汽车电子标准化亟待统一

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  William Wong


   摘要：随着汽车电子技术的飞速发展，车辆环境逐渐变成日益复杂的网络系统，如何使车辆标准这一发展过程中有更高的效率和可靠性也显得更为重要，本文就车辆网络、电子、安全系统、动力系统等几个方面提出了建议。
   关键词：CAN 42/14V 车载半导体 MOST Safe-by-Wire
   在未来的一段时间里，汽车将是电子技术发展的重要领域，不过现代汽车与以前汽车相比已大不一样，它日渐成为一个大型的、越来越复杂的网络，并且更多的电子系统和零部件还在不断的增加。这一转变折射出汽车设计业正在进行的静悄悄的一场革命。在不久前还被当作是开创性的功能，如ABS、电子点火系统、保护气囊、后座视频娱乐系统，现在已被当作是标准配置。今天的汽车所带的电子零件数目通常是十年前上一代产品的两倍以上，而且这种趋势在加速。随着更多功能的不断增加，汽车电子系统同时也将更加复杂。

   然而，随着汽车电子系统的复杂性的增加，标准化问题显得尤为重要。业界转向采用CAN(控制器区域网络，Controller Area Network)解决方案的趋势是最明显的例子。但是，目前，全世界有多达40多种车辆网络标准，在低末端，局部互连网络(LIN)也正在使用。多媒体网络技术的标准，包括IEEE-1394标准的修改版本，如何在另一个更加复杂的环境中改进样也正饱受争议。此外，软件标准在车辆软件发展中由于需要更高的效率和可靠性也显得更为重要。OSEK/VDX也并不是汽车工业唯一的开放标准，马达工业软件可靠性协会(MISRA)的相关标准对提高软件在汽车工业中的应用是有帮助的。但并不是所有标准都是适合汽车工业的，它们终归是为嵌入式应用程序的开发应用而提出的。
   所有的车辆最终将变成更为广阔的网络，甚者比任何家庭和绝大部分办公室网络还要复杂。车辆中网络微处理器的数目将是非常之多，其中许多的处理器将是和车辆的制动控制系统联系在一起的。汽车的网络和软件在使用发展中还将承受更大的压力，但是这种技术的使用将会使车辆指挥和控制的方式更多。目前，CAN协议出现在各种各样应用场合，从到机器人到医疗设备。CAN的灵活性、低成本和标准化使它成为一个更多昂贵网络方式中理想的选择。
   目前，在美国大量的汽车中使用的是41.6 kbit/s 的J1850，虽然J1850听起来像是一个单一的标准，但它包含了两个相异和不兼容的规程。通用汽车公司和克莱斯勒公司使用10.4kbps可变脉宽规程的相似版本，单总线通信。福特汽车公司采用速度更高41.6kbps PWM型，在双总线差分通信。从全球经济看，单一的网络标准可能更好的解决问题。现行的EPA规定要求测试和诊断工具都要有与J1850的接口，就是嵌套系统设计师们想用数据率更高的CAN也不行。有些北美的发动机和变速器系统使用CAN进行通信，但这些系统也要有一个网关入口处理器来适配J1850。
   在过去几年中，这种CAN接口逐渐赢得许多领先的汽车制造商的认可。CAN被欧洲汽车厂商广泛采用。虽然通用汽车、福特、戴姆勒-克莱斯勒公司一直使用较慢的J1850总线，但他们也计划在今后几年内，将该技术应用在汽车的传动装置和引擎控制上。据Strategy Analytics公司统计，2001年用在汽车上的CAN节点数目超过1亿个。汽车零件及系统供应商Visteon公司电子技术开发全球总监Martin Thoone表示：“花了大约20年的时间，这种CAN总线作为一种标准终于得到大多数汽车厂商的认可。”
   在所有的交通工具设计中，安全性是必须考虑的问题，而在过去20年中，汽车安全功能无论在数量上，还是复杂性方面都在急剧增加。目前的标准双气囊配置，可能只是将来实现更高级别功能的前奏。工程师们正在认真考虑，在汽车设计中增加一系列防护设备，包括侧面、头部和后座安全气囊、双程气囊、可膨胀膝部辅助装置、侧面窗帘以及热感应启动预紧式安全带。与此同时，各种新型传感器也在开发中，包括前向红外和电波传感器、探测重量和座位占用情况的传感器。
   如果这些系统投入应用，未来的汽车也许能够探测前方道路上的障碍物，并向安全气囊系统发出告警信息，降低其在可能发生的碰撞中的启动阈值。与此同时，新型防护系统(包括前、后和侧面安全气囊)将非常齐全，可以为乘客创造一个汽车制造商所描述的“保护蚕茧”。还将增加智能功能，在汽车发生翻滚时做出反应，在不同时间启动不同的安全气囊或防护设备。
