摘要：
1. 功能需求决定着汽车总线种类的多元化发展，“多拓扑并存+网关集中控制”是当前汽车总线的基本形态；
2. FlexRay和MOST总线面临淘汰风险，车载以太网作为高速骨干网络成为主流趋势，推动车载通信由“面向信号”向“面向服务”转变；
3.主流车企和供应商纷纷推出新型电子电气架构，车载网络与软件架构成为发展重点。
汽车智能化促进了汽车电子设备的繁荣发展，电子电气架构迎来必然变革，其核心是车内数据传输和控制方式的转变，车内总线作为电子电气架构的物理体现，其重要性不言而喻。
要致富，先修路，对于汽车行业来说，已经到了道路升级的重要关口。汽车总线将如何演进？本篇文章将和您一起探讨这个问题。
01 功能需求决定着汽车总线的多元化发展
早期汽车采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系。每一路信号传递都需要一根铜电缆连接交换数据，导致每一个ECU都需要N个接口，有些ECU的接口数会是十几个甚至三十几个，形成庞大的布线系统。导致空间占用、车重、成本、设备发复杂度以及不稳定性的大大增加。
以CAN为代表的现代总线出现以后，硬线连接大大减少，有效降低了系统、零部件设计的复杂度和开发成本，驱使OEM与零部件供应商之间建立标准化。
总线作为一种车辆网络拓扑结构，是车上所有的电子和电气部件的互联结构的线束表现，直接影响到控制器功能的分配、数据网络的规划。
典型的拓扑结构有总线拓扑、环形拓扑、星型拓扑、网状拓扑以及他们之间的各种组合形式。总线的应用可以大大简化线束的复杂程度，主要类型有CAN（控制局域网）、 LIN（本地互连网络）、 FlexRay 、 MOST 、车载以太网等 。
- CAN总线
CAN总线的出现很好的解决了众多功能模块控制单元之间的数据交换实时性和稳定性问题，是一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络，在现代汽车的网络化应用中起到了基石的作用。
CAN总线采用5V差分信号的双线传输，理论上速率可达1M/s，汽车上一般为125~500Kb/s。
2011年Bosch发布了第二代CAN通信技术 CAN FD（Flexible Data-rate），优化了通信带宽和有效数据长度，使得CAN FD的通信速率可达到5Mbit/s，在大众第八代高尔夫上获得应用。
2020年第三代CAN通信技术CAN XL启动，可实现高达10+Mbit/s的比特率，填补了CAN FD与100BASE-T1（以太网）之间的空白。
- LIN总线
局部互联协议LIN是一种低成本的、面向“传感器/执行器控制"的低速串行通讯网络协议。1998年由多个汽车生产商提出，作为低速CAN的低成本替代方案，2001年梅赛德斯奔驰SL上第一次量产使用了LIN总线；
LIN采用单主控制器/多从设备的模式,仅使用一根12V无屏蔽信号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线。其最高传输速率可达20kbit/s。
- FlexRay总线
FlexRay总线是由宝马、飞利浦、飞思卡尔和博世等公司共同制定的一种新型通信标准，在实时性、可靠性和灵活性方面具有一定的优势。宝马公司在07款X5系列车型的电子控制减震器系统中首次应用了FlexRay技术，目前在宝马的高端车上主要应用于事关安全的线控系统和动力系统。
传输方式：FlexRay系统中使用双绞线电缆，两个通道的每一条都由两根电缆组成。
FlexRay的目标是提供一种具有高传输速率的系统，能以确定性的方式可容错得进行工作，并可实现灵活的应用和拓展，主要用于动力总成系统和主动安全系统，以及线控系统。
- MOST总线
MOST 表示“多媒体传输系统”，是一种专门针对车内使用而开发的、服务于多媒体应用的数据总线技术。
