汽車(chē)“四化”發(fā)展方向是汽車(chē)工業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢，其中包含自動(dòng)駕駛、網(wǎng)聯(lián)化、動(dòng)力系統電氣化和共享移動(dòng)化。隨著(zhù)智能駕駛技術(shù)對于整車(chē)智能化程度要求的不斷提升，對其整車(chē)的控制能力要求也大幅提升，這一過(guò)程推動(dòng)整車(chē)電子電器架構逐漸從分布式架構向集中式專(zhuān)用域控制器架構進(jìn)行不斷演進(jìn)和發(fā)展，以便提供更加高速、安全、可靠的電子架構。這一過(guò)程中，不僅要求智能駕駛功能能夠運行在具有高性能軟件到硬件集成的專(zhuān)用中央域控制器上，同時(shí)也要求整車(chē)控制這塊也需要運行于穩定性、可靠性極高的中央與控制器上，這樣的中央域控制器不僅需要充當對于整個(gè)車(chē)身控制的終端，也需要執行包含中央網(wǎng)關(guān)、動(dòng)力、底盤(pán)等各域的綜合控制系統端。這也是實(shí)現后續作為面向服務(wù)開(kāi)發(fā)的前置條件。
本文將針對整車(chē)中央域控單元VDC從硬件、軟件設計兩個(gè)方面進(jìn)行詳細的方案設計介紹，以方便對整體控制能力進(jìn)行詳述。
01 整車(chē)域控硬件設計方案介紹
整車(chē)域控VDC的設計包含整機設計，具體硬件方案，視頻輸入/輸出，通信鏈路、供電終端、存儲終端。
1、硬件總體設計
從整個(gè)整車(chē)域控設計思路上講，需要考慮MCU和MPU在整車(chē)域控中需要達到一定的功能安全等級前提下，滿(mǎn)足對整車(chē)域控的控制能力輸出。此外，設置通用接口GPIO用于對整車(chē)其他域控的輸出指令控制（如油門(mén)開(kāi)度、制動(dòng)開(kāi)關(guān)、輸入喚醒、輸出喚醒等）。設置CAN、ETH、LIN接口用于通信連接分別傳輸不同的數據類(lèi)型；設置基礎時(shí)鐘晶振用于上下電時(shí)鐘同步；設置雙路供電電源用于考慮整車(chē)域控整體不會(huì )因為供電故障導致的失效。
從上圖可以看出，整車(chē)域控從功能角度上講就是一個(gè)多維度的準集中式中央處理單元，不僅需要執行包含低階行泊車(chē)控制功能，還需要執行對整個(gè)底盤(pán)系統的整體控制，同時(shí)也需要承擔中央網(wǎng)關(guān)的通信路由轉發(fā)等功能。因此，在設計過(guò)程各種需要將各種不同功能性能的芯片能力充分調動(dòng)起來(lái)，比如考慮實(shí)現低階行泊一體控制能力，可以采用雙TDA4VM或雙J3這類(lèi)中度算力芯片進(jìn)行搭載。而考慮到實(shí)現中央網(wǎng)關(guān)功能，則可以考慮利用常見(jiàn)的網(wǎng)關(guān)芯片DRA821等。同時(shí)為了從終端控制上增強其功能安全特性，也可以在執行對整車(chē)控制輸出端口，加入典型的高安全等級MCU芯片，如英飛凌的TC397或華為的麒麟系列。
高配版本的VDC需要考慮一部分功能為智駕功能預留。因此整車(chē)域控的設計過(guò)程將比傳統的簡(jiǎn)單ECU復雜許多。典型的硬件端口設計思路參照如下圖所示。
從配置整車(chē)智駕系統的角度出發(fā)，整車(chē)域控考慮了在一些關(guān)鍵設計環(huán)節上考慮對智駕域控做協(xié)同控制。一些主機廠(chǎng)的方案是將智駕系統的冗余控制放到整車(chē)域控端，比如設計將算力要求不高的單獨前視攝像頭接入整車(chē)域控VDC；同時(shí)也將只存在邏輯算力的毫米波雷達，超聲波雷達數據通過(guò)CANFD協(xié)議連接至整車(chē)域控端。這里主要可以起到兩方面的作用：
其一，是省功耗的運行低版本ADAS系統，比如在長(cháng)續航模式或跛行回家這類(lèi)整車(chē)運行狀態(tài)下，還可以基本保留一些智駕系統功能，比如可以部分承載保留行車(chē)安全輔助性功能AEB、FCTA/B、RCTA/B，泊車(chē)報警輔助功能。
