【摘要】從汽車(chē)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的角度闡述了新型整車(chē)控制器關(guān)鍵技術(shù)需求，包括高計算性能、高通訊帶寬、高功能安全性、軟件持續更新。針對上述需求總結了以太網(wǎng)、CANFD、多核芯片、雙核心、OTA關(guān)鍵技術(shù)行業(yè)現狀，對未來(lái)發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。
主題詞：整車(chē)控制器(VCU)車(chē)載以太網(wǎng)CANFD雙核心 多核芯片OTA
1 前言
電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)公認的未來(lái)發(fā)展方向。作為電動(dòng)汽車(chē)核心零部件，整車(chē)控制器必須能夠支撐汽車(chē)“四化”。其必須滿(mǎn)足高計算性能、高通信帶寬、高功能安全性、軟件持續更新等需求。目前整車(chē)電子電氣架構及整車(chē)控制器所搭載技術(shù)普遍無(wú)法滿(mǎn)足以上需求。為覆蓋上述需求，未來(lái)汽車(chē)產(chǎn)品將逐漸采用集中式電子電氣架構，同時(shí)整車(chē)控制器必須包含以太網(wǎng)、CANFD、多核芯片、雙核心、OTA等關(guān)鍵技術(shù)。
本文將首先介紹整車(chē)控制器與分布式和集中式2種電子電氣架構的關(guān)系，然后分別介紹了新型整車(chē)控制器的關(guān)鍵技術(shù)，對技術(shù)內容進(jìn)行了分析，提出了未來(lái)發(fā)展趨勢并進(jìn)行了展望。
2 整車(chē)控制器與電子電氣架構
2.1 整車(chē)控制器與分布式電子電氣架構
在以往的芯片能力前提下，受到計算能力及通信能力的限制，整車(chē)控制器無(wú)法集成所有的車(chē)輛控制軟件，即使是新能源部件控制相關(guān)的軟件也無(wú)法全部集成。這決定了整車(chē)控制器只能作為分布式電子電氣架構中的一員，但是這種關(guān)系限制了功能變更及擴展。
在分布式電子電氣架構中，一項整車(chē)層級的功能由多個(gè)控制器配合完成。某項功能的實(shí)現可能需要幾個(gè)或十幾個(gè)控制器相互配合，并且這些控制器可能分布在整車(chē)不同的網(wǎng)絡(luò )中(圖1)。整個(gè)交互過(guò)程與時(shí)間配合異常復雜。整車(chē)普遍有100余個(gè)控制器，幾百項整車(chē)級功能，功能與控制器本身的物理連接交織成一個(gè)巨大而復雜的網(wǎng)，非常不利于模塊化設計與擴展。在這種情況下，增加一個(gè)新功能，需要在上述的復雜功能網(wǎng)絡(luò )上考慮各部分相關(guān)性，并對大量的控制器軟件進(jìn)行修改及測試。
圖1 整車(chē)控制器在分布式電子電氣架構中的位置
2.2 整車(chē)控制器與集中式電子電氣架構
隨著(zhù)芯片及車(chē)載以太網(wǎng)的發(fā)展，整車(chē)控制器已經(jīng)具備集成大部分車(chē)輛控制軟件的能力。分布式電子電氣架構正在逐漸向高度集成化和智能化發(fā)展，整車(chē)控制器在電子電氣架構中的位置也隨之發(fā)生變化，真正實(shí)現車(chē)輛層級的集成型控制器，其控制涵蓋動(dòng)力、底盤(pán)以及一些網(wǎng)關(guān)功能。整車(chē)控制器與集中式電子電氣架構的關(guān)系如圖2所示。將大部分的功能集成于整車(chē)控制器中會(huì )極大地減少整車(chē)線(xiàn)束長(cháng)度與控制器數量。
圖2 整車(chē)控制器在集中式電子電氣架構中的位置
3 新型整車(chē)控制器關(guān)鍵技術(shù)
