李伟 安全评估中心安全评估部主任
鉴源实验室
为了让不了解汽车电子零部件测试领域知识的工程师尽快入门，或者让其他相关人员了解该领域的测试内容，我们编制了一系列与汽车电子测试相关的文章。希望对读者有所帮助。本系列文章从汽车电子架构和网络历史出发，逐步向汽车电子零部件的嵌入式软件、零部件的一般基本功能、网络诊断服务等方面逐步展开。
汽车电子是车身电子控制装置和车载电子控制装置的总称。
车身电子控制装置主要包括：发动机控制系统、底盘控制系统和车身电子控制系统，这三种是传统电子领域三个模块，通常称为动力、底盘和车身，我们通常谈论汽车电子和汽车电子研发一般指三个模块的电子部件，也是汽车电子部件传统巨头占据强大的技术优势，博世、大陆、法雷奥、安波福、伟世通等供应商。汽车电子控制装置一般是指发动机电子控制系统、燃油喷射控制系统、底盘电子控制系统、照明和照明信号系统等直接相关的汽车电子装置，ABS、ESP等等。
汽车电子装置是一种可以在汽车环境中独立使用的电子装置，与汽车本身的驾驶属性没有直接关系。由于汽车有100多年的发展历史，车身电子部分发展越来越成熟，车载电子发展时间相对较短，并赋予汽车许多其他功能，近年来发展迅速，国内零部件制造商在斑马智汇汉微电子、汤技术等领域具有一定的优势，车载电子有车载冰箱、导航系统、视频娱乐系统、互联网设备等。
第一个发展阶段是在1971年之前。相对简单的电子控制设备，如电子闪光器、电子喇叭、间歇雨刮器、汽车收音机、数字时钟、交流发电机等。
1974~1982年是第二个发展阶段。现阶段的标准是车载电子集成电路和16位以下的微处理器。主要包括自动门锁、自动照明系统、高速警告系统、碰撞警告传感器等。最具代表性的是电子汽油喷射技术和ABS随着技术的成熟，电子控制器的机械功能逐渐成熟，这并不意味着所有部件都非常成功。在这个阶段，机械和电器的整合并不成熟。
第三个发展阶段是1982年至1990年。微机在汽车中的应用逐渐可靠和成熟，并开始向智能方向发展。如胎压控制、电子道路监视器、加热挡风玻璃、倒车警告、自动后视镜等。
从2005年到现在，第四个发展阶段。以自动防撞系统、动力优化系统、自动驾驶、导航技术为代表的智能汽车的出现。
这个故事发生在梅赛德斯奔驰。2000年，梅赛德斯奔驰科技有限公司在C级汽车开发中面临着一个问题：电子电器越来越多，系统越来越复杂，如何连接所有设备？我们都知道，当两者互联时，连接的数量是n（n-1）/2。随着越来越多的新部件，链路、成本和信号干扰将是原始方式下无法解决的问题。因此，经过一系列的论证操作，最终决定推倒重建，重新设计整车电子电气，从根本上解决问题。一年后，该车型的电子电气整体设计完成，同时发布E/E Analyse电子电气架构设计也应用软件。
2017年博世集团在行业会议上分享的汽车电子电气架构发展趋势图得到了业界的广泛认可，并逐渐成为发展方向的标准指导，被广泛引用。整个发展阶段分为六个步骤：
Modular模块化阶段：每个功能ECU化设计；
Integration功能集成阶段；
Centralization中央域控制器阶段：中央域控集中管理ECU；
Domain Fusion跨域融合阶段：中央域控制器合并整合；
Vehicle Computer & Zone ECUs驾驶计算机和区域控制器：驾驶计算机集中管理，部分区域ECU独立管理;
Vehicle Cloud Conputing车载云计算阶段：车载功能云计算。
图1 汽车电子电气架构发展趋势图
目前，行业主流的阶段是模块化阶段。与此同时，一些厂商和车型也出现了二阶段功能集成车型量产。这部分厂商就是我们通常所说的以特斯拉为首的全车新势力。在汽车行业，他们无法与传统领域的垄断巨头竞争，只能以未来为基础，与传统企业竞争。这也是我们在这些汽车公司的新车型上看到的新结构、新技术和尝试的引入。
随着车载以太网技术的支持，新兴汽车公司在第二阶段遇到的技术问题远小于我们想象的问题。阻力主要来自市场测试（可靠性和质量），以及传统汽车公司的抵制和阻力。