1998年由BMW、Daimlerchrysler等建立MOST联盟，管理定义MOST总线相关规范；自从宝马7系列汽车首次采用MOST技术以来，该技术的普及速度突飞猛进，实现实时传输声音、视频，满足高端汽车娱乐装置的需求。
各控制单元之间通过一个环形数据总线连接，该总线只向一个方向传输数据，一个控制单元拥有2根光纤，一根用于发射机，另一根用于接收机。
- 车载以太网
智能网联汽车的发展带来功能去中心化、消费级产品和服务的集成、流媒体通量增加以及V2X和自动驾驶高级应用的发展，面对更高级的通讯要求，车载以太网应运而生。
车载以太网具有大带宽、低延时、低电磁干扰、低成本等优点，成为智能网联汽车应用的关键选择。
在 2010年左右，以太网从 DLC诊断端口到网关只有一条 100Base-T1 1TPCE（速率为100Mbps 基带传输系统） ，仅用于诊断和固化软件更新。
随着以太网技术发展，2015年起以太网由诊断应用逐渐延伸至信息娱乐域和 ADAS系统。未来技术进一步突破，1000Base-T1 RTPGE（速率为 1Gbps）以太网将成为新网络骨干。
以博通为领导的Open Alliance联盟对汽车以太网的推进思路：先以信息娱乐系统为切入点，逐步深入到ADAS、甚至车身与安全整个车载系统。截止目前，Broadcom现在已经在汽车市场出货超过1900万颗以太网芯片。
2013年，宝马X5第一个将汽车以太网用于360°环视系统。随着时间的推进，2015年宝马在其全系车型中都部署了车载以太网，并扩展其功能应用范围。此后，捷豹、路虎和大众的帕萨特都在其某些车型集成了汽车以太网技术。
总体来说，发展至今每种总线技术均有其独特的技术优势和特定的应用领域，CAN、LIN在技术与产业成熟，FlexRay和MOST分别在底盘控制和信息娱乐系统中发挥着独特优势，车载以太网以及蓝牙、WIFI等新型通讯方式快速发展普及。
虽然已有如此多的总线形态，但汽车智能化的发展，数据带宽的猛增，面向服务的功能需求以及轻量化的需求促使汽车总线仍然需要重新组合、不断演进。
02 车载以太网是高速总线的必然趋势，面向信号与面向服务的通信将长期共存
车载网络变革的主要原因是汽车E/E架构和功能的复杂度提升而带来的对车辆数据传输带宽提高和通讯方式改变（基于服务的通讯-SOA）的需求。
数据传输带宽的提高已成为不争的事实，据Intel测算，自动驾驶车辆每天将产生超过4T的数据量。不断增加的传感器、屏幕以及网联的功能，带来车载数据量激增，必须要高带宽的传输网络。
通讯方式的改变是新兴车载网络变革面临的最大挑战，即由传统面向信号的架构转变为面向服务的架构SOA，也就是如何以服务的形式组织整车功能的决策集合。
在传统面向信号的架构中，ECU 之间基于信号进行点对点的通讯，系统所有的决策在架构设计时被完成。车辆的软件与组件相互绑定，无法统一对软件进行开发和修改。在于运行时的灵活性低，系统在后续无法进行拓展。
在新型面向服务的架构中，需要有中立的接口定义。以太网基于IP的通信方式，使得将面向服务的架构引入到汽车电子电气系统中变得容易很多，应用程序的功能与组件结构不再强相关。
从软件层面来看SOA时，可以通过以太网的方式将CP AUTOSAR、AP AUTOSAR以及非AUTOSAR系统连接起来。
面向服务的架构具备接口标准可访问和拓展性优良的特点，使得服务组件的部署不再依赖于特定的操作系统和编程语言，一定程度上实现软硬件的分离，成为未来软件定义汽车的技术基础。
当然，汽车是一个既传统又现代的产品，现阶段以车载以太网完全替代传统总线是不实际的。行业内认为，在车辆中基于信号的通信仍旧占据主导地位。对于典型的控制任务，基于信号的方法经历了近三十年的测试和验证。所以，基于服务的通信与基于信号的通信将在车内将并存。
就上文提到的多种总线技术/协议而言，有些正在被车载以太网所取代，有些正在持续发展。