   线控安全(Safe-by-Wire)协会是一个旨在解决此问题的组织，发起者包括Autoliv、Delphi 汽车系统、摩托罗拉、飞利浦半导体、Special Devices和TRW公司。该协会推荐一种双绞铜线总线，速度达到200Kbits/s。Safe-by-Wire方案最具吸引力的特征之一是，能够在单一总线上同时传输数据和电源。博世、西门子和Temic公司也提出了一种颇具竞争力的两线式总线架构，用于安全气囊系统控制。宝马汽车也开发了一种ByteFlight总线系统，用于他们的一款汽车型号。
   在未来数年的汽车设计中，最令人激动的创新也许来自线控系统的发展。虽然今天的汽车刹车和转向系统都借助于物理连接和液压传动，来将驾驶者的意图传递到车轮和引擎，但线控系统是将指令发送到刹车，或通过微处理器及电子启动装置来进行制动。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、防碰撞，并为汽车最终实现自动驾驶打下基础。 这些创新功能的基础是一种宽带总线结构，能够满足严格的容错要求。对安全性至关重要的部件，如转向和刹车系统，必须能够进行可靠的、无缝配合。
   然而，作为一种事件驱动型(event-driven)总线，CAN无法提供下一代线控系统应用所需的容错功能或带宽。因此，一个由汽车厂商和供应商所组成的协会，提出了另一种称为FlexRay的时间触发型总线结构。通过将传递信息的重要性进行区分，FlexRay的数据速率达到10Mbits/s，并能提供汽车制造商以前采用液压系统时所配置的余量。许多汽车厂商准备采用FlexRay代替CAN，用在汽车传动和底盘上。
   虽然针对传动装置和引擎控制的网络带宽要求在提高，但与信息娱乐设备所发生的变化相比，也显得黯然失色。巡航装置、远程信息处理、后座视频设备，以及大量新型多媒体设备，对带宽要求远远超出CAN和其它通信总线架构的负荷能力。然而，蜂拥而至的数字信号对传输速率的要求，需要一种全新的总线结构来提供支持。为了促进这些新出现的声频和视频应用的开发，供应商正在通过汽车多媒体接口协作组织(AMIC)进行合作。AMIC是一个包含12家世界最大汽车制造商会员的工业组织。 该组织制订了许多总线标准，但与面向媒体的系统传输(MOST)总线相比，最初制订的这些标准已经显得落后。MOST是一种光纤总线，由宝马汽车、Becker Automotive Systems、戴姆勒-克莱斯勒和Oasis Silicon Systems公司所组成的一个协会所制订，支持数据速率达到25Mbits/s。汽车制造商，包括奥迪、宝马和戴姆勒-克莱斯勒，已经开始在投产的汽车中使用MOST技术，特别是高档汽车型号中。
   虽然目前汽车中的大多数远程通信和多媒体系统使用MOST总线，但厂家对于一种基于1394或Firewire标准的总线也提供了许多支持。厂家花了数年的时间开发IDB-1394标准，这是1394标准的一个版本，针对汽车应用中严格的EMI和温度要求作了修订。AMIC发布的最新标准，包含了MOST和1394兼容平台二者所具有的性能和设计指标。
   对1394标准也有争论。人们对其扩展到更高带宽的能力表示怀疑，但也必须接受这一事实，即数百万消费产品，从便携式摄像机、PC、打印机、扫描仪到视频游戏机、海量存储设备，都已经在使用这一标准。
   并非所有用于汽车信息娱乐的总线结构都是采用有线连接的。Delphi Delco Electronics公司无线产品及移动多媒体业务总监Bob Schumacher说：“我们开始看到来自无线技术的竞争，例如蓝牙和Wi-Fi，通过这些技术你能以非常高的速度交换数据，无需线缆或连接器。”在最近举行的消费电子展览上，Delphi展示了一款用在Saab 2003 Model 9-3上的蓝牙技术。
   汽车供应商Visteon最近也将其MACH话音链接(Voice Link)产品推向市场，用在BMW的一款已投产的新型号上。这是一种基于蓝牙的话音激活系统，采用语音识别技术来识别100多种基本指令。
   在以节能、环保和安全为中心的现代汽车中，电气设备越来越多，电气负荷越来越大，这就要求汽车电气提供更高的电能，传统的14V电压供电系统已经捉襟见肘，为此，一种新型的双电压(14/42V)供电系统即将在汽车上应用。

