車體網路系統  
人類神經系統大約有1,000億個神經元緊密互相聯接,構成極為複雜的大腦神經網路,管控人類各部位器官使其能正常運作;當然,本文並不是要研究人類醫學,而是要來探討如同人類神經般複雜的車用神經系統網路。老實說,車內網路系統並不像人類具有1,000億個神經元這般複雜,但隨著車內電控控制項目的增加,已經成為汽車發展中的必然趨勢,為的是要讓汽車能更具有人性化。

 這些車內的電控系統,有如人類手腳,幫助汽車能夠像人類一樣的走路(移動)、說話(通訊)、停止(煞車)、吃飯(燃油系統)等等。在汽車環境逐漸變成日益複雜的網路系統,如何使車內一系列眾多相關的設計想法能在汽車上得以實現,不論是引擎控制、變速系統、電子電控轉向系統、電子電控煞車系統,一套完善的車用通訊協定,能讓所有資料與車內完整的神經網路相結合。

 車內也必須建構一套完整的內部聯絡系統

 幾十年前,汽車電子資料便開始利用汽車內部匯流排通訊系統傳輸資料,發展至今有40幾種以上汽車通訊協定。在發展初期,美國汽車電子工程協會(SAE)將車內通訊協定,概括粗分為:Class AClass BClass C等三項規範,以不同的傳輸速率,分別應用在不同的車內電子系統,如:電動椅、空調、車身電子診斷系統、汽車動力系統。

 隨著通訊、網路技術向上發展,加上新的車用通訊協定不斷被開發出來,過去這三項規範已不符合目前車內龐大電控系統所需,並逐漸開枝散葉衍生出各式不同車用電子式設備,如:行動多媒體系統平台(Mobile Media)、安全匯流排(Safety Bus)、電子線圈操控(X-by-wire)及車內偵測網路系統(Diagnostics等等。一般來說,車內網路的協定、規範大多是針對不同的工作環境所制定,具體來說,未來可能成為車內網路主流通訊協定,大致可分為:LINCANJ1850ByteflightMOST等,為的就是最後能實現如同家庭無線網路般的車內網路系統平台。

 緊密連接車內脈絡 CAN匯流排是目前主流

 要能在日趨複雜化的車用電控系統中準確又穩當地控制車子「手腳」,除了車用電子設備完美的詮釋之外,設備與主要汽車電腦控制台(汽車電控系統中心)之間無礙的通訊(資料傳輸)環境也格外重要。電子元件之間資料傳輸量越來越大,過去的線纜串聯技術已不敷使用,過多的線纜連接只會增加安裝的困難,也讓車內電子控制單元變得更加複雜。

 因此,在20多年前德國汽車廠,便提出了匯流排CAN通訊協定Controller Area Network;控制器區域網路,這也是目前車用網路領域中被最常用到的技術。簡言之,CAN是一項多工串列通訊協定,串聯起分散在車內電子模組資訊,是一種多主控、多重播送的車內通訊協定,主要控制車內各電子系統裝置及ECU之間交換資訊,構成一道緊密的汽車電子控制網路。

 以一般的汽車來說,車內骨幹網路系統,大致上可以分為動力系統網路(power-train network)、防鎖死煞車系統Anti-Lock Braking SystemABS,兩種不同的系統網路,超過90%的廠商都會使用到CAN匯流排技術,這倒是有點像是網路分享器的概念,藉此減少線路的安裝費用,可靠度也比較高,以車內較短的傳輸距離,CAN能提供快速的傳輸速率。相較於其它匯流排系統,CAN通訊匯流排的這些特性,很自然地在汽車電控傳輸系統中受到廣泛應用。 


圖說:車用雙匯流排結構。資料來源:Intel提供

 短距、低速、低成本的LIN次匯流排

 在低成本考量下,LINLocal Interconnect Network;互連式區域網路次匯流排也成為汽車網路系統中令人期待的新串列通訊系統。這套系統是由歐洲汽車製造協會所開發出來,其具備短距離、低速網路通訊、低成本的特色,被應用在汽車上各式電子系統的低速通訊協定。