其二，是當主智駕域控失效時(shí)，整車(chē)域控檢測到對應的失效狀態(tài)后接管控制車(chē)輛，啟動(dòng)整車(chē)域控的基礎視覺(jué)感知，并結合雷達數據進(jìn)行軌跡規劃和車(chē)輛控制，將車(chē)輛剎停至安全狀態(tài)。
2、硬件結構設計
對于整車(chē)域控板間設計來(lái)說(shuō)，考慮到其尺寸大小限制，同時(shí)可以考慮自身硬件級別的失效降級策略，可以將整車(chē)域控設計成雙層板模式（主板和副板）。兩層板間通過(guò)一定通信機制進(jìn)行板間通信，當其中一個(gè)板子失效或出現問(wèn)題時(shí)，可以啟動(dòng)另一塊板子進(jìn)行信息處理。 此外，對于硬件結構設計來(lái)說(shuō)，通常比較關(guān)注整個(gè)域控的散熱設計。業(yè)界對于整車(chē)域控的散熱來(lái)說(shuō)，通?？梢圆捎蔑L(fēng)冷對流散熱為主。通常，整車(chē)域控的雙層板子采用一定的隔熱設計，對于熱設計來(lái)說(shuō)也無(wú)需考慮其中一塊板子的發(fā)熱對另一塊板子的散熱影響。一般情況下，整車(chē)域控制器通常采用風(fēng)冷散熱。整個(gè)環(huán)境溫度和通風(fēng)程度對其會(huì )產(chǎn)生較大的影響。如下公式表示了芯片結溫的影響要素。
芯片結溫=環(huán)境溫度+熱阻*功耗
因此，整個(gè)散熱過(guò)程大部分受制于環(huán)境溫度影響，其中就需要充分考慮熱對流的影響。散熱設計基本原理：自然散熱以輻射為主、風(fēng)冷以對流為主。熱量傳遞主要是3種方式：傳導、對流、輻射。其中熱傳導主要是指分子之間的傳遞，主要是指盒子或模塊內部的熱擴散。主要涉及的傳輸鏈路為器件——>PCB——>外殼體。自然對流主要是指流體混合作用的熱傳遞，包含盒子或模塊與外部環(huán)境的熱傳遞。熱輻射主要是物體溫度產(chǎn)生的電磁波傳遞能量。涉及盒子或模塊與外部環(huán)境的熱傳遞。如上自然對流和熱輻射的傳輸鏈路都為外殼體——>環(huán)境。
如下圖表示了一種典型的新能源車(chē)的散熱設計流程圖。
對于整車(chē)域控制器而言，由于其承載的相關(guān)聯(lián)ECU終端是比較多的，就有可能造成計算過(guò)程中較大的熱能，在做硬件設計中，其熱設計過(guò)程將顯得尤為重要?？梢詫⒄?chē)域控制器布置在通風(fēng)且空氣對流較好的環(huán)境中，這里需要充分考慮其風(fēng)道設計出口是否存在熱風(fēng)回灌的現象。
舉個(gè)之前研發(fā)設計較為失敗的粒子說(shuō)明如何對散熱設計才能取得較好的散熱效果。
如下圖所示，當設計整車(chē)控制器的風(fēng)道朝向一邊，而安裝位置如果位于一個(gè)相對較為封閉的環(huán)境中，且出風(fēng)口一邊較為靠近密閉邊界，那么就很可能其由控制器輸出的熱風(fēng)被阻擋反彈回來(lái)。這樣反彈回來(lái)的熱空氣又將重新進(jìn)入入風(fēng)口處，這樣就不可能起到很好的散熱。
因此在散熱設計中需要從安裝位置（安裝位置不僅考慮通風(fēng)性，還需要考慮出風(fēng)口是否有足夠的風(fēng)道距離使其充分接觸更多的冷空氣來(lái)降溫）、風(fēng)道設計、控制器整體尺寸、功能降級（由系統工程師根據需要設定降級溫度閾值，當超過(guò)某個(gè)值時(shí)降級全功能為部分功能。比如按照環(huán)境最高使用溫度為85°，那么超過(guò)80°時(shí)，就將控制功能降級為僅存儲功能）等方面進(jìn)行全方位考慮。若溫度規格降低，則整機尺寸可進(jìn)一步降低（按照玻爾茲曼定律進(jìn)行計算）。軟件方面也可以增加動(dòng)態(tài)溫度-功耗控制措施。
當然最重要還是在選定布置位置時(shí)候選擇最合適的布置位置，考慮痛風(fēng)性、密閉溫度限值等因素。當然也有部分有條件的情況下也可以考慮采用水冷措施，當然設計復雜度和成本也是較高。
3、硬件通信設計
VDC作為一種典型的中央網(wǎng)關(guān)，既要能支持CAN通信路由，也要能支持以太網(wǎng)通信路由。一般情況下，CAN通信由于其穩定性、安全性及成熟性。通常用來(lái)作為整車(chē)控制的信號協(xié)議類(lèi)型，而Ethernet則是更多的承載智能終端數據通信，比如云端通信、智能駕駛數據顯示等。
