Flex Ray讓日本汽車產業出現危機感
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2006-08-11 00:00
前言:
現在汽車的車內通訊網路,一般都是採用CAN和LIN架構,而這些通訊標準都是隨著汽車發展所帶來的需求所設計開發的。汽車的電子化進一步發展,使得CAN(Controller Area Network)的功能已經無法滿足次世代汽車的需要。所以,為了滿足高速通信、高可靠性通信、無延遲資料傳輸的需要,新的通信規範「Flex Ray」被開發出來。Flex Ray大致上有兩方面的應用。第一是下一代的技術應用,第二是替換現在日益膨大的CAN網路系統。
高級車中的率先應用Flex Ray
車輛的穩定系統,在Flex Ray出現之前就已經被採用。Flex Ray的高速並且沒有延時的通訊規範使得精確控制變得可能。不過,就現階段而言,Flex Ray不太可能馬上實現高度的線形控制,首先會考慮應用在高級車的懸掛和煞車系統當中。
德國寶馬在2006年下半年推出的下一代車型中率先引進了車內通信網路---Flex Ray網路系統,達到了實現在車體懸掛系統中的應用中,對四輪的精確控制。所以,繼寶馬之後,奧迪、賓士、克萊斯勒、通用汽車也開始考慮引入這一系統。奧迪計畫在2008年左右引入輔助駕駛系統。賓士則在考慮引入煞車、懸掛、變速等車內基本主幹網路。通用則對網路的雙重化帶來的可靠性提高和網路簡化的可能表現出了興趣。
寶馬的新車懸掛系統網路,不是針對現有「CAN」(控制器局域網)進行替代置換,而是藉由Flex Ray的引進,實現全新的應用。寶馬引入的Flex Ray網路由五個ECU(電子控制單元)組成,藉由一個中央ECU,對週邊4顆ECU連接而成的Flex Ray網路進行綜合管理。在這個系統中,使用了飛思卡爾半導體的Flex Ray控制器和飛利浦的匯流排控制。
寶馬對於在車體懸掛系統中引進Flex Ray的理由是,Flex Ray的特點之一是高速通信,並且使用了不容易發生資料通訊延時的時間觸發(Time Trigger)方式。但較早的系統中,並沒有使用網路雙重性,而是使用了和CAN一樣的單一網路。
寶馬把這次的系統作為實驗性應用,2007左右不僅在車身懸掛,而且在引擎和變速器中也將應用這一系統。寶馬還希望將汽車各個部分,用Flex Ray連接起來,進而朝向高度整合將各單一功能予以系統化。
可以發現,在推動Flex Ray在車輛的實際應用中,較為積極的業者包括寶馬等等的眾多歐洲汽車業者,這是因為,在Flex Ray聯盟中的核心成員就是寶馬、賓士、福斯為中心的歐洲汽車製造商。另外CAN控制器的製造業者,包括了飛思卡爾、飛利浦,以及CAN中ECU的製造業者博世也參加了這一聯盟。
日本的汽車製造業者,因為汽車混合動力系統的應用,使得其汽車的電子化的發展深受關心。雖然Flex Ray從規範標準的制定到實際應用都是由歐洲主導,但日本對於實際應用也非常積極,所以直到今天,日本的汽車製造業者也開始對這一在歐洲開始實用化的Flex Ray充滿了期待,豐田、本田、日產等汽車業者,在之後便成立了軟體標準化和提供產業指導方針的產業團體—「JasPar」,這之中又加入了對Flex Ray實用化的討論。
不可缺少的快速電子化
CAN的最大通信速度是1Mbps。但是,由於電子信號干擾等因素,一般最大速度為500Kbps。CAN是利用事件觸發的通訊方法,在設計時必須考慮匯流排流量。如果再考慮到冗餘通信,實際上的通信速度就只有50Kbps。但是,隨著電子化的日益深入,原本為了減少佈線而設計的CAN網路,現在已經在車內被重複佈置很多系統上,已經達不到原先減少佈線的目的。另外,也因為CAN的網路為匯流排佈局,限制了車內網路設計的自由度。
