轻型商用车车载网络架构

张凌露，高李明

（南京依维柯汽车有限公司，江苏 南京 210028）

随着现代汽车电子技术的迅速发展，采用车载通信网络实现电子控制单元或系统间信息多路传输越来越普遍。目前国内乘用车领域车载网络的技术应用已基本达到成熟水平，但商用车领域在电子技术应用上总体上比乘用车滞后，车载通信网络应用和开发水平还处于起步阶段，缺少开发经验和指导规范。本文企图通过行业应用情况分析并结合南京依维柯某车型开发实践，对轻型商用车车载网络架构进行探讨。

1 轻型商用车车载网络的应用背景

日趋严格的节能、环保法规、消费者对汽车产品安全性、舒适性日益增高的要求，需要具备复杂控制功能的汽车电子系统，如发动机电子控制系统、自动变速器控制单元，这些技术的应用推动了商用车向电子化和智能化迅速发展。为完成这些复杂系统的控制功能，单元间需要交换大量的数据。这些控制器实时性和可靠性要求高，需要通过数据网络实现信息共享保证控制系统的正常运行和诊断能力。

近年来，电商产业蓬勃发展带动了国内物流行业快速成长，物流运输业在物流车辆管理上从过去的粗放管理，转向精细管理。物流公司运用大数据的车联网管理平台逐步成形。这类大数据平台不仅采集企业的物流货物信息，同时采集大量车辆状态信息，需要商用车应用网络传输技术来满足大数据车联网的需求。

乘用车领域车载网络的广泛采用，车载网络技术已在技术开发、元件提供、开发工具、验证手段等方面取得明显进步，相关软硬件成本已大大降低，支持了在商用车领域的迅速增长。

但商用车对成本的敏感性并未改变，由于普遍规模不大，单一品种往往销量不上规模，新技术的应用程度受成本制约较明显，在车载网络设计中应该充分考虑节点部件的成本增加和开发费用。

2 车载网络通信协议选择

为方便研究和实际使用，美国汽车工程师协会（SAE）根据传输速率的不同将车载网络划分为A、B、C类，如表1所示。

位速率1MB／s以下的通信协议已有LIN、VAN、CAN等协议，主要用于控制类信息的网络传输。同时也有位速率高于1MB／s不同用途和特点的其它协议，如应用于多媒体系统的音视频信息的传输MOST协议；基于时间触发应用于线控技术 （X-by-Wire）的Flexray协议，但这些位速率高于1 MB／s的总线成本高昂，目前主要应用在高端乘用车领域，在轻型商用车上还不多见。从目前车载通信网络的发展和使用情况看，轻型商用车选用的网络标准越来越趋向集中到CAN、LIN总线。

表1 车载网络的划分

CAN总线采用短帧数据结构、非破坏性总线仲裁技术，具备突出的可靠性、实时性和灵活性，成为现阶段B类和C类网络采用的主流协议。对于不需要CAN这样高速率的场合，LIN总线硬件成本低廉，在软件和系统设计上也容易和其他网络协议兼容，作为系统CAN网络的辅助性子网络，在低速控制领域取得领先地位，典型应用有车门、照明及智能传感器。

CAN总线规范仅定义了其物理层和数据链路层，实际应用的时候还需要更加详细的应用协议，由于没有统一的标准，各大乘用车厂家根据自己的需求定制了企业性的应用层协议，对CAN基本协议中的某些规定使用了更严格的约束条件，属于不公开的保密文件。但目前越来越多的企业出现向J1939协议靠近的趋势，尤其在商用车领域，J1939协议基本成为全球支持的应用层协议。J1939全称是车辆网络串行通信和控制协议，它采用CAN通信协议作为网络核心，按照OSI模型对通信的分层制定了相关子标准，特别是在应用层子协议中对通信所传输的有效信息作出了统一明确的定义，对产品自主开发具有很高的参考价值。

3 主流轻型商用车车载网络架构

3.1 单路总线

日本五十铃700P轻型载货汽车是国内众多轻型商用车企业的竞争标杆，代表了轻型载货汽车中电气设计的领先水平。其网络架构采用单路总线，这种架构网络节点数量较少，满足现阶段商用车配置需要，系统成本控制较好。其网络拓扑图如图1所示。单路总线网络主要特点如下。

1）采用J1939 CAN网络通信协议，通信速率选择250kB／s。

2）网络节点的选择在满足平台配置要求基础上偏向于成本考虑，网络结构简洁，接入网络的节点数量有限，选择为网络节点的控制单元主要考虑2个要素：①控制单元的实时性要求较高，如发动机控制单元 （ECM）、ABS等；②和其它控制单元或系统存在较大信息交换，如发动机防盗控制模块（IMMO）、 仪表 （CLUSTER）、 车身控制模块 （BCM）。