 LIN在開發出來後,汽車業界希望兩種協定能有互通性,CAN能完成車體內部通訊,而LIN則用於部分的電路系統,分別負責車內不同的電子設備,讓LIN「次」匯流排,名符其實的輔助現有汽車網路系統(CAN匯流排),在不須高速、寬頻傳輸的汽車電控系統,能以較低成本的LIN匯流排替代,如:車身控制、駕駛資訊、制動裝置間通訊、系統智慧感測器等,如能換用LIN匯流排替代,便能降低使用成本。

 MOST支援影音、多媒體傳輸系統

 在車用市場興起一股影音多媒體的同時,一種具高速、穩定、又適合用來作為影像、音樂傳輸的系統就變得很重要;基本上,汽車上所使用的衛星導航系統、多媒體系統或是後座影音系統設備,對於傳輸頻寬要求遠遠超出CAN或其它通信匯流排架構的負荷能力。
 由BMWBecker Automotive SystemsDaimler-ChryslerOasis Silicon Systems共同組成的協會,所制訂的MOSTMedia Oriented Systems TransportMOST)光纖網路,支援資料速率達到25Mbits/s,已逐漸應用在車用影音匯流排技術,成為支援車用影音多媒體系統中不可或缺的重要匯流排傳輸技術。
 


圖說:衛星導航、影音多媒體大量應用於車內,完善的傳輸系統不可缺少。

 MOST是以高速匯流排為主要導向,由於高速的特性使然,十分適合應用在車用影音多媒體匯流排傳輸技術。但是,MOST是採用環狀架構加以連結,萬一在訊息傳送的過程中出現了問題,環狀連結就會斷掉,匯流排會整個停止反應動作。因此,MOST匯流排只能使用在非安全、非控制關鍵性任務的應用上,就算停止動作也不會影響到行車安全。消費電子協會(CEA)預估,在2008年之後MOST光纖網路將連接起50%左右的汽車多媒體影音設備。

 byteflight也是另一種光纖傳輸協定

 除了MOST之外,還有另外一種以光纖傳輸的方式,業界稱之為byteflight,是由BMWMotorolaElmosInfineon共同開發出來。byteflight匯流排是以10MBps的速率處理數據,採用塑膠光纖作為傳輸的介質,以星型網路結構的形式呈現,其中最特殊的是byteflight能提供雙向通訊功能,讓車內網路傳輸系統更為完整。

 目前來看,byteflight是一項用於無安全性之虞,舒適性和車身控制的傳輸系統。另外,從其它應用角度來看,byteflight也具備可觀的市場前景,在高即時性、高傳輸速率以及在惡劣的電磁環境中,byteflight也能有傳輸無礙的優勢。

 技術融合、系統推陳出新 才是車用通訊協定要走的路

 隨著汽車電子系統的複雜性增加,要如何能打通車體的「任督二脈」尤其重要。舉例來說,車輛中網路微處理器的數目非常多樣化,加上有許多車輛的電控系統是彼此相連,更增加其複雜性。但是,汽車市場走向,卻也不得不如此,因為汽車業者也相當清楚,要吸引消費者的青睞,不斷推出新的車用電子系統,不僅代表汽車產業的進步,也是突顯與其它車廠、車款不同之處。所以,各家車廠不斷喊出「電子技術將是未來汽車未來發展重心」。 


圖說:未來汽車通訊協定勢必會朝著標準化、規格化的方向而走。

 在一開始,車內匯流排構想被提出來時,大都寄望能各自形成一個單一協議標準,但是面對成本壓力,以及車用電子各個子系統間陸續的推陳出新,單一協定標準似乎已不可行;從上文的介紹可知,車上的每一個電控系統都必須具有該系統的獨特性,例如,與安全息息相關的汽車電子控制系統與汽車行進間控制系統,必須要能兼具系統檢錯功能,對於資料安全性也有較大的要求,已成為第一優先的考慮因素。

 反觀,要求最大頻寬及傳輸速度的汽車資訊、多媒體娛樂設備及汽車衛星導航系統,則需要比較高的性能作業系統和系統間聯通性。在這麼多有關於汽車匯流排協定的爭論中,各個傳輸系統支持者都希望取代其它匯流排通訊協定;不過,在筆者看來,目前車用通訊協定的「亂中有序」情形將會延續下去,多種協定還是會持續存在車內,必須經過長久性的技術融合加上車用系統不斷更新,未來汽車匯流排協定才有「統一」的可能性。