引 言

在汽车电子技术快速演进的今天，车辆早已不再是由少量控制单元和简单信号线构成的机械系统，而是一个高度网络化、信息密集型的复杂电子系统。从基础的车身控制到高级驾驶辅助与自动驾驶功能，几乎所有关键能力都建立在对传感器数据的可靠采集与高效传输之上。

随着传感器数量、类型以及数据规模的持续增长，单一通信协议已无法满足整车在带宽、实时性、可靠性和成本等方面的多重需求。由此，多协议并存、分层分域的车载通信体系逐渐成为现代汽车电子架构的主流形态。理解这些通信协议及其在传感器系统中的角色，是深入掌握汽车电子系统工作机理的基础。

1 车载通信协议栈及其

在传感器系统中的应用

车辆功能的多样化和智能化发展，传感器和执行器的数量不断增加，车辆对通信网络的需求呈现出多层次、多带宽的特点。低速、低成本的控制节点、关键控制系统以及高带宽传感器之间的数据传输需求各不相同，使得单一通信协议难以覆盖全部场景。因此，汽车电子架构通常采用多种协议并行部署的方式，通过分层、分域和主从网络结构，实现不同节点间的高效、可靠通信。

在这一背景下，Ethernet、MOST、FlexRay 等车载通信协议应运而生，各自针对特定的速度、实时性、可靠性和成本要求进行优化。本节将从低速的 LIN 协议讲起，依次介绍车载以太网（Ethernet）、MOST 多媒体总线以及 FlexRay 高速控制总线，阐述它们在现代汽车电子系统中连接传感器与执行器、支撑整车功能的角色与应用特点。

1.1 Ethernet（车载以太网）

Ethernet（以太网）正逐步成为新一代汽车电子系统中高带宽传感器通信的核心协议之一。在高级驾驶辅助系统（ADAS）、自动驾驶以及集中式电子电气架构中，传统的 CAN、LIN 或 FlexRay 已难以满足传感器数据量和实时性不断增长的需求，因此，车载 Ethernet 被引入作为高速数据传输的基础通信网络。

1. 应用背景与引入动因

随着车辆智能化程度的提升，车载传感器的类型和数量快速增加，例如：

• 高分辨率摄像头；

• 毫米波雷达和激光雷达；

• 高精度定位与环境感知传感器；

• 融合感知与集中计算单元。

这些传感器往往需要传输大规模原始或半处理数据流，数据速率从几十 Mbps 到数百 Mbps，甚至更高。传统总线协议在带宽、扩展性和拓扑灵活性方面已明显受限，而 Ethernet 天生具备高带宽和成熟生态，因而成为理想选择。