所以,由於目前的CAN系統通信容量有限,所以現在日本汽車製造業者正在考慮採用Flex Ray系統,但是,並不是像歐洲的製造者那樣,因為現有的CAN,無法達到某些特定的能力而引進Flex Ray應用。
到目前為止,日本引進Flex Ray系統的時間還不是很明確,根據各業者的計劃顯示,大概會在2010年之後,2012年左右,開始應用在一部分高級車的Powertrain(行車動力)上,2015年左右應用在車門、空調等車身系統。
日本的汽車製造業者期望引進Flex Ray系統,是因為汽車的快速電子化趨勢,目前,在高級車中ECU的數量將近有100個,轉向和煞車等也都需要數個ECU協調控制,而在接下來的新車設計中,被使用ECU的數量相信還會不斷的增加。所以相較於CAN,具有高速並且高可靠性、彈性網路構成的新系統,是有被急迫需求的可能。
高彈性的Flex Ray規範
Flex Ray被發展出來的原因是,未來汽車期待具有高速性與可靠性的網路系統(表一)。首先從高速性看,CAN的最大通信速度是1M bps,Flex Ray則最高可以達到10M bps。其次,每個EUC的數據發送權的分配方面,CAN使用的是優先仲裁,Flex Ray則是依照發送權順序分配的時間觸發(Time Trigger)的方式,因為是採用週期性發送權的分配,可以達到特定週期內同時進行資料發送和接收。而到目前為止的CAN系統,當網路發生混亂並且同時有兩個以上的EUC發送信號時,資料傳輸就會出現在預定時間內無法完成的情況。
而從可靠性角度來看,在行車的安全要求下,資料通訊的雙重化是有被需求的必要,當網路中有一個地方出現問題,其他地方的資料傳送不會因此受到影響。例如,當加速時,油門踏板無法作用時,還不至於出現什麼大麻煩,但是當踩煞車踏板時,發現不起作用就非常麻煩了,所以在煞車系統中,特別需要Flex Ray的導入。
Flex Ray採用混合觸發方式
在高速性和可靠性之外,網路組成的彈性設定也是Flex Ray的特色之一。CAN系統基本上,是一條匯流排下面連接數個ECU控制器。與此相對的Flex Ray,可以讓多個週邊EUC與中央系統,利用星狀分佈與線狀分佈的混合方式連接,完成數據傳送。通信方式方面,CAN架構只有事件觸發(Event Trigger)的方式,而Flex Ray則是具有時間觸發和事件觸發,兩種方式都可以使用的能力,因為Flex Ray具有這樣的特色,使得當初福斯汽車曾經考慮只採用時間觸發的「TTOP/C」,但是經過幾多的考量和驗證,最終還是採用了Flex Ray,福斯汽車的理由是,單單只有時間觸發方式的系統還是不夠,而Flex Ray因為這兩種方式都可以使用,所以具有有十分好的擴展性。
另一方面,因為Flex Ray屬於時間觸發,在設計車載線路時,不必考慮匯流排流量,例如,10Mbps速度的時候,就算出現多餘的資料量,仍然可以實現6~7Mbps的通信速度。再加上考慮到安全性的因素,如果所有的車載網路,只利用一條纜線進行通信,是一件非常困難且危險的事情,但Flex Ray卻可以只需要少量的纜線,就可以替代多條纜線的CAN系統。
擴大Flex Ray實際應用
Flex Ray聯盟成立之初,主要的目的是為了實現「X-by-wire」的架控目標。「X -by-wire」是指,把機械和液壓驅動系統轉變成線控(電子信號)操作。但是在現在的狀況下,因為高速大容量和時間觸發、網路的雙重化等等的實際應用需求變得強烈,因此在接下來,或許CAN 實際上將會被汽車製造業者考慮捨棄。
雖然汽車全面導入Flex Ray應用的時間點,還是不夠明朗清楚,但是相信在混合系統的汽車引擎、安全、減震懸掛、煞車、安全氣囊等方面,將會開始應用Flex Ray的系統,例如飛思卡爾、飛利浦等Flex Ray解決方案供應業者,已經開始提供煞車和懸掛裝置對應的Flex Ray半導體系統,而在2006下半年,飛思卡爾更開始提供處理性能達到200MIPS的微型電腦Flex Ray解決方案,提高變速系統和車內主幹通信網路的處理能力。
