)主管著整車的通訊。

3.2 CAN網(wǎng)絡(luò)的誕生和發(fā)展階段

CAN網(wǎng)絡(luò)從上世紀(jì)80年代誕生發(fā)展至今，總共經(jīng)歷了5個關(guān)鍵階段。

a）1983年，德國的Bosch公司開發(fā)設(shè)計了CAN總線協(xié)議；

b）1987年，第一塊CAN控制器芯片由Intel公司設(shè)計成功；

c）1990年，第一輛應(yīng)用CAN總線的量產(chǎn)車Mercedes S-Class出現(xiàn)；

d）1991年，CAN2.0發(fā)布；

e）

1993年，CAN成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898(高速應(yīng)用) 和 ISO11519(低速應(yīng)用)。

3.3 CAN網(wǎng)絡(luò)的組成

CAN總線主要由四部分組成：導(dǎo)線、控制器、收發(fā)器和終端電阻。

a）CAN協(xié)議棧的通訊物理鏈路為兩根普通銅芯雙絞線；

b）CAN協(xié)議棧的控制器用于對收到和發(fā)送的信號進(jìn)行處理。接收收發(fā)器的信號處理后送入MCU，接收MCU送入信號處理后發(fā)送給收發(fā)器；

c）CAN協(xié)議棧的收發(fā)器用于接受和發(fā)送信號。將網(wǎng)絡(luò)信號接收發(fā)送給控制器處理，將控制器處理好的信號發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)；

d）

電阻的作用是過濾CAN總線信號產(chǎn)生變化電壓的反射，為120Ω（高速CAN）。若無終端電阻，控制單元的信號無效。需要注意的是在整車電子的設(shè)計解決方案中，如果整車統(tǒng)一設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)終端電阻，那ECU段無需再設(shè)計；如果ECU保留了終端電阻，那在整車統(tǒng)一電阻箱中就不能再配置電阻。二者只能選其一。在硬件研發(fā)階段，如果SOR未標(biāo)注，則必須跟項目相關(guān)DRE和VSE工程師進(jìn)行確認(rèn)。

3.4 CAN網(wǎng)絡(luò)特點

a）CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信沒有主從之分，任意一個節(jié)點可以向任何其他（一個或多個）節(jié)點發(fā)起數(shù)據(jù)通信，靠各個節(jié)點信息優(yōu)先級先后順序來決定通信次序；

b）多個節(jié)點同時發(fā)起通信時，低優(yōu)先級節(jié)點的避讓，不會對通信線路造成擁塞;

c）最大通信距離可達(dá)10KM(此時速率低于5Kbps)，通訊速率可達(dá)到1Mbps(此時通信距離小于40M）；

d）

CAN總線經(jīng)過多年的發(fā)展，可靠性非常高，也是以太網(wǎng)段時間無法取代CAN網(wǎng)絡(luò)的原因之一。

3.5 CAN網(wǎng)絡(luò)特點

CAN網(wǎng)絡(luò)是一種復(fù)合的類星型網(wǎng)絡(luò)，為什么說是類星型網(wǎng)絡(luò)而不是星型網(wǎng)絡(luò)后面會細(xì)說。因此在CAN網(wǎng)絡(luò)中也存在一個網(wǎng)關(guān)，在傳統(tǒng)的燃油車，或者現(xiàn)在一大批的車型當(dāng)中，由BCM(車身控制器)來作為網(wǎng)關(guān)， 由于近幾年新能源車的不斷發(fā)展，BCM作為網(wǎng)關(guān)而集成的其他功能越來越多，因此很多廠商將這個“網(wǎng)關(guān)”的名字進(jìn)行了變更，如IBDU、ICGM、中央行車電腦等等，大家看到名字跟我文中寫的不一樣時不用懷疑是否是文章寫錯了，這只是各個廠商名字的命名不一樣。所以現(xiàn)在車輛當(dāng)中的“網(wǎng)關(guān)”很多是由BCM逐漸集成其他功能，慢慢演變而來。