2. 车载 Ethernet 的技术特点

车载 Ethernet 并非直接照搬传统办公网络，而是针对汽车应用进行了多方面优化：

• 高带宽能力：支持 100 Mbps（100BASE-T1）、1 Gbps（1000BASE-T1），甚至更高；

• 单对双绞线（Single Pair Ethernet）：减少线束重量和布线复杂度；

• 点对点连接：提高通信确定性，降低冲突风险；

• 支持全双工通信：提升实时数据吞吐能力。

这些特性使 Ethernet 能够在车辆复杂电磁环境下稳定运行，同时满足对带宽和可靠性的双重需求。

3. 在传感器系统中的典型应用场景

在高级车辆中，Ethernet 通常用于以下传感器通信场景：

• 摄像头到中央计算单元的数据传输；

• 雷达/激光雷达到感知域控制器的数据链路；

• 多传感器融合系统中的高速数据交换；

• 软件定义车辆（SDV）中统一的数据骨干网络。

在这些应用中，Ethernet 不仅用于传输传感器数据，还承担了系统升级、日志采集和调试等辅助功能。

4. 实时性与确定性增强机制

传统 Ethernet 并不具备确定性实时通信能力，为满足汽车控制系统的需求，车载 Ethernet 引入了多种增强技术：

• TSN（Time-Sensitive Networking）：通过时间同步和流量调度，实现确定性通信；

• PTP（IEEE 1588）时间同步：保证多个传感器时间戳一致；

• QoS（服务质量）机制：为关键数据流分配更高优先级。

通过这些机制，Ethernet 能够在高带宽的同时，满足部分对实时性要求较高的应用场景，如感知融合和控制决策。

5. 架构层面的优势

在整车电子架构中，Ethernet 带来的不仅是通信速率的提升，更是架构范式的转变：

• 支持集中式和区域控制架构；

• 方便构建星型、树型或环型拓扑结构；

• 易于扩展传感器节点数量；

• 与 IT 技术和云平台生态高度兼容。

这种高度通用的网络形态，为未来软件定义车辆和持续功能演进提供了坚实基础。

6. 功能安全与冗余设计考量

虽然 Ethernet 本身不是功能安全协议，但在车载系统中可以通过以下方式满足高安全需求：

• 冗余链路设计（双以太网接口）；

• 独立交换路径与物理隔离；

• 上层安全通信协议与一致性校验；

• 与安全控制总线（如 CAN）协同运行。

在安全关键系统中，Ethernet 通常负责数据密集型通信，而最终的执行控制仍由高确定性的安全通道完成。

7. 使用边界与工程挑战

尽管 Ethernet 优势明显，但在工程应用中仍需注意其局限性：

• 芯片和系统成本高于 CAN / LIN；

• 功耗和协议栈复杂度更高；

• 对 EMC 设计和系统验证要求严格；

• 不适合极低成本、低速的简单节点。

因此，Ethernet 并不是“全面替代”，而是与其他车载总线形成互补。

总体而言，车载 Ethernet 是面向高带宽、多传感器和集中计算架构的核心通信协议。它为复杂传感器系统提供了充足的数据传输能力和良好的系统扩展性，是 ADAS、自动驾驶和软件定义车辆不可或缺的基础技术。通过与 CAN、LIN 等传统总线的协同使用，Ethernet 正逐步构建起新一代汽车电子系统的高速通信骨干网络。

1.2 MOST（Media Oriented Systems Transport，媒体导向系统传输）协议

MOST 协议是一种专门面向汽车信息娱乐系统（Infotainment）设计的车载网络通信协议，其核心目标是在车内稳定、高质量地传输多媒体数据，包括音频、视频以及相关的控制信息。MOST 并非为通用控制或传感器通信而设计，而是针对车载娱乐和多媒体应用进行了高度定制化优化。

