塑料光纤的应用与汽车轻量化和安全性的提高

瑞安·纳扎雷蒂安 G.马歇尔莫伦

密西西比州立大学 密西西比州立大学

先进车辆系统中心 电机与计算机工程系

斯塔克维尔，密西西比，美国 斯塔克维尔，密西西比州，美国

ryannazaretian@gmail.com molen@ece.msstate.edu

[摘要]尽管通讯网络在如今的车辆上运用的十分广泛，但随着新技术的发展，汽车电线的质量也在不断增加。在一个典型的车辆上，使用的电线约重100公斤，这就加剧了电气化车辆的问题，例如混合动力车的额外的电子控制电路要结合高电流电缆来进行电力驱动。还需要考虑到网络的脆弱性，当网络被非法获取或当网络受到电磁干扰时，会导致安全漏洞的产生。本篇论文描述了塑料光纤与以太网的使用对这些顾虑的缓解作用。

[关键词]控制器区域网络（CAN），塑料光纤，POF（塑料光纤）,网络安全,重量，汽车，PIC32单片机

Ⅰ.简介

如今，电子在汽车领域的应用急速增长，增长速度有点类似于穆尔定律所描述的半导体的生长。在过去十年中，我们已经看到了车辆导航系统、后视摄像头与大量的输入选择音响系统、自适应巡航控制、先进驾驶辅助系统（ADAS）和远程信息处理的整合。这些技术的集成再加上混合动力车的复杂性，进一步增加了电子的使用，因此，增加了所需的电线的量。

下一代汽车越来越与车辆（V2V）通信、先进驾驶辅助系统ADAS、自治、物联网（IOT）、高集成、以及全电动汽车的发展联系起来。实际上，这个项目背后的主要驱动力与一个大学项目有关，该项目研究的是将库存车辆转变成混合了新娱乐中心、ADAS和其它针对由于过多的从车头到车尾的电线产生的问题的一些创新的产品。现在有很多车载通讯网络，包括控制器区域网络（CAN）、媒体导向系统传输（MOST）和局域互联网（LIN）。据调查，现在最常见之一就是支持高达1Mbps流率的 CAN2.0[1]。

1. 控制器区域网络的历史

控制器区域网络是由罗伯特·博世有限公司在1986年发布的一条控制器区域网络[2]。这是一个采用半双工串行通信协议的低成本网络，它采用一个差分电压与一个单一的双绞线实现了物理层，如图一所示。总线的每一端都有用来减少信号反射的120Ω电阻。

节点4

节点3

节点2

节点1

数字信号处理

数字信号处理

数字信号处理

数字信号处理 图一.CAN物理层[1]

CAN控制器

CAN控制器

CAN控制器

CAN控制器

CAN收发器

CAN收发器

CAN收发器

CAN收发器

CAN总线

图一.CAN物理层[1]

作为广播网络，控制区域网络总线上的每个节点都可以访问传输的所有数据。单个信息用11位或29位标识符标识。信息的优先级是基于此ID指定的。具有优先级的信息被给与最低地址[ 1 ]。在2012年三月份，出台了一个新的支持更长的数据长度和更高的、高达4 Mbps传输速率的CANCAN FD标准[ 3 ]。

B.光纤光学

光纤光学在汽车领域的应用已经不是一个新的概念了。主要体现在车上的信息娱乐系统的音频和视频传输都采用了塑料光纤（POF）[4]。其中，塑料光纤(POF)的应用带来了很多的好处，如减轻了汽车的质量，提高了车速，同时也有较好的免疫信号干扰的能力。但是，塑料光纤的价格比较昂贵。即使塑料光纤不再那么昂贵，位于光纤和其它相关电子的每个端的收发器也阻碍了这项技术在汽车上的广泛运用。幸运的是，这些费用近几年来已经明显下降了，而且随着塑料光纤越来越多的被采用，它的成本会进一步下降。

C.相关问题

随着电子产品在当今汽车中的应用越来越广泛，用在汽车上的电线的质量也在不断增加。在一个典型的车辆上，使用的电线约重100公斤，这就加剧了电气化车辆的问题，例如混合动力车的额外的电子控制电路要结合高电流电缆来进行电力驱动[ 5 ]。随着传感器、远程信息处理、信息娱乐应用和ADAS系统的增加，尽管整个电气系统的重量变得更重，机械制造技术方面的改进，如一体式设计、铝合金轮毂、铝合金发动机缸体和其他先进的制造技术还是使车辆重量减轻了。

随着电子在汽车上应用的扩展，车辆的通信网络正变得严重加载，导致制造商不得不在汽车上采用多个网络和多种类型的网络来处理额外的数据。在不减少网络的完整性的情况下，增加带宽是很有必要的。

另一个需要考虑的是，越来越受到关注的现代车载先进电子系统正是车载通信网络的脆弱点，系统会产生安全漏洞或由于电磁干扰而影响到网络完整性。这样的问题已经发生了。2011斯巴鲁傲虎被控制使用了一个文本消息[ 6 ]。2015年二月，一段60分钟的新闻片段展示了黑客非法入侵远程信息处理系统所能造成的影响[ 7 ]。有了控制器区域网络，就不再需要发送方和接收方的认证。用于建立控制器区域网络（CAN）消息优先级的技术也可以在安全方面发挥作用。

1. 安全风险

CAN网络特别容易受到安全漏洞的影响。因为采用的广播协议，规定每个节点从网络上传输的所有消息中选择它希望收到的消息。以下介绍的是由林在一篇论文中所描述的四种入侵类型[ 11 ]。

1. 修改

修改消息意味着在两个合法节点之间放置一个非法节点。通过这样做，一些消息可以通过且保持不变，但有些消息就被修改成了新的数据。

b）制造

当一个非法节点在总线上创建消息时，会发生下面两个事件之一：

中央处理器陷入混乱

如果非法节点在总线上使用与其他设备相同的地址，则接收节点将从同一地址接收两个不同的消息，在这种情况下，中央处理器将陷入混乱。

控制中央处理器的模式

如果非法节点将数据发送到汽车的中央处理器，可以使控制器切换模式，例如在诊断活动中进行的过程或汽车程序初始化。

c）拦截

接收数据,不用于非法的节点不会造成任何服务中断,但会导致车辆的数据被保存。这会导致侵犯隐私权的问题，是我们主要关注的地方。

d）中断

如果非法节点或非法设备导致服务中断，则汽车通讯网络可能发生中断。中断的原因有很多，比如总线被短路或总线被优先级更高的设备取代。

AI.概念演示

塑料光纤以太网的演示常用来对系统进行可行性的评估。示范时一般只采用一个节点，但是，整车集成将涉及许多节点 ，如以下图2所示，但不局限于此。

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