汽车的未来:插上网络的翅膀

经过近一个半世纪的演变，汽车早已经不再单纯是人们代步的工具，从强调驾驶乐趣到休闲娱乐，再到如今最热门的车载信息平台，电子产品在其中发挥着越来越重要的作用。

随着科技的不断发展，车载电子产品的数量和复杂性都在不断提高，旨在把握消费者对驾驶与娱乐体验的预朗，占得市场先机。碰撞警示系统、舒适性控制系统、信息娱乐系统和先进驾驶员辅助系统只是当今众多复杂应用陧序的冰山一角，这些应用程序对车载网络中与车栽网络间的带宽和互连的需求日益增加。汽车网络技术市场需求不断增长，汽车产量日益提高，这将使更多应用于车载的半导体产品应运而生。

从最早的纯机械传动，到引入各种电子技术，再到更多电子技术的加入，由于车内主控台只有一个，因此汽车内各电子单元需要组成一个可靠的网络用以控制各个电子单元。经过多年的开发及严格验证，车内网络有着几种不同的标准，如CAN,LIN之类的低速网络已经非常普及，而FlexRay和Mo ST总线也正努力推向更多的量产车型，甚至包括Ethernet也由传统的计算机网络领域转向汽车网络领域拓展，并且未来将会有很大的发展空间。在车用网络给汽车行业带来契机的同时，网络类型的多样性和信息带宽的激增也同样对整个汽车电子产业链提出了新的挑战。

汽车网络技术和市场的发展脱离不了汽车产业的大趋势。汽车行业未来的发展很大程度上依赖于汽车电子技术的创新和应用，而汽车网络作为汽车内部各电控单元、人机界面以及车辆与外部环境之间信息交互的纽带将扮演越来越重要的角色。汽车产业在过去的10年间于安全和舒适两个方面有巨大的飞跃，相信大家都会有感性认识。10年前很多高端车遥不可及的选配安全或舒适功能，现在已经成为了家用车的标配。全球平均每辆车CAN-LIN-FlexRay总线节点从2006年少于10个，到目前已超过20个。

在未来的10年中，决定汽车产业格局的趋势将是节能和移动互联，这些领域对汽车网络的带宽、安全性、能效、耐压、可靠性、抗干扰性、可仿真性、可扩展性、自适应性都提出了新的需求。短期内，主动安全电子技术，例如防碰撞、智能刹车或基于雷达的距离控制应用可会出现增长，而它们同样需要车内数据网络。从长期来看，远程信息处理应当在未来数年出现增长。我们预见的变化是汽车内电子产品的使用将会越来越多，以应对各个控制系统内的处理能力和数据通信的爆炸性需求。当然，市场的影响因素并非只有技术，随着需求的上升和市场的成熟，竞争也日益激烈，对于产业链供货商的成本控制，规模效益和创新能力都提出了新的要求。

以上四个市场趋势对汽车总线半导体提出了三个方面的需求：

性能路线：更高的带宽(FlexRay，以太网)、更强的EMC／ESD性能、更低的功耗、更好地在大规模不规则网络中的抗共振、在新能源车中的高压隔离通讯、在节能传统车中的主动能量管理以及在车联网中的网络安全加密和验证等等。

标准化路线：网络通讯发展的前提是标准化。CAN、LIN、FlexKay都是经过车厂和半导体厂商共同研发多年而推出的车内总线标准。

优化路线：已有的网络标准有很多性能优化的需求，例如部分网络总线(Partial Networking,)为电池车和新能源车提供更高级的能量控制，使网络称为整车能量管理的一部分，系统基础芯片(System Basis Chip)将网络，不同总线不同应用

在车身相关的网络中，LIN，CAN，FlexRaty这几种总线技术分别适用于不同的应用领域，并将在很长一段时间内并存，它们将在最合适自身特点的领域发挥特长，找到存在的市场支撑。对于不同总线类型未来的发展趋势，判断的主要依据是，该网络是否具备其他网络不可替代的优势，这些优势主要包括成本，技术，市场的接受和普及程度等。整车厂商在强调安全的前提下，正在力求降低下一代汽车开发的复杂性，通过将多个网络合并为几个网络或在可能时合并为一个车载网络，可以有效地减少车载网络的数量。由于涉及车型刷新周期的问题，这一发展过程可能需要较长的时间。因此基于以上几点笔者认为未来LIN，CA Nl FlexRay还将会在很长时间内并存，并在最适合的领域找到生命力。因为，在车身网络中，目前没有哪一种方案可以满足所有需求。

