汽車網路化 解說車用光通訊技術發展

汽車電子產品可簡單分為汽車電子控制裝置和車載汽車電子裝置兩大類，汽車電子控制裝置包括動力總成控制、底盤和車身電子控制、舒適和防盜系統，車載汽車電子裝置則包括汽車資訊系統(車載電腦)、導航系統、汽車視聽娛樂系統、車載通信系統、車載網路等。 汽車通信網路協定分為5類 隨著汽車電子的快速發展，各知名國際大廠公司根據電子技術和汽車應用的發展推出許多車用通信協定，汽車通信協定可分為5類： A類網路協定 主要是面向感測器、執行器的低速網路。位元速率一般在1～10Kbps，主要應用於電動門窗、座椅調節、燈光照明等控制。表1列出A類網路協定。 A類網的主流協定是TTP/A和LIN(Local Interconnect Network)。TTP/A為時間觸發類型的網路協定，主要應用於智慧變換器的即時現場匯流排。它的主要特點是：能自動識別加入匯流排的主節點(控制著協定運行的節點)與從節點(回應主節點的節點)；節點在某段已知的時間內觸發通信但不具備內部容錯功能；具有標準的UART介面和即插即用能力；能在系統上電或正常運行時自動配置感測器參數。 LIN協定標準主要以SCI、UART等通用硬體介面，輔以相應的驅動程式，因此適用面較廣，且成本低廉、配置靈活，而且採用LIN網路能夠提高汽車上分層多工網路的性能，降低汽車電子控制裝置開發、生產以及診斷服務的成本。它已經廣泛地被世界上的大多數汽車公司以及零配件廠商所接受，有望成為事實上的A類網路標準。 B類網路協定 B類網路主要面向獨立模組間的資料共用，是中速網路，該類網路適於對即時性要求不高的通信場合，以減少冗餘感測器和其他電子部件。B類網路位元速率多在10～100Kbps，主要應用於車輛資訊中心、故障診斷、儀錶顯示等系統(表2)。 B類網路的主流協定為CAN(ISO11898-3)、SAE J1850、VAN(Vehicle Area Network)。1994年2月，SAE J1850作為B類網路標準協定，主要是作為診斷和資料共用被廣泛運用在汽車產品中。 1994年6月，ISO(International Standard Organization)推出的VAN，主要為法國汽車公司所用，VAN協定是免費公開的，除了汽車領域，這個標準還可用於其他場合。1993年11月時ISO正式頒佈了道路交通運輸工具－資料資訊交換－高速通信控制器局域網(CAN)國際標準ISO 11898，CAN(Controller Area Network)是歐洲地區汽車市場的主流。 CAN最早是由德國BOSCH公司為解決現代汽車中的控制與測試儀器之間的資料交換而開發的一種資料通信協定，按照ISO有關標準，CAN的拓樸結構為匯流排式，因此也稱之為CAN匯流排。 CAN又分為低速和高速兩部分，低速CAN具有許多容錯功能，一般用在車身電子控制中，而高速CAN則大多用在汽車底盤和發動機電子控制中，故低速CAN為B類網路主流協定。 C類網路協定 C類網路主要面向高速、即時閉環控制的多路傳輸網如表3所示。C類網路中的主流協定包括高速CAN、TTP/C(Time-Triggered Protocol)、FlexRay等協定。1994年美國汽車工程師協會卡車和巴士控制和通信子協會選擇CAN作為SEA J1939標準的基礎。J1939協定是目前在大型汽車中應用最廣泛的應用層協定。CAN匯流排應用在汽車中使用的優點：‧偵錯能力非常強，從而提高資料的準確性。‧具有快速回應時間和高可靠性。‧CAN晶片可以抗高溫和高雜訊，低價格。 TTP/C協定主要是採用TDMA(Time Division Multiple Access)的訪問方式。此協定已不侷限於汽車行業的應用，在其他行業如航太業和鐵道工業中均採用了該技術。TTP/C支援時間和事件觸發的資料傳輸，市場上已有對應的協定晶片，如奧地利TTChip公司生產的TTP控制器系列。 