為支撐汽車(chē)“四化”，整車(chē)控制器必須滿(mǎn)足高通信帶寬、高計算性能、高功能安全性、軟件持續更新等多項需求。其中，高通信帶寬催生了車(chē)載以太網(wǎng)、CANFD技術(shù)發(fā)展；高計算性能催生了多核芯片和雙核心控制架構技術(shù)發(fā)展；軟件持續更新催生了OTA技術(shù)發(fā)展。這些技術(shù)將被普遍應用在新型整車(chē)控制器上。下面將分別介紹這些技術(shù)。
3.1 車(chē)載以太網(wǎng)
在過(guò)去20年里通信帶寬問(wèn)題一直困擾著(zhù)汽車(chē)行業(yè)。在這期間，CAN總線(xiàn)是主流的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。其1 Mbit/s的標稱(chēng)速度在該技術(shù)早期對于汽車(chē)帶寬需求有足夠的裕度。然而近年來(lái)隨著(zhù)車(chē)輛控制邏輯越來(lái)越復雜，所需控制器和傳感器數量急劇增加，雖然集中式電子電氣架構可以在一定程度上減少控制器數量，但是由于域控制器的計算能力遠高于原有車(chē)輛控制器，因此1 Mbit/s的CAN通信帶寬顯然是無(wú)法滿(mǎn)足數據交互需求的。
更高的通信帶寬要求加速了以太網(wǎng)和汽車(chē)行業(yè)的融合。以太網(wǎng)誕生于20世紀70年代，其最早的雛形與如今家庭、辦公、服務(wù)器機房、數據倉庫運行的以太網(wǎng)早已截然不同。盡管以太網(wǎng)與時(shí)俱進(jìn)地發(fā)展，但是應用于汽車(chē)仍有一些問(wèn)題，最主要的是電磁兼容性問(wèn)題。這些限制在BroadR-Reach技術(shù)出現后被打破，該技術(shù)可在單對非屏蔽雙絞線(xiàn)上提供100 Mbit/s的帶寬。這種傳輸方法從未應用在之前的以太網(wǎng)。即便物理層變化，這種技術(shù)仍能夠在高層實(shí)現與以太網(wǎng)的無(wú)縫結合且運行方式不變。目前，該技術(shù)已經(jīng)用于量產(chǎn)車(chē)型。同時(shí)，支持更快速度的RTPGE技術(shù)正在研發(fā)中，在保留軟件兼容性的同時(shí)，其帶寬有望提升到1 Gbit/s。
盡管通信帶寬有著(zhù)明顯的優(yōu)勢，但受制于成本及功耗因素，車(chē)載以太網(wǎng)主要應用于骨干網(wǎng)絡(luò )。用于整車(chē)控制器與其他域控制器的通信，如圖3。而對于域內的智能執行器和傳感器，使用其他低成本解決方案，如CANFD、CAN、LIN。
圖3 整車(chē)控制器使用以太網(wǎng)與其他域控制器通信
當然，在整車(chē)控制器上增加車(chē)載以太網(wǎng)面臨著(zhù)巨大的改變：相對于CAN通信更龐大的軟件協(xié)議棧；更大的控制器功耗；更大的靜態(tài)電流，這些都需要在系統設計時(shí)被考慮。
3.2 CANFD
考慮到成本及功耗，整車(chē)上只有骨干網(wǎng)使用高通信帶寬的以太網(wǎng)通信。但是對于其他子網(wǎng)，標稱(chēng)1 Mbit/s的CAN通信也迫切的需要提升通信速度。目前成熟的CANFD技術(shù)是一個(gè)好的解決方案。
CANFD總線(xiàn)是CAN總線(xiàn)的高帶寬解決方案，博世公司于2011年首先提出CANFD概念，并于2012年首先發(fā)布CANFD1.0版本。在保留CAN總線(xiàn)主要特性的同時(shí)，改善了錯誤幀漏檢率，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò )中大部分軟硬件特別是物理層不變。將總線(xiàn)的最高傳輸速率提高到5 Mbit/s以上（CAN通信的最高傳輸速率為1 Mbit/s,實(shí)際使用速率最高為500 kbit/s）。