1. 协议设计背景

随着汽车信息娱乐系统不断演进，车辆内部对多媒体数据传输提出了更高要求，例如：

• 多声道高保真音频播放；

• 后排娱乐系统的视频显示；

• 导航、电话、语音交互等多媒体融合功能；

• 多显示屏之间的音视频同步。

传统的 CAN、LIN 等控制总线在带宽和实时同步方面无法满足这些需求，因此 MOST 应运而生，成为早期高端车型车载娱乐系统的主流通信方案之一。

2. 核心设计理念：面向媒体传输

MOST 的最大特点在于其以媒体数据传输为核心的架构设计：

• 原生支持音频和视频流的实时传输；

• 支持严格的时间同步，确保音视频播放无抖动、无失真；

• 在同一网络中同时承载媒体数据、控制信息和状态信息。

这种“媒体优先”的设计，使 MOST 特别适合对时序和带宽敏感的车载娱乐应用。

3. 传输介质与网络拓扑

MOST 协议在物理层上具有多种实现形式：

• 光纤（MOST Optical）：抗电磁干扰能力极强，适用于复杂车内环境；

• 电缆（MOST Electrical）：降低成本，适用于部分车型；

• 同轴线（MOST150 Coax）：支持更高带宽的视频应用。

在拓扑结构上，MOST 通常采用：

• 环形拓扑（Ring Topology）：各节点首尾相连，数据沿环路传输；

• 支持节点热插拔和动态配置；

• 由网络中的主节点负责时间同步和带宽管理。

这种拓扑结构非常适合分布在车内不同位置的娱乐设备互联。

4. 带宽能力与协议演进

随着多媒体需求的提升，MOST 协议经历了多次演进：

• MOST25：约 25 Mbps，主要用于音频传输；

• MOST50：约 50 Mbps，支持更复杂的多媒体应用；

• MOST150：最高约 150 Mbps，可支持高清视频传输。

在 MOST150 中，协议进一步增强了对视频流和数据包传输的支持，使其能够满足更高端的信息娱乐系统需求。

5. 在汽车中的典型应用场景

MOST 协议主要应用于以下车载系统：

• 车载主机（Head Unit）与功放之间的音频传输；

• 后排娱乐显示屏的视频数据传输；

• 车载导航、电话和语音模块之间的多媒体通信；

• 高端音响系统中的多声道音频分发。

在这些场景中，MOST 的稳定性和同步能力尤为关键，能够确保用户获得良好的视听体验。

6. 与其他车载通信协议的关系

在整车电子架构中，MOST 通常并不单独存在，而是与其他总线协同工作：

• CAN / LIN：负责控制信号和状态信息；

• Ethernet：在新一代车型中逐步取代 MOST，承担高带宽多媒体传输任务；

• FlexRay：在部分高端车型中与 MOST 并行使用。

随着车载 Ethernet 的普及，MOST 在新车型中的应用正在逐渐减少，但在存量车型和部分高端音响系统中仍然具有实际价值。

7. 优势与局限性

优势：

• 原生支持高质量音视频流；

• 优秀的时间同步能力；

• 抗电磁干扰性能强（尤其是光纤方案）；

• 适合复杂车内娱乐系统架构。

局限性：

• 协议和硬件成本较高；

• 拓扑结构灵活性有限；

• 不适用于通用传感器或控制通信；

• 随着 Ethernet 技术成熟，生态逐步萎缩。

总体来看，MOST 协议是为车载信息娱乐系统量身定制的多媒体通信网络，在汽车多媒体系统发展早期发挥了重要作用。它通过对音视频流的高质量、低时延和高同步传输，显著提升了车载娱乐体验。虽然在新一代电子电气架构中逐渐被 Ethernet 替代，但 MOST 仍是理解车载多媒体通信技术演进过程中不可忽视的一环。

1.3 FlexRay 协议

FlexRay 是一种面向汽车高实时性和高可靠性控制应用的高速车载通信协议，最初由宝马、博世、恩智浦等公司联合推动，主要用于满足传统 CAN 总线在带宽、确定性和同步性方面难以胜任的应用需求。FlexRay 在设计之初就面向安全关键系统，特别适用于驱动控制、底盘控制和线控系统等对通信实时性和确定性要求极高的场景。

与 CAN、LIN 等事件触发型总线不同，FlexRay 采用时间触发（Time-Triggered）为主、事件触发为辅的通信机制，从根本上保证了通信时序的可预测性，这对于功能安全系统至关重要。

1.4 FlexRay 的主要技术特点

1. 更高的数据吞吐量

FlexRay 的单通道通信速率可达 10 Mbps，并支持双通道并行工作：

• 单通道：10 Mbps

• 双通道（A/B）：理论上可实现 20 Mbps 的带宽

这使 FlexRay 能够同时承载大量控制数据和状态信息，满足复杂控制系统的通信需求。

2. 优异的实时性与确定性

FlexRay 网络采用全局统一的时间基准，所有节点通过时间同步机制严格对齐通信周期。在一个通信周期（Communication Cycle）内，数据发送和接收的时间点是事先确定的，不存在总线仲裁不确定性问题，从而实现：