3）各节点控制器的诊断通信依旧延续了K线。

3.2 双路总线

在国内轻型客车市场，欧系车型增长迅速，其中江铃汽车股份有限公司的TANSIT（全顺）车型和南京依维柯汽车有限公司的DAILY（得意）车型为国内中高档轻客市场的最主要品牌，多年来始终占据市场前两位，这两个企业都具备国际大公司合资背景。TRANSIT（全顺）为FORD（福特）公司专为欧洲市场设计和开发的经典商用车成功案例，DAILY（得意）为意大利IVECO公司主打车型，在欧洲市场就是主要竞争对手，都是欧系轻型商用车的代表车型。这两款车型电子化应用水平处于行业领航者地位，车载网络节点数量相对较多。为降低网络负载率，保证动力传动系统的正常运行，将网络分成传输速率不同的两路，采用双总线架构。根据各节点的实时性要求不同，分别接入不同的总线，通过网关协调信息交互和共享。现将这两款车型在欧洲市场原车型的车载网络基础拓扑结构介绍如下。

FORD TRANSIT（全顺）车型网络架构拓扑图见图2。IVECO DAILY（得意）车型网络架构拓扑图见图3。其主要特点如下。

1）双路总线架构以发动机控制单元为核心，将实时性要求高、信息共享关联大的节点互联在一起，构成高速通信网络，车身部件和其它实时性要求相对较低的节点组成低速网络，其中网关可以是实物节点，也可以是虚拟节点集成在某控制单元中（如上两例都集成在BCM中）。

2）IVECO DAILY （得意）和FORD TRANSIT（全顺）车型的开发有FIAT（菲亚特）和FORD（福特）大集团背景，继续了乘用车技术路线，在网络设计时应用层协议都采用了各自企业规范，IVECO产品动力CAN采用了J1939协议，B-CAN采用了FIAT（菲亚特）的私有协议；TRANSIT产品整个网络协议都采用了FORD（福特）私有协议，由于依托了大集团的成熟平台，部分平台产品可以沿用，可以保证产品可靠性和控制部件成本。

3）从网络拓扑图上可以看出，这种网络架构明显比单路网络复杂，相对系统成本较高，但在电控单元较多时系统可靠性更高，未来升级扩展能力也要优于单路网络。

4 自主开发轻型商用车网络架构介绍

中国的汽车工业随着国家经济的蓬勃发展迅速成长，在2013年国内商用车产量达到405万辆，在数量上升的同时，产品配置和品质要求也越来越高。轻型商用车多年来一直以成本为中心，新竞争形势下如何平衡配置和成本的关系是设计人员不得不面对的问题。其中构建适合本企业的车载网络架构是电器开发人员一项重要工作。

车载网络架构的创建主要工作是通信协议选择、节点安排和网路数量确定，轻型商用企业在自主构建车载通信网络时应注意以下方面。

1）网络节点选择原则 网络架构构建的输入是整车配置、功能和目标成本要求，实现相同电子控制功能存在分散控制、集中控制、分布式网络控制等多种技术手段，对具体控制单元是否采用网络传输信息、成为网络节点主要取决于该单元实时性要求、信息交互量多少和成本高低。

2）企业整车电子水平 要充分了解本企业目前电子应用水平现状，尽量利用现有资源，沿用和整合现有电子产品，要考虑采用逐步技术升级方式减少开发投入。

3）网络架构的生命周期 网络架构同样具有生命周期，在创建架构前应该了解未来法规政策走向、商用车行业电子技术的发展和本企业产品战略规划，为新增电子控制留有拓展空间。

5 依维柯第一代网络架构设计案例

对于有合资背景的轻型商用车企业，技术路线会移植和搬用国外成熟车载网络结构，在技术成熟度上具备明显优点，缺点是可能涉及较高技术引进费用和很难短时间内真正掌控该方面技术。对于现阶段自主开发企业或项目，通常分为两类，一类是企业或产品市场定位于以成本领先技术跟随市场策略，采用车载网络通信技术往往是因为所选发动机等动力总成部件电控系统的技术升级要求，一般整车采用网络传输的节点数不是很多，原则上可以采用单路高速总线涵盖所有节点，建议根据本公司情况参考五十铃700P车型的单路网络架构创建，另一类是产品处于行业技术领先水平，电子部件采用较多，需要参考欧洲商用车技术路线，采用双路总线的网络架构，但无论采用何种网络架构，对实时性要求高的控制部件和信息量大的仪表等部件应该接入网络，考虑到轻型商用车成本敏感度的事实，对实时性要求不高的车身或舒适性部件需要平衡成本和性能的关系，甚至偏重于成本进行节点取舍，以南京依维柯第一代网络架构为设计案例进行进一步解释。

南京依维柯是意大利IVECO公司在华合资企业，为国内轻型商用车重要的生产商，在2011年自主开发轻型商用车的车载通信网络架构时，通过产品配置规划、投入产出分析前期工作，选择了单路CAN总线架构，其网络拓扑图如图4所示。