各种总线技术应用和定位略有不同，在长期以来和很久的以后都将共存共荣。关于车内网络各种标准的应用，各个厂家有各种不同的见解。

恩智浦汽车网络产品线全球市场及业务发展总监李晓鹤认为。CAN作为车用主干网已经是成熟技术。大部分车型都已经配备2路以上CAN网络。根据不同车型，可能使用高速或容错CAN。LIN则在局部总线。例如车门、空调、座椅、车灯模块中以低成本占有不可替代的位置。LIN源于欧洲，之后在美国被标准化成SAE2602,目前在欧美车型中已经相当普及，其中不乏高端车型出现S路CAN，10路LIN的情况。FlexKay安全性模块提供更好的带宽，故障隔离和可预测性。Bthernet原于诊断，但未来会看到更多摄像机主动安全，多媒体，车联网甚至车辆云计算的应用。

飞思卡尔汽车电子市场经理钱华则解释，LIN适用于车身电子对成本敏感度较高的子节点应用，主要用于后视镜，雨量传感器和门窗等的控制：CAN是一种应用范围比较广泛的总线。从低速的车身电子网络到发动机和底盘系统，甚至包括各种基于网络的诊断系统都可以使用CAN；HexKay?2005年最先商用于BMW-X5底盘控制系统，一开始便奠定其在车用网络中高可靠性和安全性应用场合的基础。

富士通半导体汽车电子产品经理丁洁早指出，在未来3年内，CAN总线网络预计在汽车网络市场里仍将占据主导地位。不过，新的车内数据传输网路要求三高：高速，高可靠性，高灵活性。Flexray总线系统从技术上来说，可以非常理想地解决这些难题。不过从器件成本上来看，Hexray目前还是要比CAN总线高出很多。我们将会看到，在那些成本不是太敏感的控制系统方面，比如驾驶控制系统，汽车产业界将会推动系统设计者开始大力引入Flexray总线控制技术。

爱特梅尔公司汽车电子亚太区营销总监吴彦翔表达了自己的看法，每种网络技术拥有各自的细分应用领域，由于各种技术在规格和数据速率方面都不相同，因此能够在单一汽车系统内共存。例如，CAN和Flexgay可以用于数据密集(data-intensive)和安全关键性(safety-critical)应用如ECU、TCU和信息娱乐设备：而LIN则适用于舒适性应用和车身应用，像车身控制模块(body controlmodule，BCM)、

车窗模块、门锁模块等等。因此，未来数年车载网络技术将会增长，而其中某些技术更可能出现大幅增长，以LIN为例，其年均复合增长率(CAGR)将会达到两位数。

新兴高速总线

随着车内传输速率要求越来越高，更多高速网络总线标准被引入汽车网络，其中比较突出的是MOsT和以太网。

MOST总线专门用于满足要求严格的车载环境。这种新的基于光纤的网络能够支持24.8Mbps的数据速率，与以前的铜缆相比具有减轻重量和减小电磁干扰(EMI)的优势。MOST传输协议由分割成帧的数据块组成，每一帧包含流数据、分组数据和控制数据。MOsT的定义是非常普通的，允许采用多种拓扑结构，包括星形和环形，大多数汽车装置都采用环形布局。一个MOST网络中最多可以有64个结点。一旦汽车接通电源，网络中的所有MOST结点就全部激活，这对低功耗、停电模式设计是一大重点，包括系统处在该种状态下的功耗量以及如何进入状态。MOST结点在通电时的默认状态是直通(Pass-throught)，即进入的数据从接收器直接传送至发射器，以保持环略的畅通。