• 固定时延；

• 确定性的消息到达时间；

• 可预测的系统行为。

这种特性使 FlexRay 非常适合用于制动、转向、动力分配等安全关键系统。

3. 高可靠性与容错能力

FlexRay 支持多种冗余和容错设计方式，例如：

• 双通道冗余通信（Channel A / Channel B）；

• 节点级和网络级错误检测；

• 支持独立或镜像的数据传输模式。

在关键系统中，即使某一通信通道发生故障，系统仍可通过另一通道继续运行，从而满足更高 ASIL 等级的功能安全要求。

4. FlexRay 的典型应用场景

FlexRay 主要应用于对实时性、安全性要求极高的车载系统，包括但不限于：

• 电子制动系统（EBS、EHB）；

• 转向系统（Steer-by-Wire）；

• 主动悬架与底盘控制系统；

• 动力系统协调控制；

• 高安全等级域控制器之间的通信。

在这些系统中，通信的延迟和抖动直接影响控制效果，甚至会引发安全风险，因此 FlexRay 的确定性通信机制具有不可替代的优势。

5. FlexRay 的典型节点结构

一个完整的 FlexRay 节点通常由以下几个核心模块组成：

• 主机处理单元（Host / MCU）；

• FlexRay 控制器（Communication Controller，CC）；

• 总线驱动器（Bus Driver，BD）；

• 物理传输介质（双绞线等）。

其中，总线驱动器（BD）是 FlexRay 节点中连接数字通信逻辑与物理总线的关键组件。

总线驱动器（Bus Driver，BD）的作用

总线驱动器（BD）实现了 FlexRay 节点模块与通信通道之间的物理层接口，其主要功能包括：

• 将 FlexRay 控制器输出的数字信号转换为符合总线规范的电气信号；

• 接收来自总线的电气信号并转换为数字信号传递给控制器；

• 提供必要的电气隔离和信号整形；

• 支持节点在不同工作状态下的功耗管理与总线行为控制。

可以将 BD 理解为 FlexRay 节点“与外部通信世界的物理接口”。

6. BD 支持的工作模式及其意义

FlexRay 的总线驱动器通常支持多种工作模式，以适应不同的系统运行状态和功耗需求。常见的工作模式包括：

BD_Normal（正常模式）

• 节点可以正常发送和接收 FlexRay 通信数据；

• 所有通信和诊断功能均可用；

• 用于车辆正常行驶和系统全功能运行阶段。

该模式是强制性实现的。

BD_Standby（待机模式）

• 节点暂不参与正常通信；

• 保持对总线活动的监听能力；

• 功耗明显低于正常模式；

• 可在检测到唤醒条件后快速切换回 BD_Normal。

该模式同样是强制性实现的。

BD_Sleep（睡眠模式，可选）

• 节点几乎完全关闭通信功能；

• 仅保留最基本的唤醒检测能力；

• 功耗最低，适用于整车休眠状态。

该模式通常用于车辆熄火后对功耗极为敏感的场景。

BD_ReceiveOnly（只接收模式，可选）

• 节点只能接收总线数据，不能主动发送；

• 常用于诊断、监控或安全降级场景；

• 避免因异常节点向总线发送错误信息。

其他产品相关模式

根据不同厂商或具体应用需求，部分 FlexRay 总线驱动器还可能支持：

• 特定的低功耗唤醒模式；

• 测试与生产模式；

• 安全隔离模式等。

这些模式通常是针对产品特性或功能安全需求定制的扩展能力。

总体来看，FlexRay 是一种专为高安全、高实时控制系统设计的车载通信协议，其通过时间触发机制、高带宽和双通道冗余能力，为汽车关键控制系统提供了高度可靠的通信基础。

在 FlexRay 节点中，总线驱动器（BD）承担着连接数字通信逻辑与物理总线的关键角色，其多工作模式设计不仅满足了功能安全和实时通信的需求，也兼顾了整车功耗管理和系统状态切换的工程要求。正是这些从协议到节点结构的系统化设计，使 FlexRay 能够长期作为高安全等级汽车电子系统的重要通信基础之一。