当车载以太网在车载通信中日益成熟时，架构发展到三个阶段几乎不难，正常零部件的研发积累足以形成跨代发展的需要。三阶段和四阶段的区别只是设计上的通信方式不一致，导致产品设计不同。在通信领域，这一差异的技术问题已经得到了解决，技术已经成熟多年，这可能与博世工程师在设计这张照片时的谨慎考虑有关。
目前整个架构最大的技术难点集中在五六个阶段，一个是中央行车电脑，一个是云计算中心。中央驾驶计算机的问题是，计算能力足够的主流处理器在车载环境或类似场景中没有应用。换句话说，没有专门为车载环境设计的高计算能力处理器和操作系统，这将随着市场需求的发展而逐步解决。云计算中心的问题是计算能力足够，但如何保证车辆和云的通信问题、数据传输响应和可靠性。
业内很多合作伙伴都发表了一些关于发展趋势的评论。作者也因为兴趣在业内观察了很久，总结了自己的经验，勇敢地表达了自己对汽车电子和行业的一些看法。如有不同意见或不适，请原谅。
在过去的五年里，汽车电子汽车以惊人的速度爆炸性发展。在特斯拉领导的电动汽车的推动下，新能源汽车的蓬勃发展撬动了传统汽车的主导地位。在最近的汽车销售排行榜上，我们可以看到前十名中有许多新能源汽车。在汽车圈，苹果取代诺基亚的划时代事件很可能发生，汽车电子一般呈现以下发展趋势。
传统能减排、行业舆论、国家倡导和个人降低使用成本为目的，传统燃油汽车市场趋于饱和，充电汽车和混合动力汽车增长强劲。
电动汽车等新能源汽车促进了汽车电子产品的快速发展，推动了汽车电子产品的快速更新和迭代。与此同时，汽车电子产品在汽车成本中的比例也在上升。电子产品在一些电动汽车中的比例可能是同级别传统汽车的两倍左右，并继续增加。
汽车的软件定义将不再是口号，软件将成为汽车竞争的关键优势。汽车零部件供应商的细分导致了硬件系统和解决方案的共享和开放。单个车企或车型不可能独占特有的零部件硬件，掌握软件开发的整车厂会掌握软件功能的独有性。该软件将逐渐成为车辆功能差异的标志。定义汽车不再是空谈，软件将逐渐成为汽车制造商的核心。
汽车开放系统架构将继续产生深远的影响。Google开放了Android，在移动系统中，苹果联合控制了移动设备的操作系统领域。考虑到通用、模块化和快速研发，开放式汽车系统架构在不同制造商中发展迅速，这很可能成为汽车领域Android，汽车领域没有苹果，他可能在汽车领域占据主导地位。
汽车行业独特的汽车制造商和零部件供应商结构，导致全球巨头博士、大陆在行业形成一定的限制，他们在传统动力、车身、底盘垄断优势使新兴制造商难以立足，难以形成业务规模，这也是传统零部件制造商利益最大化、技术迭代缓慢等批评的原因之一，这就是为什么新兴企业选择在传统车载电子巨头不重视的领域大力投资，不断挑战的原因。
以特斯拉为首的新兴企业在车载电子领域发展迅速，分阶段盈利，逐步引导年轻人的汽车消费思维，让传统厂商感受到一定的危机，传统巨头也将渗透到车载电子领域。基于车载电子，新兴企业也将挑战车身电子。根本解决一个问题的方法通常跟引起问题的原因不在一个领域，通常引入另一个维度的方法降维这个问题，因此新兴企业的挑战立足点应该是站在汽车电子架构的未来发展方向上，而不是跟传统巨头一样来拼当前ECU解决方案。但他们选择的立足点是否能代表未来的方向没有尘埃落定，只是在用户功能领域引起了很好的反响。
车载通信和车载娱乐系统升级（FOTA和SOTA）随着车载电子的快速普及，车身电子和车载电子软件系统的迭代更新速度不同，车辆制造商在吸引消费者时会更加关注车载电子和软件。