CAN網(wǎng)絡(luò)總線由2根銅芯雙絞線構(gòu)成，一根can_high，一根can_low。類似通訊網(wǎng)絡(luò)，在企業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)中我們根據(jù)區(qū)域不同、部門不同等等將網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的網(wǎng)段進(jìn)行管理。在CAN網(wǎng)絡(luò)中電子架構(gòu)部門會根據(jù)整車電子零部件的不同使用或代表的歸屬屬性進(jìn)行劃分，不同的劃分我們叫做CAN網(wǎng)絡(luò)域。同理我們上文提到的車身電子三大塊，在網(wǎng)絡(luò)中也是同樣的劃分，PT CAN為動力CAN、CH CAN為底盤CAN、Body CAN為車身CAN。這3個域適用于所有廠商所有商用車型。另外還有娛樂系統(tǒng)的Info CAN，Tbox車輛通訊出口的Diag CAN診斷CAN。除此之外電子架構(gòu)會根據(jù)車型實際ECU進(jìn)行自定義的網(wǎng)絡(luò)域劃分，在新研發(fā)的新能源車型中，CAN網(wǎng)絡(luò)域的個數(shù)可以到達(dá)15個。電子架構(gòu)組會定期發(fā)布整車CAN網(wǎng)絡(luò)車架圖，研發(fā)小伙伴需要定期同步，也可以從這個車架圖中找到自身零部件所在域位置，以及其他通網(wǎng)絡(luò)域的設(shè)備，是否有兩兩硬線互聯(lián)的情況，如有直接互聯(lián)使用何種連接（USB、純硬線），這也是本章節(jié)前我提到的CAN網(wǎng)絡(luò)是類星型網(wǎng)絡(luò)的原因。在星型網(wǎng)絡(luò)中通常不存在兩兩互聯(lián)的情況，星型網(wǎng)絡(luò)中多出兩兩直接互聯(lián)情況，要不是錯誤連接導(dǎo)致環(huán)路，要不就是備用冗余鏈路設(shè)計。

圖2 車輛網(wǎng)絡(luò)車架簡圖

a）PT CAN (PowerTrain CAN ) 動力總成CAN總線，顧名思義負(fù)責(zé)車輛動力系統(tǒng)，是整車所有CAN網(wǎng)絡(luò)信號中優(yōu)先級最高，信號傳輸速率最快的一條CAN總線。

PT CAN總線上一般有以下ECU：

·BMS ( Battery Management System ) 電池管理系統(tǒng)

·ECM ( Engine Control Module ) 發(fā)動機(jī)控制模塊

·EPB ( Electronic Park Brake ) 電子駐車系統(tǒng)

b）CH CAN (Chassis CAN) 底盤控制CAN總線，車輛底盤控制整車轉(zhuǎn)向、制動等，功能安全等級要求較高。

底盤CAN總線上一般有以下ECU：

·ABS ( Antilock Brake System ) 防抱死制動系統(tǒng)

·ESP(Electronic Stability Program)車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)

·EPS(Electric Power Steering)電子轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)

c）Body CAN車身控制總線，車身CAN通常連接空調(diào)等輔助設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)信號優(yōu)先級相對上面兩個網(wǎng)絡(luò)低。

Body CAN總線上一般有以下ECU：

·BCM(Body Control Module) 天窗, 車窗, 霧燈, 轉(zhuǎn)向燈, 雨刮等

·TPMS(Tire Pressure Monitoring System) 胎壓監(jiān)控系統(tǒng)

·AC ( Air Condition ) 空調(diào)

d）Info CAN ( Infomercial CAN ) 娛樂系統(tǒng)總線，通常車載娛樂主機(jī)和車輛駕駛座儀表連接在娛樂CAN，因此通訊優(yōu)先級也是較低。

Info CAN 總線上一般有以下ECU：

·AVN( Audio& Video Network) 車載娛樂系統(tǒng)，也有叫IVN等不同縮寫的

·IPK(Instrument Pack) 中控儀表臺

e）DiagCAN ( Diagnose CAN ) 診斷CAN

DiagCAN總線主要提供診斷功能，通常只有一個ECU：

·Tbox（Telematics BOX）

參考文獻(xiàn)

[1] 車電子技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了哪三個階段？

[2] 科普中國-汽車電子.

[3] 汽車電子電氣架構(gòu)的起源是什么?

[4] 汽車CAN總線入門.

審核編輯黃宇