车载网络总线应用浅析

【摘 要】车载网络的应用不仅提升了汽车的电子化和智能化水平，还为驾驶者提供了更加安全、舒适、智能和便捷的驾驶体验。文章对主流的车载网络CAN/CANFD、LIN、MOST、LVDS总线、车载以太网的应用做简单介绍。

【关键词】车载网络;汽车通信;车载以太网;CAN/CANFD;LIN

中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1003-8639（ 2024 ）11-0054-04

Analysis on the Application of Vehicle Network Bus

【Abstract】The application of vehicle network not only improves the electronic and intelligent level of cars，but also provides drivers with a safer，more comfortable，intelligent and convenient driving experience.This paper briefly introduces the application of the mainstream vehicle network CAN/CANFD，LIN，MOST，LVDS bus and Automotive Ethernet.

【Key words】vehicle network;automobile communication;automotive ethernet;CAN/CANFD;LIN

伴随着汽车电动化、网联化、智能化和共享化的发展需求和电子通信技术的不断进步，目前车载网络总线更加高效、智能和互联。车载网络的应用主要通过提高通信速度、增加数据传输量、降低时延、简化线路、减少故障率和提升售后检修的便利性来助力实现汽车新四化的需求。本文从各主流车载网络总线的特点出发，结合其在汽车上的应用，对车载网络总线的现状和发展趋势进行简单的分析。

1 主流车载网络总线介绍

车型开发基于车辆安全性、舒适性、智能性、娱乐性及驾驶性能的需求，目前车载网络架构设计中存在的车载网络总线类型有LIN、CAN/CANFD、LVDS、MOST、FlexRay、车载以太网，各网络总线简介如下。

1）LIN总线是车载最早的通信协议之一，通信速率较慢，一般应用在局部或私有系统中[1]，是一种采用单主多从方式的低成本串行通信网络。使用LIN总线降低了汽车ECU的开发及生产成本，补充了CAN总线的不足。

2）CAN/CANFD总线是车内常用的通信协议，被广泛使用在整车公共网络中。它具有较高的通信速率、较小的数据量和较强的抗干扰能力等特点，且在通信严重出错时具有自动关闭总线（BUS OFF）功能[2]。

3）FlexRay总线是车载实时控制的高带宽通信总线，一般应用于高速通信的线控技术，且支持分布式控制，具有传输速率高、支持多种总线拓扑结构、通信数据容错能力强的特点[4]。

4）MOST总线是一种利用光脉冲传输数据且专门针对车内使用而开发，用于多媒体通信的数据总线技术。MOST总线采用环形结构，在环形总线内只能朝着一个方向传输数据。MOST50采用塑料光纤，提供50Mb/s带宽。最新的MOST150可以提供150M带宽，以其高速、抗干扰、灵活等优势，适应数据传输量大、传输速度快、格式多样化的车载多媒体网络。

5）LVDS总线采用了较厚的屏蔽层和接插件设计来满足汽车EMC的性能要求，使得线束较重且造价较贵，目前车内主要应用在监控摄像头及高清视频数据传输。

6）车载以太网基于100BASE-Tx和100/1000BASE-T1的双绞线实现车内的百兆/千兆高速通信。因其开放性、兼容性架构，易于将应用程序嵌入到拓扑架构中。端口带宽独享，不存在仲裁机制，同时开放的以太网标准促使车载以太网流程更加规范。通信架构主要基于TCP/IP协议、AVB/TSN协议，应用层主要使用DoIP、SOME/IP、DDS等协议[8]。

主流车载网络的通信速率对比如图1所示，其各项性能参数对比见表1。

2 车载网络应用浅析

2.1 LIN总线应用

因为LIN总线的通信速率较慢，所以应用在数据量较少且通信简单的ECU系统中，主要用于防夹电机、天窗、光雨量传感器、氛围灯、多功能方向盘、液冷多通阀及PTC加热等功能较为简单的场景中。例如：车内氛围灯系统将仪表台、车门、座椅的氛围灯通过LIN总线与主节点BCM进行通信，实现整车的氛围灯控制;AC空调系统中相关的传感器或执行器可以通过LIN总线与AC进行通信[1];天窗系统中天窗开关和天窗防夹模块等都可以作为LIN节点与BCM进行通信，实现开关和防夹功能;车灯雨刮系统中光雨量传感器采用LIN总线与BCM进行通信，实现自动雨刮和自动车灯功能。