FlexRay是BWM、Daimler Chrysler、Motorola和Philips等公司制定的功能強大的光通信網路協定，主要是採用FTDMA(Flexible Time Division Multiple Access)的確定性訪問方式，具有容錯功能及確定的通信消息傳輸時間，同時支援事件觸發與時間觸發通信，具備高速率通信能力，符合未來汽車應用需求。 D類網路協定 D類網路主要面向多媒體、導航系統等，網路協定的位元速率在250Kbps～400Mbps之間。其中以IDB(Intelligent Data Bus)為主，IDB首次確定了汽車行業用於資訊、通信和娛樂系統的介面標準，該標準支援即插即用。目前IDB設備分為3類：低速(IDB-C)、高速(IDB-M)和無線通訊(IDB-Wireless)。 IDB-C是一種主要用於娛樂和資訊交換的車載網路，IDB-C不僅適合於遠端資訊處理，而且能當作一種通用的車載設備控制匯流排使用。由於它結合了CAN技術，而目前許多汽車生產商已將CAN網路產品應用於多種車載網路平臺，因此IDB-C引起了極大的關注。 IDB-M包括D2B、MOST(Media Oriented Systems Transport)、IDB1394等傳輸速率較高的標準和協定。DB2協定於1992年由Honda、Alpine公司應用於汽車的多媒體控制系統中。D2B技術使汽車變成了一個流動的多媒體工具。MOST協定主要用於汽車工業的多媒體光纖網路標準，速率可達50Mbps。MOST網路不僅提供很高的速率和性能，而且成本相對較低。BMW目前在業界率先採用了MOST協定。IDB-1394是一個高速多媒體網路，為車內多媒體的應用而設計。IDB-1394建立在IEEE-1394的基礎上，是IEEE-1394標準在汽車行業應用的擴展。由於IEEE-1394具有便宜、資料傳送速度快、可靠性高、是開放的標準等優點，因此它為民用設備、電腦廣泛採用。作為IEEE-1394在汽車行業的應用，IDB-1394具有很大的潛力。 IDB-Wireless主要是「藍芽(Bluetooth)」技術，藍芽技術是一種開放性的全球規範，和無線資料與語音通信有關，它可取代目前的電纜連接方式，以低成本的近距離無線連接為基礎，使不同廠家生產的各種移動與便攜設備能方便地實現相互操作和資料共用。 E類網路協定 E網路主要是面向乘員的安全系統，主要應用於車輛被動安全領域。在E類網路的應用場合中可能存在兩條或多條匯流排(表4)。 Byteflight是由BMW、Motorola、Elmos、Infineon等公司針對應用在汽車主動安全性、被動安全性及車身電子系統制定的網路通信協定。該網路的物理介質為塑膠光纖，可能的拓樸形式為星型、匯流排等，Byteflight的MAC層採用了FTDMA方式，可靈活利用帶寬，既能滿足某些消息需要時間觸發，以保證確定延遲的要求，又能滿足某些消息需要事件觸發，需要中斷處理的要求。該協定的資料傳輸速率最高可達10Mbps，淨傳輸速率可達5Mbps，完全可以滿足下一代汽車在安全性領域的要求。圖1所示為針對上述協定與通訊速度所作的一個總圖。 車用多媒體發展應用 ISO11898(控制器區域網路)主導著目前的汽車市場，以FireWire標準(IEEE1394)為較廣泛使用的串列高速匯流排系統，多媒體匯流排至少能提供400Mbps的速度。全球的標準化組織正試圖為汽車產業打造這類的公用高速匯流排。 IDB-1394發展應用 1394汽車工作小組(1394 Automotive Working Group)是在2000年1月成立，其目標是修改FireWire(IEEE1394)標準，使其配合汽車產業的環境，特別是汽車市場的電源管理、汽車應用協定堆疊以及實體層，它們讓資料能透過銅線傳輸，以支援光傳輸和電氣訊號傳輸。IDB-1394協議是在2002年7月提交給1394協會和AMI-C全球工作組的。1394協會和IDB論壇在2002年10月制定了實體層規格。TI與Renault公司合作開發的IDB-1394硬體，AMI-C和EpoC在2002年9月開發了完整的軟體解決方案。  

