第1章绪论



汽车网络技术

第1章绪论



 教学提示：  汽车网络技术极大地提高了汽车的总体技术水平，随着Telematics技术的逐步完善，未来汽车将向智能化、信息化方向发展。


 教学要求：  本章主要介绍网络技术在汽车上的应用概况、基本组成和发展趋势。要求学生了解汽车网络技术的应用概况和发展趋势，熟悉汽车网络系统的基本组成。
1.1汽车网络技术的发展
1.1.1汽车网络技术的发展历程

汽车电子技术在经历了零部件层次的汽车电器时代、子系统层次的单片机（汽车计算机）控制时代之后，已经开始进入汽车网络化时代，并向汽车信息化时代迈进。
按照电子产品和电子控制系统的技术特点，可将汽车电子技术的发展粗略地划分为4个阶段。
1. 第一阶段——零部件层次的汽车电器时代
1965—1980年属于零部件层次的汽车电器时代。从20世纪60年代中期开始，一些能够部分替代机械控制部件作用的电子控制装置，如汽车发电机晶体管电压调节器（见图1-1）和晶体管点火装置等开始装备汽车，随着集成电路和大规模集成电路的出现，这些电子控制装置又逐步实现了由分立元件向集成化的过渡。
这一阶段，装备汽车的其他电子装置还有转向系统电子式闪光器（见图1-2）、电子控制式喇叭、电子式间歇刮水控制器、数字时钟及高能点火（HEI）线圈（见图1-3）和集成电路点火系统等。
上述汽车电子装置的大量使用，使得汽车总体性能有了一个较大程度的提高，其作用不可小觑。
2. 第二阶段——子系统层次的汽车单片机（汽车计算机）控制时代
1981—1995年属于子系统层次的汽车单片机（汽车计算机）控制时代。在这一时期，单片机（微处理器）在汽车上得到广泛应用，以单片机为控制核心，以实现特定控制内容或功能为基本目的的各种电子控制系统得到了迅速发展。



图1-1晶体管电压调节器




图1-2电子式闪光器




图1-3高能点火线圈



在短短的几年中，电子控制汽油喷射系统、空燃比反馈控制系统、电子点火系统（见图1-4）、制动防抱死系统、安全气囊系统、电子控制自动变速器、巡航控制系统、电控中央门锁系统、前照灯灯光自动控制系统、自动空调系统、GPS汽车导航系统、座椅安全带预紧系统、汽车防盗系统、汽车故障自诊断系统等相继在不同车辆上得到应用。


图1-4电子点火系统组成示意图


进入20世纪90年代，能够实现多种控制功能的计算机集中管理系统逐步取代以前各自独立的电子控制系统，初步实现了汽车控制技术从常规、单一的电子控制系统向全面、综合电子控制系统的过渡（见图1-5）。


图1-5桑塔纳2000型乘用车综合电控系统的构成


电子控制技术在汽车上的广泛应用，不仅拓展了电子控制的功能和控制内容，提高了控制精度和汽车性能，而且也为汽车网络技术的发展奠定了坚实的基础。
3. 第三阶段——整车联网层次的汽车网络化时代
1995—2010年属于整车联网层次的汽车网络化时代。采用先进的单片机技术和车载网络技术，形成了车上的分布式、网络化的电子控制系统。整车电气系统被连成一个多ECU、多节点的有机的整体，使得其性能也更加完善。
目前，世界主要汽车制造商生产的多数汽车上均采用了以CAN、LIN、MOST、DDB等为代表的网络控制技术（见图1-6和图1-7），将车辆控制系统简化为节点模块化。在基于现场总线的分布式控制中，任何传统意义上的传感器和执行器都可以与同一现场的节点相组合，构成节点模块。汽车网络技术进一步优化了汽车的控制系统，极大地提升了汽车的整体控制水平。
4. 第四阶段——以Telematics技术为代表的汽车信息化时代
以国际Telematics产业联盟（ITIF）正式成立为标志，2010年成为汽车信息化时代的发轫之年。
汽车网络技术是现代汽车电子技术的重要组成部分，也是现代汽车通信与控制的基础。伴随着汽车网络技术的日益成熟，汽车电子技术开始向信息化时代迈进（见图1-8）。



