14 車輛研測資訊 108期 2015-10

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隨著資訊、娛樂、通訊、診斷等系統漸漸成為

消費者購車時的重要因素，車身網路對於頻寬的需

求愈來愈高，近年來，乙太網路因為價格便宜、架

構簡單、頻寬高等特性，漸漸成為車身網路的市場

主流。Broadcom、Intel與Xilinx等大廠組成AVnu聯

盟，推出IEEE802.1 Audio/Video Bridging(一般簡稱

為Ethernet AVB)，作為車載乙太網路協定標準，本

文將說明車載乙太網路通訊協定，同時參考國內外

文獻，歸納出較佳的車載乙太網路

拓樸平台設計方式，提供讀者對於

新一代車載網路有初步的瞭解。

　

一、車載網路介紹

若引擎是汽車的心臟，車載

網路則是汽車的神經系統；人類的

神經系統管控各器官使其能正常運

作，而車載網路系統則能讓車內眾

多的電子控制器相互結合，讓汽車

的各項表現更具人性化。

車載網路是指通過某種通訊

協議，借助雙絞線、同軸電纜或光

纖等通訊介質，將汽車中各種電控

單元、感測器、儀表等設備相互連

接，一起協同工作。為了這個目的，許多通訊協定

因應而生，如圖1所示，車載網路的種類包含區域

互聯網路(Local Interconnect Network, LIN)、控制區

域網路(Controller Area Network, CAN)、FlexRay、

多媒體導向傳輸系統(Media Oriented System of

Transport, MOST)與乙太網路(Ethernet)，各種通訊

協定肩負不同功能與目的，其規格差異比較可參考

表一。

車載網路再進化- 高速網路共通性平台

車輛研究測試中心 莊嶸騰

▲ 圖1、車載網路示意圖 (資料來源:Renesas)