引擎、發動機、電池等等的動力混合系統,目前是由CAN進行連接,不過在未來期望動力混合系統,能夠實現高性能化和精緻控制的話,或許必須依賴於Flex Ray系統」。
在安全系統的處理中,時間觸發的引進能夠在固定的時間內,對信號進行處理,也因此即時性也就隨之提高。例如,在懸掛系統中引入的話,使得當車輛的控制達到極限的時候,資料傳送不會因此出現延遲,達到實現精準操控包括,急轉彎、原地迴轉駕駛等動作。
日本JasPar因為Flex Ray出現了危機感
對於Flex Ray的發展,日本JasPar在期待的同時,也感到了危機出現,因為在普及Flex Ray的初期,歐洲製造業者相當積極地,制定各種規格標準、並致力於實用化的。日本JasPar所憂慮的是,例如,當寶馬實現了Flex Ray的實際應用,那麼寶馬所使用的Flex Ray系統就會成為這個產業的標準,因為寶馬使用的是10Mbps Flex Ray系,而目前,能夠與這個通信速度相聯結的ECU相當有限,也就是說,日本汽車製造業者勢必要接受來自於歐洲的各項產品或系統。
JasPar對於歐洲Flex Ray聯盟主導開發而出現的危機感,是因為在CAN的過程中出現過痛苦的經驗。當時CAN正處於初期普及時,日本汽車製造業者都是各自從德國博世購買專利,雖然是CAN是一項標準,但是在實際上,各汽車業者之間仍舊存在著細微的差別,並且沒有所謂的通用性,例如,資料的讀取方式、錯誤記錄的讀取方法等等等,也是由於因為沒有精確的固定模式,半導體晶片業者就會根據自己的想法來進行修改。
這樣一來,汽車業者對於半導體晶片業所提供的CAN解決方案,就出現相當多無法掌握或有效控制的部分,並且要花費相當多的精力修正當中的錯誤。
目前日本JasPar打的如意算盤是,希望Flex Ray聯盟能夠了解,為目前CAN系統中連接著數十個ECU,是不是非得要每個ECU都採用10M bps的通訊速度?當潮流是讓Flex Ray 替換掉現有的CAN系統時,或許,在部分ECU取代的同時夠還是維持原有的速率,不是非得要10M bps不可,部分ECU還是維持著5Mbps、2.5Mbps等等的傳輸速率。日本JasPar的理由是,對於車輛來說,5Mbps或者2.5Mbps就已經非常快了,現在的CAN最高速度為1Mbps,實際上各業者在考慮到電子訊號的干擾等因素,有些傳輸的速度更被限制在500kbps以下,而如果是採用5M bps的Flex Ray已經是目前500kbps 的10倍了,不然2.5Mbps也有5倍速度的提昇,這對於因為性所帶來的需求,也是相當的足夠。
不過,關於傳輸速率的問題, Flex Ray聯盟過去曾經針對5Mbps和2.5Mbps的傳輸速率討論過,最近才變成討論10Mbps,Flex Ray聯盟並沒有說只能夠使用10Mbps,但是,因為討論已經有了10Mbps的基本結果,所以,還要回頭對5Mbps或2.5Mbps進行討論是不太可能的。
Flex Ray的普及-從對CAN的替換開始
目前Flex Ray所面臨的一項課題之一就是,要如何才能普及這項系統技術。如果只有依賴2006年的寶馬新車、2008的奧迪新車導入的話,那麼就使用數量上勢必相當有限,而因為使用數量無法提高的話,相信會導致零組件成本難以降低。
從促進普及的觀點來看,也有出現期望利用Flex Ray來替換現有的CAN系統。當然,因為與讓Flex Ray只應用在新系統相比,如果能夠完全取代CAN系統的話,那麼市場就大得多了。
首先,利用Flex Ray作為新系統應用這一點是被認可的,所以如果取代CAN系統也能夠獲得市場認同的話,那麼Flex Ray的半導體成本相信會有下降的空間。因為現在已經很難找到沒有CAN系統的汽車了。如果CAN能夠被Flex Ray替代,Flex Ray的市場也就會擴大,就可以期待成本會下降到CAN的同等水準。Flex Ray如果下降到和CAN一樣的成本,那麼依靠Flex Ray所具備的高速性和可靠性等優點,替換就會順利進行,讓Flex Ray在將來出現擁有巨大的市場潛力。