   在传统的14V电压供电系统中，因电压太低，新的电气设备的应用受到很大的限制。因为若满足用电设备所需的更大功率，就需要增大电流，这不仅不利于整个电气系统的稳定，而且也使电线中耗电量增加。解决此问题的唯一方接就是提高供电系统的供电电压，使之满足电气设备的需要。同时，在同等功率的情况下，提高额定电压值，可以大大降低额定电流，这样不仅可以减小电气设备本身的体积、质量和损耗，也有利于控制装置的小型化和集成化。
   目前，汽车业就如何使用14/42V电压供电尚未完全达成一致。通常把用电设备分成两部分：中小功率负载由14V电压供电；大功率负载(电控机械制动装置、电控机械气门正时装置、三元催化转换加热器、电气悬架等)由42V电压供电。此双电压供电系统有两个关键器件，一个是DC/DC变换器，它能把交流发电机叫输出的42V高电压转靠到14V的电压。另一个是装在发动机和变速器之间的“起动-发电机”，借助一个半导体整流-逆变功率变换器，它不仅充当交流发电机，发出42V的高电压，而且在发动机起动时还作为起动机用。
   增加车辆电压可以增加带负载能力而又不要求更昂贵和更重的线路，但并不是所有的电器都会得益于42V系统，像某些感应器、半导体、照明装置或火星塞。例如汽车的前灯是按14V系统设计的，而且技术已相当成熟，如果直接用42V系统，它的寿命会大大降低。当然，双电压供电系统还存在着一定的缺点。两个蓄电池组不仅占用很大的空间、也使汽车自重增加。
   2002年，在日本横滨举行的“车载半导体研讨会--汽车的未来与车载半导体解决方案”上。在主题演讲中演讲者表示：必须尽早着手制订车载半导体相关标准。汽车技术咨询家Arturo Krueger以“汽车的未来与半导体的作用”为题做了主题演讲。Krueger首先指出必须清醒地认识到这样一种事实，即截止2000年车载半导体只占整个半导体市场的5%。目前的情况是，与面向计算机等产品的普通半导体相比，车载半导体具有要求的支持温度范围广及定制产品多的特点，因此制造商为了这5%做出了相当大的投入，这正是妨碍市场进一步扩大的主要原因。
   车载半导体面临的不只是市场份额小的问题，还面临着另外一大问题，即开发周期长产品寿命长的问题。一般情况下手机等普通消耗类产品的开发周期为3个月、产品寿命为6个月。而汽车的开发时期长达3年、产品寿命则长达10年。因此，车载半导体很难跟上半导体产业技术革新的步伐。
   Krueger认为，为了解决这些问题，最重要的是推进半导体产品的标准化。通过实现量产，使制造商容易参与进来，并提高开发速度等。值得参考的是高水平实现标准化的计算机产业和通信产业。汽车产业在半导体领域应向上述两产业学习。


2004-3-8