上述车辆趋于同质化，零部件制造商的发展方向相互学习。我们似乎看到了主机厂和零部件厂的模型，所以所有制造商的利润往往会下降，如何确保利润将是所有制造商的痛苦，上述根本解决问题的方法通常与问题的原因不在一个领域，通常引入另一个维度的方法，开源减少利润，我们说未来制造商的开源方向趋于同质化，减少这也需要突破。传统的汽车和零部件研发方法已经使用了很长时间，每个人都意识到自己零部件研发的一般性能有效地降低了成本，AUTOSAR这些系统的建立是为了快速连接不同的制造商，但如何使零部件制造商的内部通用化绝对是一个研究领域。如果新兴企业掌握了同类零部件的一般研发手段，将大大提高行业的声音和生存能力，由于同一部件售价1000元，我的内部通用研发稀释成本为300元，行业平均成本为700元，其余部分是制造商发言权的筹码。所以我们看到了AUTOSAR这种在不同厂商间的技术体系迅速发展并成为趋势，未来也一定会看到某个厂商内部建立的以大幅降低研发成本的设备通用化研发体系出现。
之所以把CAN网络接着汽车电子后面就跟大家介绍，是因为CAN网络很重要。我们都知道上层技术的发展，如整体的上层技术路线、技术演进方向等等战略层面的技术变革都需要底层很多技术的成熟和积累才能实现，前文介绍电子架构诞生时讲过ECU的互联，那是属于上层的演进，而CAN网络技术则是支持这些技术变革的底层基石。从CAN网络诞生直至今日，一直是ECU通讯互联的方式。哪怕现在随着电子架构的演进，以太网架构的引入，目前市场上以及车企研发中的所有车型，CAN网络也是占主要地位，系统中CAN和以太网同时并存，且开发的模式几乎都是先基于CAN网络，然后向以太网移植。CAN网络把车上所有电子零部件连接在了一起，它是零部件研发中重要适配功能，整车的各种上层功能，也基于CAN网络的通讯得以在单个及多个零部件之间实现。CAN网络主管着整车的通讯。
CAN网络从上世纪80年代诞生发展至今，总共经历了5个关键阶段。
1983年，德国的Bosch公司开发设计了CAN总线协议；
1987年，第一块CAN控制器芯片由Intel公司设计成功；
1990年，第一辆应用CAN总线的量产车Mercedes S-Class出现；
1991年，CAN2.0发布；
1993年，CAN成为国际标准ISO 11898(高速应用) 和 ISO11519(低速应用)。
CAN总线主要由四部分组成：导线、控制器、收发器和终端电阻。
CAN协议栈的通讯物理链路为两根普通铜芯双绞线；
CAN协议栈的控制器用于对收到和发送的信号进行处理。接收收发器的信号处理后送入MCU，接收MCU送入信号处理后发送给收发器；
CAN协议栈的收发器用于接受和发送信号。将网络信号接收发送给控制器处理，将控制器处理好的信号发送到网络；
电阻的作用是过滤CAN总线信号产生变化电压的反射，为120Ω（高速CAN）。若无终端电阻，控制单元的信号无效。需要注意的是在整车电子的设计解决方案中，如果整车统一设计了网络终端电阻，那ECU段无需再设计；如果ECU保留了终端电阻，那在整车统一电阻箱中就不能再配置电阻。二者只能选其一。在硬件研发阶段，如果SOR未标注，则必须跟项目相关DRE和VSE工程师进行确认。
CAN网络数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他（一个或多个）节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序；
多个节点同时发起通信时，低优先级节点的避让，不会对通信线路造成拥塞;
最大通信距离可达10KM(此时速率低于5Kbps)，通讯速率可达到1Mbps(此时通信距离小于40M）；
CAN总线经过多年的发展，可靠性非常高，也是以太网段时间无法取代CAN网络的原因之一。
CAN网络是一种复合的类星型网络，为什么说是类星型网络而不是星型网络后面会细说。因此在CAN网络中也存在一个网关，在传统的燃油车，或者现在一大批的车型当中，由BCM(车身控制器)来作为网关， 由于近几年新能源车的不断发展，BCM作为网关而集成的其他功能越来越多，因此很多厂商将这个“网关”的名字进行了变更，如IBDU、ICGM、中央行车电脑等等，大家看到名字跟我文中写的不一样时不用怀疑是否是文章写错了，这只是各个厂商名字的命名不一样。所以现在车辆当中的“网关”很多是由BCM逐渐集成其他功能，慢慢演变而来。