图1-6BMW E60的汽车网络系统




图1-7Audi A4的汽车网络系统





图1-8汽车电子技术开始向信息化时代迈进


网络化时代的汽车电子技术注重解决汽车内部各个系统之间的信息交换问题，而信息化时代的汽车电子技术则可以实现车内网络与车外网络之间的信息交换，全面解决人-车-外部环境之间的信息交流问题（见图1-9）。


图1-9全面实现人-车-外部环境之间的信息交流


1.1.2汽车网络技术的发展趋势——Telematics
汽车技术的发展脚步远未停止，在主要以动力传动、车身控制、行驶安全性、多媒体传输为主要控制目标的汽车网络技术逐步完善、日益成熟的同时，又开始向汽车信息化时代迈进。可以预见，在不远的将来，汽车将进入以Telematics技术为代表的信息化时代（见图1-10）。


图1-10汽车将进入信息化时代（由动力传动、车身控制、行驶安全性、多媒体传输到Telematics）


1. Telematics简介
Telematics是远程通信技术（Telecommunications）与信息科学技术（Informatics）的合成词，意指通过内置在汽车、航空器、船舶、火车等运输工具上的计算机网络技术，借助无线通信技术、GPS卫星导航技术，实现文字、图像、语音信息交换的综合信息服务系统。
也就是说，Telematics技术整合了汽车网络技术（也包括其他移动运输工具内部的网络技术）、无线通信技术、全球定位系统（global positioning system，GPS）卫星导航技术，通过无线网络，随时给行车中的人们提供驾驶、生活、娱乐所必需的各种信息。Telematics的信息交换过程如图1-11所示。


图1-11Telematics信息交换过程示意图


通常所说的Telematics就是指应用无线通信技术的车载计算机系统。Telematics是无线通信技术、卫星导航系统、网络通信技术和车载计算机的综合产物，被认为是未来的汽车网络技术的发展趋势。
汽车行驶过程中出现故障时，通过无线通信连接服务中心，进行远程车辆诊断，内置在发动机上的计算机记录汽车主要部件的状态，并随时为维修人员提供准确的故障位置、故障原因和维修方法。
通过终端机接收信息并查看交通地图、路况介绍、交通信息、安全与治安服务以及娱乐信息服务等，在后座还可以玩电子游戏、网络应用（包括金融、新闻、E-mail等）。
通过Telematics提供的服务，用户不仅可以了解交通信息、临近停车场的车位状况，确认当前位置，还可以与家中的网络服务器连接，及时了解家中的电器工作情况、安全情况以及客人来访情况。也就是说，综合上述所有功能的车载计算机系统叫作Telematics。
2. Telematics的功能
Telematics的特点在于大部分的应用系统位于网络上（如通信网络、卫星与广播等）而非汽车内。驾驶员可运用无线传输的方式，联结网络传输，接收信息与服务，下载应用系统或更新软件等，其所耗的成本较低。其主要功能如图1-12所示，仍以行车安全与车辆保全为主。


图1-12Telematics的主要功能


(1) 卫星定位导航。通过GPS全球卫星定位系统（见图1-13），结合行车路线，作电子地图与语音导航相结合的路况报道、路线指引（见图1-14），并能提前预报前方路口的车速限制及交通违法摄像头的安装情况，以确保安全行车。
(2) 道路救援。行车过程中，如果发生车祸或车辆出现故障，驾驶员可通过Telematics系统的紧急呼叫按键（一般位于驾驶员触手可及之处，如车顶托架内前部车内照明灯附近，见图1-15），自动联系紧急服务机构（119、120等急救机构）或汽车服务站，以获得道路救援。