IDB-1394規格則將其範圍擴及汽車應用；經由這項標準協助，消費者也能透過汽車網路功能，享受這些消費性多媒體應用。DB-1394參考平台，提供一套完整且易於使用的解決方案，做為汽車新應用連接介面，DB-1394可以提供足夠頻寬來支援這些應用，使它們只須一條重量極輕的共用光纖線路即可享受超過400Mbps高傳輸速率。  

在IDB-1394技術協助下，此平台很容易把各種建構方塊整合，成為功能先進的汽車多媒體網路，例如DVD視訊播放機、汽車導航系統、數位攝錄影機、可攜式儲存裝置和其它多種產品。  

網路拓樸架構優點  

車用網路架構可分成兩大部份：  

1.傳統之Box Based Architecture：過去把車上所有控制組件透過網路連接點(客戶方便連接埠)連接在一起，用來連接外部消費性產品，不過此架構缺點是線路複雜性高，連接節點多，擴充性差，如圖2所示。  

2.Integrated Platform Architecture：與上述相同的功能，不過透過所謂的Gateway的系統控制，可大幅降低系統元件之複雜性，並且可隨時監控整個系統上各個元件的狀態，如圖3所示  

此架構的優點：  

‧擴展簡單：很容易增加新的設備，而不必破壞現有網路。  

‧故障容忍與隔離：能夠非常容易地完成故障定位，而且即使某個節點失效，匯流排仍能繼續工作。  

‧即插即用：在執行期間可以插拔設備，而不會影響其他系統的正常工作。  

‧升級混合：因為1394總是保証後向相容性，所以當工作在更高速度(如800Mbps)的新設備問市時，它們可以被輕鬆地連接到現有系統。每個節點能夠根據終端設備支援的速度動態改變它的數據率。  

目前此類系統有個協會，稱為OSGi協會(Open System Gateway initiative Alliance)在整合各項系統之連接與協定的工作，此協會在1999年即成立，此協會的會員對象並不特定，不過在車廠方面，BMW、Mitsubishi Electric、Robert Bosch，皆是此協會的會員，順帶一提的是此協會的會員中有個被稱為AMI-C(Automotive Multimedia Interface Collaboration)的協會加入，此AMI-C協會是由世界上幾乎所有車廠廠商所組成的組織，所以OSGi系統平台與車用系統平台合作是相當密切的，此AMI-C與各系統規範組織關係圖如圖4所示。  

OSGi與此通信協定協會間已簽訂許多之規範合作備忘錄，由圖4說明未來車用通訊上OSGi系統平台、各各通信協定協會與車廠間的互動是相當密切的。  

汽車藍芽應用發展  

目前藍芽最主要的應用包括行動電話、智慧型手機、PDA、筆記型電腦，以及周邊配件如Dongle、耳機、滑鼠、鍵盤等裝置。在汽車藍芽上應用主要以手機為無線網路閘道，車載系統透過藍芽無線鏈路和手機連接，再連入外部無線網路。  

汽車藍芽手機可提供以下功能：  

‧免提(handfree)電話：用戶進入車內，車載系統自動連接上用戶手機。用戶在駕車時，毋需用手作業就可以用聲控完成撥號、接聽、掛斷和音量調節等功能，透過車內麥克風和音響系統進行全雙工免手動通話。  

‧汽車遙控：用戶可以在10米範圍內用手機控制車門和車中的各類開關。  

‧音樂下載：用戶可以透過手機下載音樂到汽車音響中播放。  

‧電子導航：用戶可以透過手機下載電子地圖等數據到車載GPS導航系統中，導航系統得到目前座標參數，再透過手機短訊息傳回導航中心。‧汽車自動故障診斷系統：車載系統可以透過手機將故障程式碼等資訊發往維修中心，維修中心派人前來修理時可以按故障程式碼等資訊準備好相應的配件和修理工具。  