安华高工业线缆部总经理MartinWeigert介绍，如今MOST 2s是汽车的高速网络的主体。随着MOST 1S0在2012年的推出，通信速度已经增加了6倍，涵盖了视频和驾驶员辅助在未来几年的应用。下一代速率将会达到几个Gbit／s MOST系统已经开始定义，并会继续像光网络和MOST系统的在汽车上的一样获得成功。该解决方案可满足需要高分辨率和非压缩数据的高速摄像头以及线束和连接器严格的EMI要求，因此使用光缆，这些光缆完全抗电磁干扰。富士通半导体丁洁早就认为，带MOST总线的车载多媒体系统将成为市场的主流，从以前的高档车市场进入到更多的中低档车市场，从以前的发达国家市场进入到发展中国家市场。

Martin Weigert看到，越来越多的汽车已经配备了许多摄像头和传感器用于安全应用和驾驶员辅助。这种趋势将会继续，甚至在低端车领域。随着燃油价格和二氧化碳问题，混合动力汽车和电动汽车越来越普遍。这些车将使用复合材料以减轻重量。所有这些趋势将要求汽车拥有更严格的EMI和高速网络。基于光纤的传输网络将解决所有这些问题，并越来越多地采用规模效应将成本降低到对汽车制造商非常有吸引力的水平。MOST系统主导了过去10年汽车的高速网络，MOST150系统现在能够通过“隧道”以太网链接到消费行业，证明了在未来几十年以太网将是在消费工业占主导地位的网络。

关于以太网，去年以太网巨头博通公司联手汽车电子网络巨头飞思卡尔、恩智浦及相关产业厂商共同推动以太网在车内网络的应用。

博通基础设施和网络集团汽车网络产品高级产品线经理Tiraothy Lau介绍，车载带宽需求的增长远远超过了对资讯娱乐和导航的需求。事实上，对更高带宽的需求正在重新定义各种汽车运动和安全应用程序。在这种环境下，汽车电子产品无法再被视为一系列彼此无关的独立组件，而是逐步演化为一个更为无缝的车载网络。以太网技术能够在整车范围内驱动显示和资讯娱乐应用程序的音频和视频数据包，管理车身控制系统、被动式乘员安全装置等。买家希望以最低的价格购买最新的技术和功能。从客户的角度来说，无非就是要求提升功能、互连和性能，而价格必须保持在可承受的范围之内。同时，供应商面临着既必须严格遵守行业管理规定的挑战，还要确保整个车内开放式架构兼容性的挑战。通过使用经检验的基于IP的以太网技术进行互连，汽车制造商可以缩小单个网络中的功能和娱乐之间的差距，并大幅降低互连成本和电缆线重量。这一点恰恰是以太网最大的优势。

飞思卡尔钱华直言，汽车行业中新技术的应用和普及从来不会太快，因为安全性和可靠性是汽车行业区别很多其他行业的标志，然而行业之间的相互渗透可能会加速这一进程，正如之前所说，消费电子和计算机领域中已经广泛应用的网络系统正逐步渗透到汽车行业。例如Ethernet，早在上世纪80年代初已经应用于计算机网络的产物。直到2008年才被宝马最先应用于BMW-7系轿车用于诊断接口中。虽然截至目前在汽车领域商用的Eth ernet节点总数不到一百万个，但我们相信未来Ethernet将会成为增长最快的网络协议。

安华高的Martin Weigert非常关注的一点是，许多传感器分布在汽车内将提供有价值的信息来提高发动机的效率。一个专用网络实时搜集所有传感信息。更多的设备和传感器装入汽车，使线束重量不断增加。在电动汽车高速网络架构中使用塑料光纤替代同轴电缆，可以大大减少线束的重量。传输信号的完整性和服务质量面临更加严峻的挑战，因为混合动力汽车和电动汽车将会有更高电磁干扰的要求。这种趋势来自混合动力或者电力引擎。这些引擎使用屏蔽不好和接地的复合材料。同时更高的数据传输速率和更轻的材料要求使用光纤传输技术。

对上面所介绍的车内网络做个简要总结，网关将不同的总线系统连接在一起。随着时间的推移，专有的总线系统或点链接点将会消失，越来越多的汽车制造商将使用高容量的标准总线系统，同时规模经济将推动CAN，LIN，Flexray和MOST的成本下降。