在该网络架构中协议采用商用车专用的J1939协议，并且在J1939协议框架内根据实际情况进行了二次开发，通信速率采用250 kB／s，并维持了部件K线诊断。网络节点模块选择依据沿用性、关联性、成本、周期等要素的分析对比，决定是否接入网络的部件选择原则如下。

1）实时性要求较高。柴油发动机控制单元（EDC）、 自动变速器控制单元 （AMT）、ESP等系统实时性要求高、信息交换量大、相互间关联度高，需要采用网络进行信息传输。

2）信息交互量较大。发动机防盗控制模块（IMMO）、 行驶记录仪 （VDR）、 仪表 （CLUSTER）、车身控制模块 （BCM）和其它电子单元交互的信息量较大，作为节点接入。

3）成本控制。胎压报警系统 （TPMS）接入系统，目的是通过网络可靠地传输检测到的各路胎压信息，并集成到仪表显示窗口显示，减少了专用胎压显示器；音响系统接入网络是通过网络接收安装在转向盘上的多功能开关 （静音、选台等功能按钮）的信息，这些开关信息通过硬线连接到BCM上，通过BCM转换成CAN报文传输发送给音响。由于音响系统高低配置不同，采用统一的总线信号传输方式可以增加选择音响产品的开放性和减少音响修改的模具投入和开发成本。

由于大部分车身电器部件 （如电动窗、中控锁、雨刮、灯光、控制开关等）集中在驾驶室附近，相距不远，仍采用BCM集中控制形式，同时BCM经过技术升级，通过CAN接口和网络间其它电子单元进行信息交换。安全气囊、ABS为现生产沿用件，如果升级到CAN通信需要更换ECU，需要重新进行整车验证，开发投入较大，所以未接入网络。

两年多的市场应用证明此次技术升级符合现阶段车辆配置的技术要求，通过CAN车载信息网络提升了系统信息交换的可靠性，减少了线路连接复杂性，丰富了电控系统的诊断能力，同时网络传输的信息量较丰富，基本反映了车辆的运行状态，为用户连接车联网提供了必要的基础。该架构目前在依维柯轻卡和轻客双平台产品中都已采用。

6 自主开发商用车网络架构应用分析及注意事项

从目前轻型商用车行业的产品配置和电子产品应用情况分析，现阶段采用单路或双路总线网络架构已满足要求，而且在一段时间内仍可能是轻型商用车主流架构形式。预计未来网络架构的发展将会在此基础上进行改进提升，目前商用车电子技术的应用已进入一个迅速增长期，一方面许多乘用车开始采用的现代汽车电子技术会影响商用车的配置，另一方面商用车的应用环境的特殊性也会对商用网络的发展产生影响，其中已经初步显现的以下两个方面需要注意。

1）商用车安全性要求越来越高，国外ADAS技术法规化，安全类预警或干预技术的应用，会对未来的国内商用车配置产生直接影响，由于这类技术都需要较高实时性，网络架构必然向两路或多路总线方向发展。

2）商用车物流应用的迅速发展，车联网应用将更加普遍，客户车联终端将收集更多的车载信息，更科学地对车辆状态和驾驶者行为进行分析。但由于国内物流车客户往往采用自己采购的车联终端，品质水平参差不齐，在架构设计时应该尽量减少客户自选设备对车载网络的潜在干扰。

根据笔者对轻型商用车的认识，对未来的车载网络架构形式给出如下拓扑结构示意的建议，见图5。

该网络架构中的具体节点可以根据本单位实际情况进行选择和安排，总体上的构建理念如下。

1）网络架构采用多网络结构，满足不断增加的电控单元需要，按照实时性、安全性要求的不同将主网络分成高速动力网络和车身网络。考虑到商用车领域总线协议应用趋向，动力网络采用J1939协议， 速率500kB／s； 车身网络优选J1939， 250kB／s，但如果企业有集团或合资技术平台，也可能采用本企业专用应用层协议。

2）专用车联网接口和诊断接口分别采用专用网络，通过独立网关，和动力网络、车身网络进行信息交换，减少动力和车身网络的负载率，有效避免对主要车载网络的干扰，确保车辆安全性。

3）采用LIN总线作为整车CAN网络的辅助补充，主要用于连接智能型传感器和独立工作的智能性执行部件 （如蓄电池传感器、车辆防盗报警器）。

7 总结

车载网络架构形式多种多样，没有最好只有最合适企业自身，轻型商用车网络架构的设计应该充分兼顾产品技术发展和成本控制。需要说明的是，本文介绍的思路基于目前以CAN为主流标准的事实和对网络发展的个人思考，随着车联网、汽车安全等现代汽车电子技术的迅速发展，要求车载网络传输速度越来越高，位速率达到10MB／s的CAN-FD和以太网技术以高速率优势已逐渐表现出替代CAN总线的可能，需要密切跟踪。

［1］张培仁.CAN总线设计及分布式控制［M］.北京：清华大学出版社，2012.