图1-13GPS全球卫星定位系统





图1-14电子地图与语音导航





图1-15紧急呼叫按键

1—左侧免提话筒； 2—活动天窗按键； 3—紧急呼叫按键； 4—右侧免提话筒


(3) 汽车防盗及搜寻。通过GPS卫星定位技术确定失窃车辆的位置和行车路线，以便搜寻与追踪，追缴车辆并缉拿盗车贼。
(4) 车辆调度管理。通过无线信息传输，实现运营车辆的调度管理（见图1-16）。


图1-16运营车辆的调度管理


(5) 自动防撞系统。通过测距传感器或雷达，监测前、后车辆之间的车距，自动调用车载自适应巡航系统，使前、后车辆之间保持必要的安全距离（见图1-17）。
(6) 车况掌握。车辆性能与车况的自动监测、传输，进行多地、远程 “专家会诊”，指导车辆维修等。
(7) 个人化信息接收与发布。收发电子邮件与个人化信息等。
(8) 多媒体影音娱乐信息接收。高画质与高音质的视听设备、游戏机、上网机、个人移动信息中心、随选视频资讯等（见图1-18）。



图1-17自适应巡航系统监测前、后车辆之间的车距




图1-18后座多媒体影音娱乐系统



(9) 车辆应急预警系统。当行驶中的车辆遇到紧急情况时，可以借助Telematics系统向外界（其他车辆或道路交通管理部门）发出应急申请，亦可接收来自道路交通管理部门发布的紧急情况警告及应急响应预案，确保行车安全和道路畅通。
3. Telematics系统的应用领域
Telematics系统在汽车上的布置（见图1-19）可分为前座系统、后座系统与发动机系统三大子系统。


图1-19Telematics系统在汽车上的布置


(1) 前座系统主要以行车安全、车辆保全、驾驶方便性与舒适性为主要目标。为了避免造成驾驶员分神，前座系统的信息输入方式主要采用语音输入或触摸屏（触控面板）； 信息输出方式则为中尺寸面板（LCD或OLED）、语音输出或投射在汽车前风挡玻璃的抬头显示（Head-Up Display,HUD，见图1-20）等。


图1-20行车信息的抬头显示（HUD）

(2) 后座系统则以多媒体娱乐为主，包括互动式游戏、高保真音响视听系统、随选视频资讯、数字广播与数字电视等。
(3) 发动机系统主要是根据汽车计算机所收集的车况信息，进行车况诊断、行车效率最佳化、远程发动机调整或零件预定等。
从上述分析不难看出，Telematics技术基于全球定位系统技术(GPS)、地理信息系统（geographic information system，GIS）技术、智能交通系统（intelligent transport system，ITS）技术和无线通信技术。Telematics技术的发展，体现了一个国家的综合科技实力，已经成为世界各国竞相研发的技术热点之一。
目前，国内在Telematics技术研究领域起步较早且颇有进展的是同济大学汽车学院。2010年7月，国际Telematics产业联盟（ITIF）成立大会暨2010首届国际Telematics产业发展高峰论坛在广东佛山市隆重举行，标志着Telematics研究将进入一个新阶段。
1.2汽车网络技术的应用
1.2.1汽车网络技术的产生背景
1. 信息传输的瓶颈问题


在汽车技术发展处于子系统层次的汽车单片机（汽车计算机）控制时代，特别是早期生产的汽车，车上只有一个电子控制单元（electronic control unit，ECU），其信息传输量较少，电子控制系统的传感器、电子控制单元和执行器之间的连接电线（线束）的数量还不太多，尚可接受（见图1-21）。


图1-21汽车内部的电线（线束）数量（装备1个电子控制单元）


随着汽车技术的进步和消费者需求的进一步提高，汽车上的电子控制系统越来越多（见图1-22），其内部的线束也会越来越复杂（见图1-23）。


图1-22汽车上的电子控制系统越来越多