部分工作网络(Partial Networking)一将网络从被动传输介质变成主动能量管理的一部分。我们会在未来电池车和传统车中看到广泛的应用。

FlexRay一应用于高带宽高安全性的动力系，传动系功能，欧洲高端车已经量产应用，不久会在欧洲中端车中和美国和日本的车型中出现。

以太网一未来车辆诊断。主动安全，多媒体和通讯的有效解决方案。

隔离总线一新能源车高低电压区中保护ECU，保护人体，保证通讯的总线。

48V网络一增强微混能量回收和驱动向小型化的车体供电网络。

高压电池通讯网络一解决电池车单体电池组高压堆叠通讯可靠性问题的网络。

汽车与外界的通信要求引发了telematics(车载资通讯、远程处理、通讯、信息服务)技术的迅速发展。乘客对家外之家(车内)的互连、安全等级和舒适性等方面的期望值越来越高。车内通信的要求将推动从封闭式单个应用程序向开放式的可扩展网络(可管理多个应用程序)的过渡。随着驾驶员和乘客对数字通信技术变得越来越在行，他们的需求也变得更为复杂，汽车行业预见到了对车内带宽日益增加的需求。因此，在符合汽车电子产品的严格行业标准要求的同时，推出了高带宽互连，不仅提高了网络性能而且价格经济实惠。基于以太网系统的大规模采用将实现新的功能

和应用程序在广泛车型中的应用，从而提升驾驶员安全性、舒适性和资讯娱乐功能。同时意味着即将生产出新一代的汽车。来为驾驶员和乘客提供各种令人激动的“智能型”新功能。

在博通Timothy Lau看来，“先进驾驶辅助系统”，特别是辅助镜头停车系统，将随着汽车网络的发展得以广泛使用。例如，基于以太网的360°全景停车辅助系统可以将多个数字传感器和摄像头与低感光度、高分辨率的图像和视频捕获结合起来，这是将汽车运动管理系统从封闭式的应用程序过渡到开放式的可扩展驾驶员辅助网络(多个系统可同时在该网络中访问和共享重要信息)的一大创新。通过将经济实惠的以太网技术与使用价格实惠的CMOS图像传感器收集的高分辨率图像相结合，汽车OEM厂商可以有效地将复杂的停车辅助系统扩展到更多车型，从而使重要的辅助功能不仅可以推广到豪华车市场，而且可以推广到非豪华车市场。

富士通半导体汽车电子产品经理丁洁早则聚焦在移动网络。未来的Telematics系统将要求，对智能手机提供更方便的连接性，而且要面向云计算平台来设计。为了支持对智能手机的连接，处理器必须要支持蓝牙。USB和Wi-Fi等各种连接协议。云计算的引入，将会使人们更加关注人机界面(HMI)的改进，要求处理器必须具备非常高性能的图形处理器引擎。富士通最新GDC产品MB86R11。采用了ARM CA9 CPU内核，内部的Ruby 3D图形处理引擎可以用来设计更加绚丽的人机界面，在芯片连接性方便，则提供蓝牙、USB Ethemet的连接。我们预计4G／LTE技术将会给汽车网络带来全新的变化。4G／LTE最高超过100Mb／s的传输速率，车内用户将可以实时观看高清视频网络点播，视频聊天和实现其他海量的后台云计算应用。

从上世纪80年代开始，汽车就不仅仅是个代步工具，越来越多的人喜欢在驾驶的过程中享受更多的娱乐和信息服务，这就是Infortainment(信息、娱乐)。而对于21世纪的汽车而言，舒适性不仅仅指的是汽车的驾乘体验，更包含车内信息娱乐系统的丰富程度和服务质量，可以说，InfortainmentE经成为当前汽车厂商一个重要的产品卖点，甚至成为汽车差异化的先锋。

爱特梅尔公司汽车电子亚太区营销总监吴彦翔在谈论Infortainment(信息、娱乐)和远程信息处理系统时认为，它们需要大量的实时数据，还可让用户检索来自服务提供商的附加数据。随着蜂窝数据网络覆盖了主干网，我们看到车内信息娱乐系统使用越来越多功能强大的处理器、甚至多内核(multi-core)处理器，来应对车载软件应用、实时视听和图形处理方面不断增长的需求。