設計整車(chē)域控制器需要支持多路以太通信，從考慮縮小域控板子尺寸的角度出發(fā)考慮，通常將幾種不同的芯片布置于不同的板層。本設計的過(guò)程考慮行泊車(chē)低階控制過(guò)程中，兩大重點(diǎn)發(fā)熱芯片可能產(chǎn)生較大的發(fā)熱量，因此，分別將兩個(gè)MPU放在主板和副板上。此外，MCU放在主板上。主板和副板通過(guò)以太網(wǎng)Ethernet Switch連接至外部以太網(wǎng)通信端，整個(gè)Ethernet Switch的控制和配置由MCU完成。以太網(wǎng)Switch可以直接連出多路1000BASE-T1以及100BASE-TX接口。同時(shí)Switch還通過(guò)SGMII口和外擴PHY相連，可以引出多路1000BASE-T1口。對于實(shí)際通信連接過(guò)程中可以充分考慮通過(guò)多合一連接器進(jìn)行信息合并，同時(shí)設計過(guò)程中充分考慮欠壓監測、過(guò)溫檢測以及SQI的讀取能力。
設計VDC時(shí)還需要使用關(guān)聯(lián)ECU通信所需的N路CAN通信且兼容CAN-FD，CAN-FD接口電路采用標準CAN接口電路，支持ESD防護和終端匹配，每路CAN通信需要對應的終端匹配電阻，并預留一定大小的共模電感，選擇性的根據EMC實(shí)測結果進(jìn)行貼片。最重要的是支持任意幀CAN喚醒功能。
當然，對于一個(gè)標準的中央網(wǎng)關(guān)來(lái)說(shuō)，還需要支持一定數量的LIN通信，并支持LIN喚醒，通信速率為1~20Kbps。默認為MASTER模式，通過(guò)電阻與二極管上拉配置，也可以根據具體需求配置成從模式，接口設計需要設計成ESD防護電路。
02 整車(chē)域控軟件框架及部署介紹
整車(chē)域控的軟件部署主要分為幾個(gè)方面車(chē)控相關(guān)SWC、網(wǎng)關(guān)相關(guān)SWC、智駕系統SWC。其部署原則為對實(shí)時(shí)性要求較高功能部署在實(shí)時(shí)核，運算需求較高放在運算核，對功能安全要求較高的功能部署在鎖步核。
以如上圖中的整車(chē)域控架構為例。MCU部署動(dòng)力控制、底盤(pán)控制、通訊管理、本地診斷、電性能以及設備抽象等軟件模塊。對應的算力主要是CPU邏輯算力，一般滿(mǎn)足10K DMIPS即可。同時(shí)MCU需要承擔整個(gè)VDC網(wǎng)絡(luò )喚醒、診斷功能、電源管理相關(guān)功能。
1、網(wǎng)絡(luò )管理功能
作為整車(chē)控制的終極大boss，VDC需要承擔整個(gè)網(wǎng)絡(luò )管理功能，其中網(wǎng)絡(luò )管理涉及網(wǎng)絡(luò )管理狀態(tài)機設計，網(wǎng)絡(luò )喚醒設計。
網(wǎng)絡(luò )管理狀態(tài)機中包含為整車(chē)域控設計各種工作模式。比如休眠（僅支持休眠喚醒狀態(tài)）、待機（極低功耗）、準備（輕睡眠）、正常功耗（全功耗）、異常狀態(tài)（故障檢測）下的功耗等。各類(lèi)不同的工作狀態(tài)需要通過(guò)設置不同的跳轉條件進(jìn)行切換。
而對于網(wǎng)絡(luò )管理中重要的喚醒功能而言，其需要支持不同的喚醒源，主要需要包含CAN、LIN、硬線(xiàn)、以太網(wǎng)。結合上面的附圖說(shuō)明喚醒過(guò)程。首先，四種喚醒源需要首先將SBC（一種包含電源、通信、監控診斷、安全監控等特性以及GPIO的獨立芯片）喚醒，隨即便可立即喚醒MCU。當MCU被喚醒后，可以對以太網(wǎng)Switch進(jìn)行初始化配置確保以太網(wǎng)可以進(jìn)行有效通信，這類(lèi)初始化過(guò)程主要包括寄存器使能、收發(fā)路徑綁定等。隨后，MCU可以通過(guò)控制其他MPU的芯片供電來(lái)控制其余MPU的喚醒。
2、網(wǎng)絡(luò )診斷功能