2 传感器通信协议栈在汽车电子系统中的作用与选型

这些通信协议栈通常用于连接车辆中的各类传感器，例如温度传感器、压力传感器、位置与角度传感器、加速度与陀螺仪、雷达、超声波以及部分距离或环境感知传感器等。通过这些协议栈，传感器能够将采集到的物理量转化为数字信号，并稳定、可靠地传输至微控制器（MCU）、域控制器或中央计算平台，从而支撑车辆的监测、控制与安全功能。

在汽车电子系统中，传感器是实现“感知”的基础，其数据质量和通信可靠性直接决定了整车控制系统的性能和安全水平。通信协议栈在其中承担着“数据通道”的角色，不仅负责传输传感器数据，还往往同时承载设备配置、状态反馈、诊断信息以及故障上报等功能。

1. 协议栈在车辆监测与控制中的作用

通过合适的通信协议栈，传感器数据可以被用于多种车辆功能场景，包括但不限于：

• 车辆状态监测：如电池温度、冷却液温度、轮胎压力、油压等；

• 底盘与动力控制：如制动压力、转向角度、电机转速与力矩反馈；

• 安全系统：如碰撞检测、横摆率监测、制动踏板行程感知；

• 驾驶辅助与自动驾驶：如距离感知、环境感知和姿态估计。

在这些场景中，协议栈不仅需要满足数据传输的基本功能，还必须在实时性、可靠性、抗干扰能力和功能安全等方面达到严格要求。

2. 不同传感器对协议栈的需求差异

由于传感器类型和应用场景的差异，不同传感器对通信协议栈的要求也存在显著不同：

• 低速、低带宽传感器（如温度、湿度、简单位置传感器）：

            通常数据更新频率低，对实时性要求不高，更关注成本和接口简单性，常使用 I²C、LIN 等协议。

• 中等速率传感器（如压力传感器、角度传感器、IMU）：

            需要更稳定的数据传输和一定的实时性，常采用 SPI 或 CAN 等协议。

• 高带宽、高实时性传感器（如雷达、摄像头、激光雷达）：

            需要传输大量数据流，对时延和同步要求极高，通常采用 Automotive Ethernet 或专用高速接口。

因此，协议栈的选择并非“一刀切”，而是需要根据传感器的数据量、更新频率、实时性要求以及系统安全等级综合评估。

3. 协议栈选型与整车电子架构的关系

在现代汽车电子架构中，传感器协议栈的选型还受到整车网络结构和 ECU 架构的影响：

• 在分布式 ECU 架构下，传感器多就近接入本地 ECU，常使用 SPI、I²C 等点对点协议；

• 在域控制器架构下，多个传感器通过 CAN、LIN 或 FlexRay 接入同一域；

• 在集中式或中央计算架构中，高级传感器往往通过 Ethernet 直接连接到中央计算节点。

随着电子电气架构向集中化和高带宽演进，传感器通信协议栈也在不断向标准化、高速化和网络化方向发展。

4. 功能安全与诊断需求对协议栈的影响

对于安全相关的传感器，通信协议栈还必须支持必要的诊断和安全机制，例如：

• 数据一致性和合理性检查；

• 通信超时和丢包检测；

• 冗余通道或冗余数据传输；

• 故障状态与错误码上报。

在满足 ISO 26262 等功能安全标准时，这些机制往往是系统能否达到目标 ASIL 等级的重要组成部分。

总体来看，汽车传感器通信协议栈是连接“物理世界”与“电子控制系统”的关键桥梁。不同类型的传感器、不同的功能场景以及不同的整车电子架构，对协议栈在带宽、实时性、可靠性、成本和安全性等方面提出了不同要求。只有在充分理解传感器特性和系统需求的基础上，合理选择和设计通信协议栈，才能确保车辆在监测、控制和安全功能上的稳定运行与长期可靠性。