飞思卡尔钱华感觉，Infortaiment技术的演进，使得汽车越来像消费电子领域靠拢。因此传统消赞电子的产品将在汽车领域找到用武之地。对于面向Infortaiment系统的数据传输网络种类很多，有MOST，APIX，USB和Bluetooth等，相对于传统的用于控制系统的网络协议如LIN,CAN,FlexRay，Infortaiment网络数据传输的特点是数据带宽的增加和处理复杂度的提高，这就需要处理器能有较高的主频以及数字信号处理能力，此外在IntfortmmenL系统设计中，围绕处理器的整体开发环境支持也变得至关重要，一个良好的开发生态环境将帮助客户提高开发效率，加决上市的时间。

车联网的挑战

车联网的产业链复杂，盈利模式多样，传统汽车产业的主导一整车厂和模块制造商的统治地位受到来自内容服务商，运营商和通讯制造商等的挑战。各有自己的强势和短板，各方又都没有足够的力量独自构建整个产业链，目前是在合作，融合和摸索期。业务的融合形成交叉技术，而带来新的挑战。

传统通讯芯片和通讯模块应用在汽车中对软件，硬件的车规，可靠性，EMc，直至供应商的组织，供货，物流，支持，风险管理都有不同的要求。另外，通讯芯片的换代周期是几年，而汽车系统设计包括配件维护一般要求芯片厂商有超过10-15年稳定供货。对于系统的可扩展、可互换性，以及上层应用和硬件系统间的相对独立都有新的要求。

车内网络和车联网的融合带来另外的挑战是汽车的网络安全性。近几年，黑客通过蓝牙，胎压检测，诊断接口，无线门禁系统攻击车内网络，读取控制ECU的事件时有报道，但大部分停留在学术研究范围，车联网普及后，这部分会成为现实问题。

最后需要提到的是，智能交通不只是车联网，基于802.11p的car2x通讯，包括车间和车辆与道路设施实时通讯是实现主动安全的未来趋势。与Telematics不同，主动安全中对通讯的响应时间和可靠性有苛刻的要求。智能汽车控制

智能汽车需要智能控制，即使发动机没有运行。为了避免汽车电池耗尽，电动汽车需要消耗很少的电力。新的应用类似使用相机传输车辆周围的图片到智能手机上来提高安全性能，在夜间从一个孤独的停车位显示汽车外部图像。丢失或被盗的汽车位置可能通过GPS把信号连接到智能手机上。甚至可以使用无线数据流来驱动硬盘中的音乐或导航软件更新。如果发动机熄火的话，高速低功耗的网络将有助于消耗更少的功率。在汽车上的电子元件的要求总是比消费品行业更高。最新的半导体技术的改进组件将需要追赶快速消费品应用。在行驶汽车内，远程信息处理将需要新服务，如实时交通消息，汽车附近的信息服务，驾驶员的健康监测和自动的SOs呼叫和通知等，所有这些服务将需要非常耐用的和可靠的电子和半导体器件。

随着越来越多的应用出现，安华高的Martin Weigert指出，我们都看到在智能手机和片剂消费者希望汽车业能够提供相同的服务。将许多的功能整合到一个主控单元将花费汽车制造商太多的开发时间。新功能的电子控制单元(ECUs)将会需要并且分布在有限的汽车空间内。这将需要更高速率的网络。汽车和汽车通信或汽车与基础设施的通信使车内网络的数据流量将进一步增加。所有数据需要在极低的延迟时间下传输，以使驾驶辅助系统，或自适应控制，安全气囊系统激活，使重要的安全信息迅速生效。

谈及智能汽车控制，瑞萨电子大中国区首席工程师小和濑靖明表示，在电动汽车或混合动力汽车的数据传输速率要求很高，和传统汽车相比在信息传输上有严格的规定，以此提高发动机的效率。此外，越来越多的ECU进一步增加需要传输的数据量。要在汽车内实现如此复杂的网络环境，需要使用数量越来越多的各种型款微控制器，涉及从8位到32位，以满足各种汽车控制系统不断增长的处理能力要求。为此，半导体厂商需要更好地了解客户实际设计需求和车用等级的产品，瑞萨电子大力推进与客户的合作和产品的系统性，充分发挥所有产品的特点，为客户提供更多的选择，以满足我们客户的需求，这样能够极大地增加瑞萨电子产品的技术竞争力。