2.2 CAN/CANFD总线应用

CAN总线的应用很广，可以应用在低端车型公共网段或者中高端车型的部分私有网段。例如在公共网段中发动机与变速器控制模块之间的扭矩交互，BCM和PEPS关于门锁控制的交互等。在私有网段中，部分控制器的传感器或执行器仅在系统内部通信，不需要与整车ECU进行通信，可采用私有CAN协议。在诊断通信上，整车诊断采用CAN总线来实现ECU与诊断仪之间的诊断通信。

CANFD总线由于有效载荷增加到64Byte，主要应用在中高端车型对负载率要求较高的动力网段、智驾网段、底盘网段和安全网段。目前ADAS方案采用CANFD通信，可以增加毫米波雷达、超声波雷达、摄像头与ADAS控制器之间更多的信号交互来实现信息融合。基于信息安全方面考虑，如果采用传统CAN总线8Byte的数据载荷来增加密文会导致带宽的浪费，但是CANFD有效数据载荷达到64Byte可以轻松实现加密通信。

2.3 MOST总线应用

MOST在制订上参考了ISO/OSI的7层模型，主要采用环状拓扑进行网络连接，每套MOST传控网络允许最多64Byte的连接[3]。MOST主要应用在多媒体系统中的音视频信息传输，实现了娱乐信息的共享。因为MOST的通信介质为光纤且芯片成本较高，目前只有国外高端车型使用，随着车载以太网技术的使用，MOST总线将逐步被淘汰。

2.4 FlexRay总线应用

FlexRay总线最早由BMW推动，由多个主机厂组成FlexRay联盟。FlexRay应用场景主要为车内不同域之间通信的主干网络。国外高端车型使用较多，宝马在其X5和7系车型中的动力和底盘系统都有使用FlexRay总线。奥迪在A8车型的自动驾驶系统和底盘系统中也局部使用了FlexRay总线通信[7]。因全球应用普及度不高且早期只有高端车型使用，导致FlexRay总线芯片成本较高，所以并没有完全推广开，在北美和欧洲短暂盛行过一段时间后趋于平常，国内主要有吉利基于沃尔沃的技术平台有所使用。因为FlexRay芯片供应商少，使用成本高价格，目前有被以太网取代的可能性。

2.5 LVDS应用

LVDS主要集中在用于驾驶支持（电子后视镜、泊车距离控制、超视距显示）的视频显示系统、车载娱乐系统等，这些应用要求高速数据传输，以满足图像传递的要求[5]。LVDS目前主要应用在中低端未采用车载以太网作为主干网的车型中，但是随着使用车载以太网作为主干网以及AVB/TSN协议的使用，低成本和轻量化程度更优的车载以太网通信方案将逐步取代LVDS。

2.6 车载以太网应用

车载以太网是一种专为汽车内部通信而设计的网络技术，它基于传统以太网标准进行改进和优化，以满足汽车行业中对高带宽、低时延和高可靠性的要求。车载以太网应用层协议主要包括UDPNM、Some/IP和SOME/IP-SD、DoIP，以及传统以太网通用的DHCP、TCP、UDP、ICMP、ARP和AVB/TSN等协议。各协议的特点和车载应用场景见表2。

车载以太网的应用主要有以下4个方面。

1）作为网络拓扑的主干网。随着电子电气架构发展趋势（图2）由分布式往域集中式、中央集中式的技术方向发展，将车载以太网作为车内主干网将成为高端车型发展的大趋势。车载以太网作为主干网可以使得各个域控制器实现大数据量低时延、高可靠通信。2023年上市的岚图追光车型成为国内首款采用SOA中央集中式电子电气架构的量产车。

2）用于大文件的诊断刷写。随着高级别智能驾驶的需求不断提高，智驾系统的刷写文件包大小也早已达到了GB的量级，传统的CAN/CANFD总线刷写无法满足时效性要求，基于车载以太网DoIP协议的刷写能完美满足此需求，并且智能网联车型的OTA升级需求也是促使整车厂使用车载以太网的重要因素。诊断刷写连接方案如图3所示。