更重要的是，CANFD數據長(cháng)度最長(cháng)64字節，這使得CANFD的數據場(chǎng)占比達到近85%。CAN的數據場(chǎng)占比只有約50%。這意味著(zhù)即使同樣的通信帶寬，CANFD可以多傳輸約70%的有效數據。CANFD幀格式如圖4所示。
圖4 CANFD幀格式
更為關(guān)鍵的是，由于CANFD保留了CAN的大部分關(guān)鍵特性，所有的CANFD芯片都能夠兼容CAN。這使得選擇CANFD芯片的控制器在不改變硬件的情況下，只修改軟件即可適配CAN通信網(wǎng)絡(luò )。CANFD技術(shù)有多重優(yōu)勢，在未來(lái)相當長(cháng)一段時(shí)間內，車(chē)載以太網(wǎng)與CANFD將會(huì )長(cháng)期共存，各司其職，共同發(fā)展。
3.3 多核芯片
同傳統消費電子領(lǐng)域早期一樣，為了獲得更快的處理速度，汽車(chē)行業(yè)采用提升核心頻率的方式來(lái)提升處理速度。但為了兼顧穩定性，核心頻率提升遇到瓶頸，未來(lái)小幅的提升核心頻率已經(jīng)不能滿(mǎn)足日益增長(cháng)的軟件執行速度需求。這種情況下，汽車(chē)行業(yè)選擇了與消費電子一樣的技術(shù)路線(xiàn)，采用多核芯片。
多核芯片大幅提升了芯片的運算能力。這是一種并行的方法。所以在應用中想獲得同樣的效果，需要在軟件設計時(shí)合理地將各部分軟件分配到各個(gè)核心中。原則是盡量讓所有軟件并行。多核芯片的算力與同頻率單核芯片的算力加速比可以使用Amdahl定律來(lái)評估。公式如式（1）：
其中，S為多核芯片的算力與同頻率單核芯片的算力加速比；a為并行計算部分所占的比例；n為核心數量。
如圖5，當并行程序為75%時(shí)，加速比的極限性能為4.0。在10核以?xún)仍黾雍诵臄刀伎梢源蠓嵘\算性能。前期可以通過(guò)此方式對系統運算能力和分配要求做大略的評估，尋找一個(gè)最佳投入產(chǎn)出點(diǎn)。同時(shí)這個(gè)公式還指出，對于一個(gè)核心數量固定的多核系統，增加程序并行性是提升系統運算性能的有效措施。
圖5 并行程序占75%時(shí)，加速比S與核心數量n之間的關(guān)系
3.4 雙核心控制架構
在過(guò)去的幾十年里，汽車(chē)電子行業(yè)一直采用微控制器（MCU）搭建各種類(lèi)型的車(chē)載控制系統。盡管不同廠(chǎng)家的微控制器性能各異，但他們都有一些通用的特點(diǎn)：集成度高、價(jià)格低廉、高可靠性、核心頻率低、程序是預先裝載的以及不允許用戶(hù)安裝軟件。軟件定義汽車(chē)的出現，要求整車(chē)控制器具備高計算性能、程序可更新、客戶(hù)可安裝軟件等特性，在整車(chē)控制器上微控制器便不能再獨自勝任。
目前主流的解決方案是引入微處理器（MPU）作為微控制器的補充。組成雙核心高性能整車(chē)控制器。這些微處理器與智能手機或PC中使用的微處理器非常相似，具有強大的計算及數據處理能力和高核心頻率。但其并不像微控制器具有種類(lèi)繁多的外設，甚至連程序運行所必須的RAM、ROM都不包含，所以硬件設計時(shí)必要的外設需要被重新考慮。
整車(chē)控制器中同時(shí)包含了微處理器與微控制器（圖6）。由于這是2個(gè)獨立的軟件系統去實(shí)現一些共同的功能，核間通信必不可少。核間通信有大量數據量傳輸，對通信帶寬要求較高，且通信方式必須同時(shí)被微控制器和微處理器所支持。滿(mǎn)足上述特點(diǎn)的以太網(wǎng)是一個(gè)優(yōu)質(zhì)選擇。
圖6 微控制器（MCU）與微處理器（MPU）集成度差別
雙核心控制架構還有一種形式，高集成度的SOC（System on Chip）芯片同時(shí)集成微控制器和微處理器。盡管物理上統一，但這仍然是2個(gè)獨立的軟件系統，需要相互配合去實(shí)現一些共同的功能。