CAN网络总线由2根铜芯双绞线构成，一根can_high，一根can_low。类似通讯网络，在企业通讯网络中我们根据区域不同、部门不同等等将网络划分为不同的网段进行管理。在CAN网络中电子架构部门会根据整车电子零部件的不同使用或代表的归属属性进行划分，不同的划分我们叫做CAN网络域。同理我们上文提到的车身电子三大块，在网络中也是同样的划分，PT CAN为动力CAN、CH CAN为底盘CAN、Body CAN为车身CAN。这3个域适用于所有厂商所有商用车型。另外还有娱乐系统的Info CAN，Tbox车辆通讯出口的Diag CAN诊断CAN。除此之外电子架构会根据车型实际ECU进行自定义的网络域划分，在新研发的新能源车型中，CAN网络域的个数可以到达15个。电子架构组会定期发布整车CAN网络车架图，研发小伙伴需要定期同步，也可以从这个车架图中找到自身零部件所在域位置，以及其他通网络域的设备，是否有两两硬线互联的情况，如有直接互联使用何种连接（USB、纯硬线），这也是本章节前我提到的CAN网络是类星型网络的原因。在星型网络中通常不存在两两互联的情况，星型网络中多出两两直接互联情况，要不是错误连接导致环路，要不就是备用冗余链路设计。
图2 车辆网络车架简图
PT CAN (PowerTrain CAN ) 动力总成CAN总线，顾名思义负责车辆动力系统，是整车所有CAN网络信号中优先级最高，信号传输速率最快的一条CAN总线。
PT CAN总线上一般有以下ECU：
BMS ( Battery Management System ) 电池管理系统
ECM ( Engine Control Module ) 发动机控制模块
EPB ( Electronic Park Brake ) 电子驻车系统
CH CAN (Chassis CAN) 底盘控制CAN总线，车辆底盘控制整车转向、制动等，功能安全等级要求较高。
底盘CAN总线上一般有以下ECU：
ABS ( Antilock Brake System ) 防抱死制动系统
ESP(Electronic Stability Program)车身电子稳定系统
EPS(Electric Power Steering)电子转向助力系统
Body CAN车身控制总线，车身CAN通常连接空调等辅助设备，网络信号优先级相对上面两个网络低。
Body CAN总线上一般有以下ECU：
BCM(Body Control Module) 天窗, 车窗, 雾灯, 转向灯, 雨刮等
TPMS(Tire Pressure Monitoring System) 胎压监控系统
AC ( Air Condition ) 空调
Info CAN ( Infomercial CAN ) 娱乐系统总线，通常车载娱乐主机和车辆驾驶座仪表连接在娱乐CAN，因此通讯优先级也是较低。
Info CAN 总线上一般有以下ECU：
AVN( Audio& Video Network) 车载娱乐系统，也有叫IVN等不同缩写的
IPK(Instrument Pack) 中控仪表台
DiagCAN ( Diagnose CAN ) 诊断CAN
DiagCAN总线主要提供诊断功能，通常只有一个ECU：
Tbox（Telematics BOX）
参考文献
[1] 车电子技术发展经历了哪三个阶段？https://zhidao.baidu.com/question/303452032222336804.html
[2] 科普中国-汽车电子. https://baike.baidu.com/item/%E6%B1%BD%E8%BD%A6%E7%94%B5%E5%AD%90/10692413
[3] 汽车电子电气架构的起源是什么?https://zhidao.baidu.com/question/495429057.html
[4] 汽车CAN总线入门. https://blog.csdn.net/weixin_48498880/article/details/111903144