3）在影音娱乐系统中使用。随着用户对汽车影音娱乐、导航信息同步、多屏互动和云端互联体验需求的不断提升，高清音视频传输成为车载网络的重要需求。车载以太网以其高带宽和低时延的特性，能够轻松应对高清媒体内容的传输要求，为乘客提供流畅、高品质的娱乐体验。此外，车载以太网还支持智能座舱的功能，使驾驶者能够通过语音指令控制车辆和娱乐系统，提升驾驶便利性和舒适性。

4）在主动安全系统中使用。车载以太网在车辆控制和安全系统中的应用也日益广泛。通过高精度、高可靠、高速率的数据传输，车载以太网能够实现车辆各系统之间的协同工作，提高车辆稳定性和安全性。例如，在智能驾驶系统中，车载以太网通过V2X技术支持车辆与环境、其他车辆以及道路基础设施之间的实时信息交换以及多种传感器数据的信息融合处理，为智驾控制器提供全面的感知能力。车载以太网通过TSN技术能够确保传感器、控制器和执行器之间的实时通信，为车辆提供准确的感知和决策支持。

3 车载网络发展趋势及各网络总线通信交互方式

随着汽车电子技术发展，高端车型网络架构设计将朝着车载以太网作为主干网，CAN/CANFD作为域内通信网络，LIN实现局部通信的方向发展。中低端车型网络架构从成本考虑，近期仍将采用CAN/CANFD作为主干网和域内通信网络，LIN实现局部通信，LVDS满足音视频传输通信，智驾控制器采用以太网DoIP协议刷写的设计。如图4所示。

基于SOA的车载网络总线之间的通信交换主要有以下方式。

1）车载以太网端口间的纯SOME/IP服务报文交互，此类通信将有服务需求的以太网端口依据SOME/IP通信矩阵中的服务定义来明确服务报文的发送和调用关系。

2）车载以太网端口与CAN/CANFD/LIN节点之间的通信使用UDP协议封装CAN/CANFD/LIN报文信号，通过开发车载以太网CAN/CANFD/LIN通信表和车载以太网PDU路由规范将其打包成的SOME/IP服务报文来实现通信交互。

3）CAN/CANFD节点间的通信通过开发CAN通信矩阵和网关路由表来明确通信关系。

4）CAN/CANFD与LIN节点间的通信通过开发CAN/CANFD-LIN网关通信路由表明确通信关系。

4 结束语

随着智能驾驶、智能座舱和智能网联技术的不断发展，结合电子电气架构发展趋势，车载网络总线的发展将朝着车载以太网作为主干网，辅以LIN和CAN/CANFD总线作为局部网络的方向。以太网技术的发展也将进一步推动智能电动汽车技术的发展，使得具备自动驾驶功能的智能车辆，不久将成为人们生活中的一部分[6]。然而，车载以太网技术在应用过程中仍面临着网络安全、兼容性、成本等挑战，需要不断优化和完善。

参考文献：

[1] 唐妍，孟鑫，谢佶宏，等. 自动驾驶汽车总线技术应用趋势[J]. 电子世界，2019（10）：168-169.

[2] 汤龙梅. CAN总线与以太网互连系统设计与应用[D]. 苏州：苏州大学，2005.

[3] 徐佳，郑广州，朱明哲，等. 典型车载网络总线技术特点、应用和展望[J]. 汽车电器，2020（2）：30-32.

[4] 许张义. 基地FlexRay总线的线控转向控制系统设计研究[D]. 长沙：湖南大学，2013.

[5] 施爱伟. 汽车用高频数据传输电缆的开发目标及应用[J]. 西部皮革，2017，39（10）：21.

[6] 李志涛，耿伟峰. 大数据收集协议测试的研究与分析[J]. 汽车电器，2023（6）：59-62.

[7] 胡伟，付世生，熊小猛. 汽车总线通信技术的原理和应用[C]//.“2011西部汽车产业学术论坛”暨四川省第十届汽车学术年会论文集，2011：171-175.

[8] 杨子. 车载以太网关键技术的研究[J].自动化应用，2024（12）：256-258.