在雙核心架構的整車(chē)控制器中，微控制器和微處理器采用不同的操作系統。CLASSIC AUTOSAR依然是微控制器最好的操作系統解決方案。而對于微處理器，操作系統選擇空間很大，主要包括Linux、QNX、VxWorks、PikeOS。雖 然AUTOSAR推 出 了ADAP?TIVE AUTOSAR，但嚴格來(lái)講，這并不是一個(gè)完整的操作系統。ADAPIVE AUTOSAR無(wú)法獨立運行，它運行于POSIX標準接口之上。而POSIX接口還需要上述提到的Linux、QNX、VxWorks、PikeOS等操作系統來(lái)提供。同CLASSIC AUTOSAR相比，ADAPTIVE AU?TOSAR的模塊數量不足前者15%。從目前情況看，若想達到CLASSIC AUTOSAR在汽車(chē)行業(yè)的普及率，ADAPTIVE AUTOSAR依然有很多路要走。
3.5 OTA
在過(guò)去的幾十年里，汽車(chē)電子產(chǎn)品所有的軟件都是預先裝載的。車(chē)輛交付給客戶(hù)后，沒(méi)有不可接受的軟件問(wèn)題，一般不會(huì )對車(chē)輛軟件進(jìn)行更新；一旦發(fā)現軟件問(wèn)題，要進(jìn)行車(chē)輛召回。統一由售后服務(wù)人員逐一為有問(wèn)題的車(chē)輛升級軟件。對售后部門(mén)來(lái)說(shuō)，這是一筆非常龐大的開(kāi)銷(xiāo)。據統計2015年美國汽車(chē)召回達到8 400萬(wàn)量，其中6.4%的召回與軟件有關(guān)。而空中升級技術(shù)（Over-the-Air Technology，OTA）可以解決上述問(wèn)題。
OTA技術(shù)，最早用于手機端，用戶(hù)可以通過(guò)云端下載和更新軟件。帶有OTA的汽車(chē)也同樣可以通過(guò)云端遠程進(jìn)行車(chē)輛系統和功能的升級更新。特斯拉首先將OTA技術(shù)應用于汽車(chē)上。
OTA技術(shù)需要云端和車(chē)內端系統同時(shí)部署，OTA架構如圖7。主要介紹整車(chē)控制器支撐OTA需要實(shí)現哪些功能。在經(jīng)過(guò)授權情況下，軟件從云端經(jīng)OTA Client進(jìn)入車(chē)內端。經(jīng)過(guò)防火墻，分發(fā)到需要升級的控制器。
圖7 OTA系統方案
OTA是一個(gè)復雜的過(guò)程，為了避免出現問(wèn)題，下述問(wèn)題在整車(chē)控制器設計時(shí)必須被考慮。
（1）需要支持程序回滾，在OTA升級失敗或新程序運行不穩定的情況下，使程序回滾到穩定運行版本；
（2）需要考慮信息安全，通過(guò)通信加密、軟件包驗簽等方式保證軟件信息安全；
（3）需要對車(chē)輛配置進(jìn)行識別并對OTA能否開(kāi)始條件進(jìn)行判斷；
（4）需要考慮軟件OTA升級通信速率問(wèn)題，避免出現由于升級時(shí)間過(guò)長(cháng)，影響用戶(hù)用車(chē)的情況。
4 結語(yǔ)
綜上所述，為支撐汽車(chē)實(shí)現電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化，作為電動(dòng)汽車(chē)核心零部件的整車(chē)控制器必須具備高計算性能、高通信帶寬、高功能安全性、軟件持續更新的特點(diǎn)。本文首先介紹了在這些新特點(diǎn)下整車(chē)控制器與電子電氣架構之間的關(guān)系。然后，結合相關(guān)成熟技術(shù)，闡述新型整車(chē)控制器將配備車(chē)載以太網(wǎng)、CANFD、多核芯片、雙核心控制和OTA關(guān)鍵技術(shù)。最后，對上述技術(shù)進(jìn)行了介紹，分析了在整車(chē)控制器上應用涉及的相關(guān)特性。其中很多特性并不局限于整車(chē)控制器，對其他控制器也有借鑒意義。
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轉自智能汽車(chē)設計