雖然Flex Ray有這麼多令人期待的實際應用,但卻不是把所有的CAN都替換掉。以目前來看,只有被要求高速性和可靠性的系統才會引入Flex Ray,所以相信就目前而言Flex Ray和CAN將會共同存在。
CAN與Flex Ray的規格特色比較
技術 CAN Flex Ray
通訊速度 1M bps 10M bps
Channel數 單Channel 單Channel、雙Channel
網路拓樸 線狀 線狀、星狀、混合
通訊方式 時間觸發 時間觸發和事件觸發
圖1 車輛使用ECU數量成長狀態
圖檔:CAR1.ai
資料來源:初芝總合情報
圖2 車用網路拓樸架構類型
圖檔:CAR2.ai
資料來源:初芝總合情報
圖3 傳統車用網路與Flex Ray網路比較
(a) 傳統車用網路
圖檔:CAR3.ai
(b) Flex Ray車用網路
圖檔:CAR4.ai
資料來源:初芝總合情報
參考資料***************************************************************
關於Flex Ray聯盟與日本汽車組織
Flex Ray聯盟
伴隨著汽車控制的發展,2000年9月為開發Flex Ray這一新世代的汽車通訊標準,而成立了Flex Ray聯盟。成立之初的核心成員包括,飛思卡爾、、賓士、寶馬、之後又有飛利浦電子加入。最早的Flex Ray聯盟只是賓士和寶馬為了下一代汽車通訊標準,而在1998年開始考慮開發,當時即時觸發型的CAN的TT-CAN(Time Trigger CAN)和YYP/C(Time-Triggered Protocol)等也都考慮過,但因為都不合要求,賓士和寶馬就尋找半導體製造業者以及飛利浦攜手組建了聯盟,現在的核心成員又增加了通用汽車和福斯,總共達到了6家。
目前,Flex Ray聯盟中眾多的汽車製造商和Tier l的零部件商,之後又有Tier2的半導體製造商,2005年6月的時候Flex Ray公佈了最終的核心成員名單。另外,在聯盟內部,和通訊協議相對應的產品,以及為了測試Flex Ray一致性系統的模式也已經提出。
Autostar和Jaspar
汽車製造業設計各種款式的車型上,不斷期望能夠縮短開發時間和降低本,而因此包括標準和系統平台化的發展正日益加速。
與Flex Ray相關的其他活動除了Flex Ray聯盟,還有AUTOSAR(Automotive Open System Architecture),目的雖然各有所不同,但卻也相互支持合作。
AUTOSAR是以歐洲為中心推進軟體的標準化。AUTOSAR為了使汽車製造商和零組件製造業者在實際生產中,所應用的軟體不受到硬體影響,具體來說就是EUC等零組件中,使用的微型電腦的影響,致力於實際應用中的軟體API(Application Program Interface)的標準化。在這一努力中,就包含了Flex Ray的API。
在實際的Flex Ray API軟體的開發當中,AUTOSAR也是眾多協作公司的領導者。這樣一來,汽車製造業者和零組件製造業者,由於使用了AUTOSAR的API,就可以不受微型電腦影響而達到實際應用的目標。
在日本有JasPar(Japan Automotive Software Platform Architecture),內部也在進行Flex Ray的實用化討論,JASPAR也和Flex Ray聯盟進行合作,共同開發研究。
從微型電腦和API軟體的提供方來看,就必須提供API的標準驅動。JASPAR就以Flex Ray聯盟規定的通訊標準,如何具體在日本汽車製造商身上應用為目標,進行實驗和討論。當然Flex Ray聯盟所決定的規範,會根據日本國內需求所不同,和JASPAR會進行協商並且會在通訊協議當中反映出來。