車輛研測資訊 108期 2015-10 15

ARTC

嚴選推薦

LIN是一種低成本的車載網路系統，讓汽車製

造商能以非常經濟的方式製作、實現和處理複雜的

網路分散式多工通訊系統，其典型應用包含車門控

制、溫度控制與照明控制等。LIN規格書定義了實

體層與應用軟體的介面，內容包含串列通訊介面

(SCI)、數據格式、單主/多從概念、單線12伏特匯流

排和沒有穩定時基節點的時脈同步。由於現今幾乎

所有微控制器都配有SCI通訊界面，因此LIN幾乎可

以在任何單晶片上實現；並且，LIN的媒體存取是由

主節點控制而不須從屬節點的仲裁或衝突管理，因

而可以保證最壞情況下的訊號傳輸延遲時間；同步

機制亦是LIN 的一個特性，透過從屬節點恢復時脈

而不需要石英或陶瓷諧振器，根據電磁相容性和時

脈同步要求而定義最大傳輸速度可達到20kbit/s。除

了主節點的命名之外，LIN 網路中的其他從屬節點

並不須使用任何系統設置的資訊，亦即可以在不要

求其他從屬節點改變硬體和軟體的情況下，可以在

LIN Bus 增加節點；因此，時脈同步、簡單的通訊界

面和單線介質是保證LIN經濟性的主要因素。

CAN是德國BOSCH公司為了解決現代汽車電

子系統內複雜的數據交換，所發展的一個即時、分

散式通訊協定。最初CAN 只被設計作為汽車環境

中的微控制器通訊，在車載各ECU 之間交換資訊，

形成汽車電子控制網路，例如引擎管理系統、變速

箱控制、儀表、電子主幹系統中，均嵌入CAN 控制

裝置，至1993 年已成為國際標準ISO11898 (125 k ~

1 Mbit/s) 和 ISO11519 (10 k ~ 125 kbit/s)。由CAN 匯

流排構成的單一網路中，理論上可以掛載無數個節

點，但在實際應用中，節點數量會受網路硬體的電

氣特性所限制；另CAN 可提供高達1Mbit/s 的資料

傳輸速率，這使得即時控制變得非常容易，而且硬

體的錯誤檢驗特性也增強了抗電磁干擾能力。CAN

是一種分散式的串列通訊匯流排，基本設計規範要

求位元傳輸速率高、高抗電磁干擾性，而且要能檢

測出網路上的任何錯誤；因此，當CAN訊號傳輸距

離達10公里時，仍可提供高達50kbit/s的資料傳輸速

率。為了修正CAN 事件觸發機制的缺陷，2000年

ISO組織定義了一種時間觸發CAN訊息傳輸的協定，

LIN CAN FlexRay MOST Automotive Ethernet

通訊頻寬 1-20 kbps 125-1000 kbps 10M bps 25-150M bps 100M-1G bps

通訊實體層媒介Single wire Twisted pair wires Twisted pair wires ．Plastic Optical Fibers

．Unshielded Twisted PairUnshielded Twisted Pair

網路拓樸 Bus Bus Bus / Star and combinations of Bus / Star Ring Star

多重接取技術

．TDMA ( Unconditonal / Sporadic frame)

．CSMA/CD ( Event triggered frame)

CSMA/CA + AMP ．TDMA (static segment)．Flexible TDMA (dynamic

mini-slotting)

．CSMA/CA (Control channel)

．TDM (Asynchronous channel token ring)

IEEE 802.1Qat

▼ 表1、車載網路技術比較表

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稱之為時間觸發通訊的CAN(Time-Triggered CAN,

TTCAN)，其規格為ISO11898-4，已在積體電路上

實現，不僅可實現閉迴路控制下支援訊息的時間觸

發傳輸，而且可以實現CAN 的X-by-wire應用。因

為CAN 協定規範並未改變，所以基於相同的實體層

上，既可以實現傳輸時間觸發的訊息，也能實現傳

輸事件觸發的訊息，使CAN 的應用將更加的廣泛。

由於汽車中新的電子應用數量和複雜度的

增加，C A N漸漸無法滿足車載網路需求，於是

BMW、飛利浦半導體、摩托羅拉半導體等公司

2000年共同推動FlexRay車載網路系統，通用汽車

和福斯汽車等公司則於2003年加入。FlexRay聯盟

持續督促FlexRay的標準化，使之成為新一代車載

網路通訊協議，如今已發展到成熟的FlexRay Spec.