Strategy Analytics日前發佈報告，對2004～2011年的汽車通訊和汽車藍芽市場進行了預測(圖5)，預計2005年藍芽將成為主流應用。報告指出，用於汽車的藍芽電子產品已經開始大量進入主流車型，2005年某些地區將出現1倍，甚至4倍的成長。  

2004年北美藍芽手機滲透率從2003年的5%成長到10%，歐洲市場從7%成長到19%。隨著消費者對藍芽手機認知度增加，與更加嚴格規定要求的駕駛者在車上必須使用免持方式通話，以及由汽車廠商推出的無線解決方案，2005年汽車藍芽產品將進入歐洲和北美市場，到2006年則可打入日本市場。此消息對於台灣的產業是相當正面的，國內在PDA出貨量來說，已在世界上名列前茅，如果能把握此車用通訊商機，未來市場前景相當看好。  

汽車網路模組技術的發展  

憑藉著過去網路光通訊的蓬勃發展，汽車網路光電轉換之模組技術已是相當成熟，如英飛凌(Infinion)、安捷倫等都已提供此類之傳輸模組給汽車業者使用，又如國內業者Comoss也已能提供IDB-1394之光電傳輸的技術，如圖6所示為一MOST光電傳輸模組之示意圖。  

此類模組已將光電轉換控制晶片與放大晶片整合在一模組內(圖7)，透過模組上之機構，可將塑膠光纖(Plastic Optical Fiber，POF)被動安置於傳輸模組上(圖8)。  

對於塑膠光纖而言，具有與一般玻璃光纖便宜的優點，並在可允許的車用範圍內提供一相當不錯的傳輸特性，目前相關業者已經繼續開發能耐高溫之玻璃核心(silica-core)之塑膠光纖，使得在操作溫度上可以作更大的特性表現。  

汽車網路技術的發展趨勢  

由汽車網路協定新的分類方法及其主流協定分析，可以看出汽車網路技術的發展趨勢主要有以下幾方面： 網路技術 迅速在汽車應用中普及  

汽車網路控制的應用現今都使用在中高級車，從目前的情況來看，世界各大汽車公司的車身網路控制和動力系統網路控制的技術平臺均已基本建立，在新推出的車型中，全面採用網路控制技術已成為可能，因此可以斷言，近幾年內網路技術在汽車中的應用將會迅速普及。 高速/即時/容錯網路控制技術  

線控概念(x-by-wire)是另一新的汽車工程概念，目前已有使用線控系統的概念車出現。該技術極大改善了汽車的可操縱性、安全性及總體結構，汽車設計的靈活度也大大增加，駕駛員和方向盤之間將沒有任何機械部分的連接，使用這種技術使汽車的操縱系統、制動系統及其他輔助系統，能夠通過電子方式，而不是傳統的機械方式進行控制，也就是說，象轉向柱、踏板連杆、變速杆連杆等剛性傳動件將會消失，取而代之的將是基於網路控制的各種感測器、控制器和電液式電動執行器組成的線控系統。x-by-wire技術必將促進高速、即時、容錯的網路通信技術的發展。  

多媒體/高帶寬的網路  

未來汽車網路同時將是一個多媒體、高帶寬的網路，它能使車內生活更輕鬆，並在某種程度上將辦公室與車內作連接，如圖9所示。  

未來網路協定  

目前在汽車行業中存在很多網路通信協定，未來是成本驅動(Low-Cost Driven)的導向，所以汽車網路是多樣性的，希望將所有方便與低廉的各項通信網路系統整合在一起，利用GateWay管理者來控制所有裝置，如圖10所示主要將LIN、CAN、MOST三種車用協定標準整合在一起。  

光纖傳輸 取代傳統銅線  

光纖主要的優勢是可傳輸容量大的資料、速度快、降低線路複雜性、大幅縮減EMI的干擾、無串音(Cross-Talk)干擾、可增加傳輸隱密性等優點，故汽車光纖化的趨勢是下一波產業的另一個趨勢。  

(本文作者任職於工研院光電所)