Jianyuan Lab
發(fā)布時(shí)間：2022-07-18 作者：李偉 點(diǎn)擊次數(shù)：次
系列簡(jiǎn)介：為了讓不了解汽車電子零部件測(cè)試領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)的工程師盡快入門，或者讓其他相關(guān)人員對(duì)本領(lǐng)域內(nèi)的測(cè)試內(nèi)容有所認(rèn)識(shí)，我們編制了汽車電子測(cè)試相關(guān)的此系列文章。希望對(duì)閱讀者有所幫助。本系列文章從汽車電子架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)歷史開始，逐步往汽車電子零部件的嵌入式軟件，零部件的通用基礎(chǔ)功能各網(wǎng)絡(luò)診斷服務(wù)等方面內(nèi)容，從粗到細(xì)、由寬泛到具體，逐步展開。
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(dòng)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(dòng)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(gè)模塊內(nèi)的電子零部件，同時(shí)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(shì)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(shí)現(xiàn)車輛啟動(dòng)及安全運(yùn)行直接相關(guān)的那部分汽車電子裝置，如發(fā)動(dòng)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(hào)系統(tǒng)、ABS、ESP等等。
1.1 汽車電子的發(fā)展階段
第一個(gè)發(fā)展階段，1971年以前。汽車上開始出現(xiàn)比較簡(jiǎn)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(shí)鐘、交流發(fā)電機(jī)等。
第二個(gè)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(dòng)門鎖、自動(dòng)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(gè)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(shì)。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(dòng)后視鏡等。
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
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(chǎng)行業(yè)內(nèi)會(huì)議上分享的汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)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(gè)發(fā)展階段被劃分成立了6個(gè)步驟：
Modular模塊化階段:每功能ECU化設(shè)計(jì)；
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(dú)立管理;
Vehicle Cloud Conputing車載云計(jì)算階段：車載功能云端計(jì)算。
圖1 汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)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(shí)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(shì)力。在汽車行業(yè)，他們?cè)趥鹘y(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(jìng)爭(zhēng)。這也是我們?cè)谶@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(chǎng)的檢驗(yàn)（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(shí)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(jì)上通訊方式不一致，導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)此圖時(shí)謹(jǐn)慎考慮有一定關(guān)系。
2.3發(fā)展趨勢(shì)
行業(yè)內(nèi)很多伙伴發(fā)表了一些發(fā)展趨勢(shì)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(yàn)斗膽發(fā)表下自己關(guān)于汽車電子和行業(yè)的一些趨勢(shì)看法，如有不同意見或引起不適敬請(qǐng)見諒。
最近這五年的時(shí)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(dòng)汽車帶動(dòng)下，撬動(dòng)著傳統(tǒng)汽車的主導(dǎo)地位，我們?cè)诮诘能囕v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(shí)代事件，汽車電子大體呈現(xiàn)以下的發(fā)展趨勢(shì)。
傳統(tǒng)的燃油車市場(chǎng)趨向飽和，以節(jié)能減排、行業(yè)輿論、國家倡導(dǎo)和個(gè)人降低使用成本為目的，充電汽車、混合動(dòng)力汽車增長(zhǎng)強(qiáng)勁。
電動(dòng)汽車等新能源汽車推動(dòng)汽車電子快速發(fā)展，帶動(dòng)汽車電子產(chǎn)品的快速更新迭代，同時(shí)汽車電子在整車成本中的占比不斷升高，部分電動(dòng)汽車車型中電子產(chǎn)品占成本比例可能比同級(jí)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(hào)，軟件將成為汽車競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。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(gè)車企或車型不可能獨(dú)占特有的零部件硬件，掌握軟件開發(fā)的整車廠會(huì)掌握軟件功能的獨(dú)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(dòng)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(huì)在汽車領(lǐng)域內(nèi)一家獨(dú)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(duì)主機(jī)廠的一定制約性，他們?cè)趥鹘y(tǒng)的動(dòng)力、車身、底盤領(lǐng)域的壟斷性優(yōu)勢(shì)讓新興的廠商短時(shí)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(diǎn)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(fèi)思維，讓傳統(tǒng)廠商感受到一定危機(jī)，傳統(tǒng)巨頭也會(huì)向車載電子領(lǐng)域發(fā)展?jié)B透。新興企業(yè)也會(huì)立足車載電子，向車身電子發(fā)起挑戰(zhàn)。根本解決一個(gè)問題的方法通常跟引起問題的原因不在一個(gè)領(lǐng)域，通常引入另一個(gè)維度的方法降維這個(gè)問題，因此新興企業(yè)的挑戰(zhàn)立足點(diǎn)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(diǎn)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(cuò)的反響。
車載通訊及車載娛樂系統(tǒng)升級(jí)（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(fèi)者時(shí)，將加大對(duì)車載電子及軟件的重視。
03
CAN 網(wǎng)絡(luò)
3.1 CAN網(wǎng)絡(luò)的重要性
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(gè)關(guān)鍵階段。
a）1983年，德國的Bosch公司開發(fā)設(shè)計(jì)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(jì)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；
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(duì)收到和發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行處理。接收收發(fā)器的信號(hào)處理后送入MCU，接收MCU送入信號(hào)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(hào)。將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接收發(fā)送給控制器處理，將控制器處理好的信號(hào)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)；
3.4 CAN網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)
a）CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信沒有主從之分，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以向任何其他（一個(gè)或多個(gè)）節(jié)點(diǎn)發(fā)起數(shù)據(jù)通信，靠各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息優(yōu)先級(jí)先后順序來決定通信次序；
b）多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起通信時(shí)，低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的避讓，不會(huì)對(duì)通信線路造成擁塞;
c）最大通信距離可達(dá)10KM(此時(shí)速率低于5Kbps)，通訊速率可達(dá)到1Mbps(此時(shí)通信距離小于40M）；
3.5 CAN網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)
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(huì)細(xì)說。因此在CAN網(wǎng)絡(luò)中也存在一個(gè)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(gè)“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(shí)不用懷疑是否是文章寫錯(cuò)了，這只是各個(gè)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(huì)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(dòng)力CAN、CH CAN為底盤CAN、Body CAN為車身CAN。這3個(gè)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(huì)根據(jù)車型實(shí)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(gè)數(shù)可以到達(dá)15個(gè)。電子架構(gòu)組會(huì)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(gè)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(cuò)誤連接導(dǎo)致環(huán)路，要不就是備用冗余鏈路設(shè)計(jì)。
圖2 車輛網(wǎng)絡(luò)車架簡(jiǎn)圖
a）PT CAN (PowerTrain CAN ) 動(dòng)力總成CAN總線，顧名思義負(fù)責(zé)車輛動(dòng)力系統(tǒng)，是整車所有CAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)中優(yōu)先級(jí)最高，信號(hào)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(dòng)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(dòng)等，功能安全等級(jí)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(dòng)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(hào)優(yōu)先級(jí)相對(duì)上面兩個(gè)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(jí)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(tái)
e）DiagCAN ( Diagnose CAN ) 診斷CAN
· 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(gè)階段？https://zhidao.baidu.com/question/303452032222336804.html
[2] 科普中國-汽車電子. https://baike.baidu.com/item/%E6%B1%BD%E8%BD%A6%E7%94%B5%E5%AD%90/10692413
[3] 汽車電子電氣架構(gòu)的起源是什么?https://zhidao.baidu.com/question/495429057.html
[4] 汽車CAN總線入門. https://blog.csdn.net/weixin_48498880/article/details/111903144