V3.0.1，主要應用於需要高速通訊頻寬和決定性容

錯資料傳輸能力的底盤控制、車身和動力總成等場

合。傳統的CAN網路最高性能極限為1Mbit/s，但由

於FlexRay具有兩個通訊通道，若一起進行通訊，

則總傳輸速率可達到20Mbit/s，足足是CAN的20

倍。FlexRay還能提供很多CAN網路所不具有的可

靠性特點，尤其是具備的冗餘通訊能力可實現通過

硬體完全複製網絡配置，並進行過程監測，不僅可

像CAN 和LIN 網路這樣的單通道系統一樣運行，還

可以作為一個雙通道系統的運行，彌補CAN和LIN

等車載網路系統的不足。

另現今汽車具備越來越多的影音娛樂設備，如

音響、電話、全球衛星定位系統等、DVD等等，

這些應用服務都需要高頻寬車載網路的支持。於是

BMW與戴姆勒克萊斯勒等公司於1999年推動MOST

車載網路系統，是一種能夠相容各種影音娛樂設備

的網路系統、可以進行不同資料格式之間傳輸、

具高頻寬的匯流排通訊協定。MOST的網路拓樸通

常為環形結構，為了能進行正確的資料傳送與接

收，MOST 匯流排需要全域的時脈同步訊號，因

此不需要緩衝區，這將降低設備成本。MOST 匯

流排中的取樣頻率一般為30 k ~ 50 kHz 之間，所

採取的取樣頻率將依據應用的不同而有所變化，

例如CD 的取樣頻率一般為44.1 kHz，如果網路中

只有音訊設備， 那匯流排系統將採用44.1kHz 的

頻率，如果在網路中還具有DVD 設備，DVD 的取

樣頻率為48kHz，不同的設備之間則需要取樣頻率

的轉換，並將付出訊號錯誤的代價。另一方面，

MOST匯流排既可以實現為Single Master也可以作

為Multi-master的系統，並運用光纖進行資料傳遞，

使MOST具有良好的EMC以及抗干擾能力。

近年來隨著乙太網路應用的普及化，且可滿足

車載高速網路對安全性、舒適性、影音娛樂等方面

的高度要求，因此，Broadcom、BMW、現代汽車

等大廠於2011年成立單對乙太網路(OPEN)聯盟，

推動車載單對非遮蔽絞線乙太網路技術的應用。相

對於既有乙太網路技術，單對絞線車載乙太網路

使用非遮蔽雙絞線電纜，預計可減少高達80%的連

接成本和30%的纜線重量，且其資料傳輸速率已達

100Mbit/s，可應用於ADAS系統、影音娛樂系統與

網路診斷系統，如圖2所示，為未來車載網路系統

的明日之星。

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嚴選推薦

二、高速網路共通性平台

因應智慧車輛技術的發展，車載系統對於網路

頻寬與數值運算能力需求愈來愈高，特別是車用安

全系統，如前方碰撞預防、後方障礙物辨識與全周

影像等功能，都需要車載網路高速傳輸能力與高運

算能力的支援。有鑑於此，車輛中心(ARTC)於2014

年開始投入車載高速網路共通性平台的開發，期望

車載智慧系統可於一共通平台上發展，以利系統的

開發、整合與測試驗證。

圖3是高速網路共通平台示意圖，透過高速乙

太網路將節點串聯起來形成一車載網路平台，感測

器節點可藉由網路將資料高速送往處理器節點，以

提供各式各樣的應用服務。以往車載應用服務通常

各自於單一控制器上發展，以致於增加後期整車系

統整合時的複雜度與困難度，本文之高速網路共通

平台則是採用軟體架構分層化設計，提供共通應用

程式介面(API)以介接應用層軟體與底層硬體模組，

使系統開發者可專心於演算法開發，演算法與硬體

周邊溝通時，只需要呼叫定義好的應用程式介面，

以達到演算法移植的便利性。共通應用程式介面包

含程式碼執行續、影像擷取與顯示、網路通訊等軟

體介面。程式碼執行續API提供應用層軟體開發者

快速將運算需求載入多個處理器中平行處理；影像

擷取與顯示API提供應用軟體開發者快速擷取攝影

機影像資訊、或是將影像輸出於顯示器中；網路通

訊API則是則是提供應用軟體開發者傳輸或接收網

路資料。

圖4是ARTC於高速網路共通平台開發之環周影

像監控系統(AVM)，本系統使用四個廣角攝影機取

得車輛周邊影像資訊後，利用影像處理技術將視角

轉為由車頂往下觀察的鳥瞰圖，使駕駛能全方位監

控其車身周邊環境，方便在狹窄路段做會車、過彎

及路邊停車動作。控制器則分為四個連接攝影機之

前端控制器與一個後端控制器。環周影像監控系統

軟體切割成AVM1與AVM2軟體元件，前端控制器

▲ 圖2、車載乙太網路 (資料來源：OPEN Alliance)