从中长期来看，由于FlexRay和MOST的应用领域被车载以太网完全覆盖，也不具备成本优势，因此FlexRay和MOST很可能被替换掉，只保留LIN、CAN和车载以太网。
从发动机管理到车身、底盘控制，以及超声波雷达等传感器信号传输，车载网络系统中大约90%控制器节点的通信速率在10Mbit/s以下，10Mbit/s的通信速率可覆盖广泛的应用领域，传统总线LIN、CAN/CAN FD/CAN XL可持续满足此类面向信号的通信。
车载以太网工作在10~10000Mbit/s之间，用于娱乐、ADAS、车联网等系统中。
在低速和高速应用领域，总线的形式几乎是毋庸置疑的，在中速领域以及当前的过渡阶段，CAN XL与10BASE-T1S仍然存在竞争关系，都可能被应用于底盘控制、主动安全和ADAS系统，都可作为100BASE-T1应用系统后端的网络总线通道。在车载以太网的趋势下，CAN XL的必要性受到一定的质疑。
10BASE-T1S通过开关切换即可方便得耦合到100BASE-T1，但10BASE-T1S不允许支线超过10cm，使得现有的CAN解决方案的可靠拓扑结构无法一对一地用10BASE-T1S网络代替。
与10BASE-T1S相比，CAN XL能够耦合星型和线型拓扑构建更复杂的拓扑结构。从CAN/CAN FD升级到CAN XL非常灵活，无需重新设计线束、控制器和协议栈。但CAN XL与100BASE-T1耦合则需要网关来连接。
由于CAN/CAN FD可实现向CAN XL的平滑过渡，对于大多数紧凑型和中型汽车的OEM来说，采用CAN XL更加便利。就行业市场而言，驾驶辅助系统仍然是主流，短期内不会出现自动驾驶。没有雷达传感器和高分辨率摄像头等，就没有迫切需要基于以太网的网络通信技术，传统CAN仍将占主导地位。
总体而言，总线技术的发展使得FlexRay以及MOST面临淘汰，高速总线将以以太网为主，中速总线领域CAN XL同10BASE-T1S形成竞争，低速领域LIN凭借成本优势成为无法被挑战的低速总线。传统汽车总线向以车载以太网为骨干网络、域控制器为互联节点的新型总线结构转变。
英特佩斯的相关从业人员指出，有经验的汽车领域的专家都非常熟悉CAN/LIN，车载以太网大部分都和现有协议不一样，面临新的拓扑、工具、架构...等等随之而来的问题。但车载以太网仍然在持续性改进中，以实现增强车辆系统和功能。车载以太网在未来的车辆应用中将持续增长，当前技术和产业链正在逐步成熟。对于汽车产业而言，中长期内不会再次出现重大车载网络变革。
未来哪种通信系统将在这一相关领域中扮演主要角色取决于成本因素以及技术因素，以及与传统总线和传统供应链的兼容性。
03车企加快E/E架构变革，全新总线与软件架构是重点
汽车电子电气架构是汽车上所有电气系统的有序集合，包括了所有电气系统的线束连接和接口，数据交互，也包括了所有电气系统的运行环境，是整个汽车设计的灵魂。总线的发展是汽车电子电气架构变革的直接体现，随着智能网联的发展，汽车电子电气架构和车内网络都将面临着重大变革。
博世用六个阶段来描述E/E架构的发展趋势，从简单到复杂依次为：模块化、集成化、集中化、域融合、车载电脑和车-云计算。这种划分的核心思想是电子控制单元（ECU）从分布到集中。
从各主要车企和零部件供应商对未来汽车电子电气架构的规划来看，集中化已成为必然趋势。国内自主汽车目前的电子电气架构主要还是分布式的，正处于集成化和集中化演进阶段。
- 特斯拉Model 3架构
Model 3采用中央集中式 E/E架构，硬件模块主要包括中央车载电脑CCM和3个车身区控制器BCM，中央车载电脑同多媒体控制单元、诊断接口的连接运用车载以太网，核心控制器之间采用环状连接，关键功能互为备份冗余。