整個(gè)VDC域控的診斷過(guò)程包含遠程診斷、近端診斷和OTA診斷。這三類(lèi)診斷模型在構建診斷通道時(shí)，需要首先將VDC接入到車(chē)端網(wǎng)絡(luò )中，實(shí)現兩種診斷模式DoIP和DoCAN。通常，DoIP部署在MPU上，DoCAN部署在MCU上。通過(guò)VDC協(xié)議棧部署DoIP網(wǎng)關(guān)建立鏈路（包含支持DoIP-DoIP，DoIP-DoCAN雙向診斷路由），部署DHCP客戶(hù)端。
對于診斷來(lái)說(shuō)一般需要根據如下不同的診斷接入場(chǎng)景設置相應的接入仲裁管理機制。這些診斷場(chǎng)景包括針對本地診斷、遠程診斷、產(chǎn)線(xiàn)EOL下的OBD接入，針對OTA場(chǎng)景下的車(chē)內虛擬上位機接入。這三類(lèi)OBD接入子場(chǎng)景通常情況下是不做具體區分的，而僅僅通過(guò)優(yōu)先級判斷可以在某一個(gè)固定的時(shí)刻激活其中一條鏈路。
對于OBD接入，優(yōu)先級最高；車(chē)內上位機接入，優(yōu)先級中；車(chē)云接入，優(yōu)先級最低。當然，如果有兩類(lèi)接入診斷源輸入時(shí)，通常需要由VDC進(jìn)行有效的仲裁才能確保其功能多的正常響應。仲裁原則為：兩個(gè)診斷業(yè)務(wù)優(yōu)先級相同時(shí)，遵循先到先得、平等互斥的原則，當高優(yōu)先級診斷接入低優(yōu)先級診斷業(yè)務(wù)時(shí)，需要緩慢退出低優(yōu)先級診斷，相應的高優(yōu)先級診斷接入。當低優(yōu)先級診斷接入高優(yōu)先級診斷時(shí)，需要否定響應該低優(yōu)先級診斷業(yè)務(wù)，并原路返回路由。
3、網(wǎng)關(guān)路由功能
針對VDC控制器在中央網(wǎng)關(guān)這一方面的作用而言，需要充分考慮其信號路由和協(xié)議轉換方面的要求。其中，協(xié)議轉換包括ETH數據轉換成LIN/CAN數據、CAN報文間互轉、ETH報文互轉、CAN診斷報文轉換成LIN/ETH診斷報文、ETH診斷報文轉換成 LIN/ETH診斷報文。
VDC的網(wǎng)關(guān)路由功能模塊通常是在一個(gè)專(zhuān)有的網(wǎng)關(guān)芯片（如前所述DRA821）上進(jìn)行的，整個(gè)通信路由架構參照如下圖所示。
整個(gè)VDC的PDUR Router模塊功能包含單播、多播、網(wǎng)關(guān)1對多、多對一、多對多等多種方式的路由模塊功能。期間，PDUR Router 需要執行PDU接收到本地模塊（I-PDU從下接收發(fā)送至上層）、PDU從本地模塊傳輸（I-PDU從上接收發(fā)送至下層）、PDU網(wǎng)關(guān)（從接口模塊和傳輸協(xié)議模塊接收I-PDU并傳輸至其他通信接口模塊）這三種功能。從而確保路由功能的有效性。
4、低階智駕功能
對于整車(chē)域控來(lái)講，在設計過(guò)程中通常會(huì )連帶作為智駕域控的低階版本，或者也有部分車(chē)型在做配置分析時(shí)，直接將低配或次低配的智駕功能移植到整車(chē)域控中進(jìn)行。這時(shí)整車(chē)域控就相當于一個(gè)base版本的行泊一體控制器，需要承擔部分低階行泊車(chē)控制功能。因此，對于在VDC中植入不同處理能力的芯片單元時(shí)，盡量選擇具備集成式運算能力的超異構芯片。既能滿(mǎn)足對行車(chē)功能的感知需求，也能滿(mǎn)足對泊車(chē)感知能力需求。這里推薦的中等算力的集成式超異構芯片?？梢圆捎媚壳皣鴥日鸬腏3/J5，也可以考慮TI系列芯片TDA4VM即可。
同時(shí)，在對傳感器的接入上需要充分考慮其所連接的智駕傳感器單元。當然，由于VDC的算力不算多，因此，可能不能接入過(guò)多超算力的傳感器（比如多組高分辨率攝像頭、原始點(diǎn)云的毫米波雷達和激光雷達）。
從保證基礎L2級及以下功能的角度上講，需要接入包含前視攝像頭（注意這里主要是前寬視攝像頭），1個(gè)毫米波雷達以確保能夠實(shí)現1R1V的基礎L2傳感器配置。此外，考慮泊車(chē)輔助系統控制，整個(gè)VDC也需要將泊車(chē)相關(guān)的傳感器，環(huán)視+超聲波接入。當然，考慮到如果只是實(shí)現低階泊車(chē)輔助功能，其環(huán)視攝像頭的分辨率可以不必向高階全自動(dòng)駕駛功能對齊，采用稍低分辨率也可。
轉自汽車(chē)電子與軟件