▲ 圖3、高速網路共通平台示意圖

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執行AVM1軟體元件(運算廣角影像扭曲校正與視點

轉換)，後端控制器則是執行AVM2軟體元件(縫合

四個前端處理後之影像)；AVM軟體元件藉由呼叫

影像擷取/顯示API即可輕易獲得影像資料或是顯示

影像。影像擷取API格式將參考OpenCV標準制定，

AVM1軟體元件可快速取得影像位元組數據，不須

顧慮攝影機型號；影像顯示API則是參考OpenGL

格式制定，AVM2軟體元件可將縫合完之影像位元

組數據交給顯示API，並於顯示器顯示出來，不須

顧慮影像顯示技術之細節。ARM/GPU運算API介

接AVM軟體元件與ARM/GPU處理器，呼叫ARM/

GPU運算API即可將運算需求交於ARM或是GPU

處理器進行運算。ARM運算API格式參考POSIX

Threads標準制定，AVM軟體元件可將運算需求交

由多核心ARM處理器進行運算。GPU運算API則

是參考OpenCL格式制定，AVM軟體元件可將運算

需求交由GPU處理器進行運算。網路通訊API介接

AVM軟體元件與網路其它節點，AVM軟體元件呼

叫網路通訊API即可傳送與接收網路資料。AVM系

統開發者可於四個攝影機節點呼叫影像擷取API以

取得影像資料，並且呼叫網路通訊API將影像資料

傳送到AVM縫合處理之節點；縫合處理節點呼叫網

路通訊API接收影像資料後，呼叫GPU運算API，將

縫合處理演算法交由GPU處理器進行運算。

除了上述AVM系統之外，先進智慧車輛更搭

載多個安全輔助系統，因此車載乙太網路之拓樸

規劃是技術核心關鍵之一。以下說明車載乙太網

路搭載AVM、前方碰撞警示系統(Forward Collision

Warning，FCW)、車道偏移警示(Lane Departure

System，LDW)、盲點警示系統(Blind-spot Detection

System，BDS)與停車輔助系統(Parking Assistance

System，PAS)之高速網路拓樸需求規格分析。

前方碰撞警示系統利用攝影機測量本車與前

方物體之距離，當距離過近時提醒駕駛；車道偏移

警示系統利用攝影機對車道進行辨識，當車輛於行

駛中偏離車道線時，發出警告音提醒駕駛者；前方

碰撞警示系統與車道偏移警示系統可共用一顆攝影

機；盲點警示系統利用左右兩顆攝影機，辨識左右

側盲點區出現的逼近物體，以警告燈號加上警示聲

響提醒駕駛者；停車輔助系統包含平行停車與倒車

入庫兩種模式，利用倒車攝影機所擷取的方向盤轉

向角度訊號與後方影像，即時產生倒車軌跡線於車

內螢幕顯示，指引駕駛者順利停入停車格內。

表2是多個安全輔助系統之需求列表，這些安

全輔助系統之啟動情境可歸納為以下四種：

• 情境1：倒車且時速小於30 km/hr，啟動PAS、

AVM、BDS。

• 情境2：前進且時速大於60 km/hr，啟動LDW、

FCW、BDS。

• 情境3：前進且時速大於30~60 km/hr，啟動

BDS。

• 情境4：前進且時速小於30 km/hr，啟動AVM、

▲ 圖4、高速網路共通平台之AVM系統

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BDS。

拓樸設計除了須滿足以上四種情境的資料傳輸

需求以外，還須保留部分頻寬作為控制訊號使用。

本文假設保留25%頻寬傳送控制訊號，剩下75%頻

寬傳送影音訊號，再搭配100 Mbps全雙工乙太網路

線材，因此每條網路線的影音串流傳輸不能超過75

Mbps。

經過文獻研析，很多學者在多次實驗後都發

現應將駕駛輔助系統接到同一個網路交換器，再接

到駕駛者人機介面做顯示，此種設計會有最低的傳

輸封包遺失率與傳輸延遲時間，因此，本文之車載

乙太網路拓樸也是採用星狀拓樸設計。因為現有車

載乙太網路交換器大多支援四個通訊埠，因此在四

個通訊埠限制與75 Mbps影音傳輸負載限制下，圖5

是搭載上述多個安全輔助系統之多星狀車載乙太網

路拓樸示意圖，其中每一個安全輔助系統攝影機，

透過乙太網路將擷取到的影像傳到相應的控制器做

處理，控制器處理完後再將處理後的影像(720*480

YCbCr)透過乙太網路傳到駕駛者人機介面做顯示，

經過網路頻寬分析可確認此網路拓樸設計可符合搭

載上述多個安全輔助系統之高速網路拓樸需求。

三、結 論

隨著消費者對車載功能漸漸有了更高的期待，

傳統的串列架構的CAN匯流排已無法負荷高頻寬

的行車安全與影音娛樂需求，一個能整合車內影音

串流做統一顯示處理的車內乙太網路系統也日益重

要。有鑑於此，ARTC已投入車載高速網路研究，

開發高速網路共通平台並於車輛上搭載多個安全輔

助系統，未來也將持續針對車載高速網路應用與系

統整合提出更完整的解決方案。

安全輔助系統

影像更新率(fps) 影像格式 啟動時機

攝影機數量

LDW FCW 20~30

720*480YCbCr4:2:2

前進( 時速 60km 以上 ) 1

BDS 15~30 倒車與前進( 任何速度 ) 2

PAS 20~30 倒車( 任何速度 ) 1

AVM 10~30 倒車與前進( 時速 30km 以下 ) 4

▼ 表2、安全輔助系統之需求列表

▲ 圖5、多星狀車載乙太網路拓樸設計