据悉，特斯拉从Model S一共有3000米的线束到 Model 3 只剩下1500米，Model Y中预计线束只有100米，大大节约线束复杂度与成本。
基于该架构，一方面，T-Box提供高速安全的外网连接能力与数据传输能力。另一方面，车辆内部具备高速可靠的总线连接，让网关下载的内容能够下发到最底层的执行件电子单元。使得OTA 升级功能能够渗透到刹车控制器，实现对最底层执行件软件深度优化。
- 大众-面向服务的E/E架构
面对特斯拉等新势力的强劲挑战，大众集团也加大对新型电子电气架构的开发，期望在功能强大的控制器和操作系统，以及面向服务的通信网络支撑下，能够轻松开发即插即用的新功能。
大众新的E/E架构由3个车载应用服务器（ICAS）组成：ICAS1 - 整车控制域服务器、ICAS2 - 自动驾驶域服务器、ICAS3 - 影音娱乐域服务器，同时提供以太网、WiFi和LTE等大带宽车载网络。
操作系统采用“Linux +Adaptive AUTOSAR”，通过应用程序软件与I/O功能解耦的集中式功能架构，降低整体系统复杂性、应用程序之间的依赖性。利用面向服务的通信和基于Adaptive AUTOSAR的通用软件框架，高效快速开发用户功能。
- 宝马的下一代E/E架构
宝马在其下一代E/E架构中致力构建可升级、可扩展、可复用以及可移植的全新中央集中式架构，计划于 2021年左右量产。
硬件方面采用英特尔的至强服务器 CPU+3颗 EyeQ5共同组成一个中央计算平台；在软件方面开发基于Classic AutoSAR和 Adaptive AutoSAR混合的通用软件框架，自研操作系统。
- 丰田E/E架构方案
丰田则将采用中央集中+区控制器 ( Central & Zone)的 E/E架构方案。
硬件方案类似特斯拉硬件方案，全新架构将具备空间优势、ECU集成降低成本、车型覆盖多、可扩展性、轻量化等特点。软件架构方面车端仍主要使用Classic AutoSAR和 Adaptive AutoSAR混合的通用软件框架，云端或将使用非AutoSAR软件架构。
- 安波福SVA架构
为了满足自动驾驶和电气化对整车E/E架构高安全性、高数据吞吐能力等的要求，安波福提出了SVA(smart vehicle architecture)架构。传感器、PDC区域控制器和多域计算机之间的数据交互采用环形拓扑，因此在出现故障时，可以保证通过环形拓扑的另一分支进行供电或数据通信。安波福首选的传输技术是HDBaseT技术（8Gbit/s）或10Gbits以太网。此外，PDC通过星形CAN-FD网络链接到中央网关。
对于大多数OEM来说，直接切换到一种全新的E/E架构几乎是不可能的，所以可以对现有E/E架构中单个组件采用SVA的理念，然后逐步渐进式的推广。安波福计划2022年实现半中央集中式架构、2025年实现中央集中式架构。
- 华为“计算和通信”架构
华为提出基于计算和通信的“CC架构”，由MDC智能驾驶平台、 CDC智能座舱平台和VDC整车控制平台三大域控制器构成跨域融合架构方案，每个平台接入分布式网关构成的骨干环网。在执行部件生态上，华为希望打造接口标准，让MDC与执行部件更容易配合。
在这场电子电气架构变革的浪潮下，国内整车企业将自己定位成标准平台的提供商，纷纷推出各自的全新电子电气架构，采用模块化的开发方式，致力于构建更加开放的零部件与功能开发生态。
04 结语
基于IP的车载以太网技术从根本上改变了汽车网络架构，直接导致基于服务的通信与基于信号的通信在车内并存。实现“软件的定义”之余，降低系统的复杂性和成本永远是合理的诉求。围绕着车载以太网众多车厂、Tier1、芯片厂商等早就精心布局，部分车型实现良好应用，未来更为广泛的应用需要产业链上下游的协同联动，需要产业生态的进一步成熟。
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