摘要：隨著(zhù)汽車(chē)各項功能和性能要求的提升，汽車(chē)分布式電氣架構已不能適應市場(chǎng)需求，汽車(chē)正在從電子控制單元（ECU）分布式電氣架構向域集中式電氣架構轉變。文章對當前的車(chē)身域控制器設計方案進(jìn)行研究總結，結合當前的市場(chǎng)需求，分析采用域控制器方案的諸多優(yōu)點(diǎn)。并設計了一種車(chē)身域控制器，基于實(shí)車(chē)功能需求進(jìn)行了車(chē)身域控制器的方案設計，通過(guò)臺架以及搭載實(shí)車(chē)進(jìn)行功能測試，驗證了方案的可行性，為該方案的量產(chǎn)奠定基礎。
在汽車(chē)智能化、網(wǎng)聯(lián)化、軟件定義汽車(chē)的發(fā)展趨勢下，分布式電氣架構日益暴露諸多問(wèn)題。目前車(chē)上載有大量以線(xiàn)束連接的電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU），不同功能分布在不同ECU中，而汽車(chē)電子軟件爆炸式增長(cháng)，大量新功能要求多ECU協(xié)同實(shí)現，ECU之間進(jìn)行通信的線(xiàn)束復雜度、通信負荷、維修難度都在成倍增長(cháng)。在此背景下，如何保證功能正常實(shí)現、數據及時(shí)響應以及網(wǎng)絡(luò )安全成為焦點(diǎn)[1]。
為解決分布式電氣架構的問(wèn)題，人們開(kāi)始逐漸把很多功能相近或關(guān)聯(lián)程度較高的上下游ECU集成整合到高算力的多核中央計算平臺中，即汽車(chē)域控制器。域控制器的出現標志著(zhù)汽車(chē)電氣架構從分布式到域集中式轉變。人們一般將域控制器分為五域：座艙域、動(dòng)力域、車(chē)身域、底盤(pán)域和自動(dòng)駕駛域。
域控制器主要由處理器、操作系統和應用軟件三部分組成，集成分布式電氣架構的ECU核心功能，處理域內部的功能邏輯和信號路由，并提供標準化接口用于數據交互。一方面提高系統功能集成度；另一方面降低了車(chē)載控制器的開(kāi)發(fā)和制造成本[2]。
1 域控制器集成化架構的優(yōu)點(diǎn)
采用域控制器，具有很多優(yōu)點(diǎn)，本文針對汽車(chē)域控制器的優(yōu)勢展開(kāi)論述。
1.1 輕量化
對于分布式電氣架構，各ECU集成一個(gè)或多個(gè)功能，各ECU相互獨立，并通過(guò)線(xiàn)束連接。當汽車(chē)有新增新功能需求時(shí)，有時(shí)需增加新ECU和對應線(xiàn)束，如此往復，汽車(chē)的ECU數量急速增加，通過(guò)不斷增加ECU數量為汽車(chē)增加新功能的方法已經(jīng)達到了極限。復雜的ECU帶來(lái)不只是是龐雜的邏輯控制，還帶來(lái)錯綜交互的線(xiàn)束設計和控制器設計，現代汽車(chē)的線(xiàn)束和控制器已成為汽車(chē)中僅次于發(fā)動(dòng)機的第二重的部件，對于汽車(chē)的輕量化要求非常不利。而域控制器的出現，則滿(mǎn)足了汽車(chē)集成化的發(fā)展需要，大大簡(jiǎn)化了汽車(chē)電子結構，優(yōu)化整車(chē)電子電器線(xiàn)路設計，降低了汽車(chē)電子部件和線(xiàn)束重量，有利于汽車(chē)的輕量化設計，提高汽車(chē)行駛效率[3]。
1.2 高速數據處理
現代汽車(chē)具備環(huán)境感知能力，為此需接受和及時(shí)處理來(lái)自各傳感器、外界其他車(chē)輛或基礎設施的大量數據，且為保證行車(chē)安全，車(chē)載控制器必須能夠以實(shí)時(shí)或非常接近實(shí)時(shí)的速度進(jìn)行處理這類(lèi)數據。而分布式架構中，數據需要在不同ECU間進(jìn)行反復通信和運算，數據延遲性高，運算效率低，無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)輛行駛過(guò)程中的安全性要求。而域控制器具備高性能的計算能力和高帶寬的網(wǎng)絡(luò )通信，可以對大量數據實(shí)時(shí)處理并及時(shí)傳遞處理結果。
1.3 復雜軟件算法集成化
隨著(zhù)汽車(chē)對娛樂(lè )、網(wǎng)聯(lián)、安全等復雜功能需求的快速增加，軟件水平愈發(fā)成為智能汽車(chē)的核心競爭力，在未來(lái)，智能汽車(chē)的軟件代碼量將達到3億至5億行。汽車(chē)軟件的代碼量正在成指數級別的增加，由于軟件算法不斷累加，未來(lái)汽車(chē)必須擁有更高的運算與邏輯處理能力，為了實(shí)現這些目標，需要更高的計算能力、嵌入式內存容量和連接帶寬，而只有使用域控制器才能滿(mǎn)足所需的硬件要求[4]。
1.4 迭代化
空中下載技術(shù)（Over The Air Technology, OTA）是對汽車(chē)軟硬件功能的一種遠程升級技術(shù)，隨著(zhù)汽車(chē)的智能化發(fā)展，用戶(hù)希望汽車(chē)能夠擁有像智能手機、平板一樣具備升級能力，而非整個(gè)使用周期中功能和特性基本保持不變。對于分布式架構設計的傳統汽車(chē)，其所有功能都必須在車(chē)輛量產(chǎn)前設計和實(shí)現，無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)對汽車(chē)功能快速更新的需求。而域控制器算力可進(jìn)行擴展，軟硬件分離使得汽車(chē)的軟件功能獨立于硬件，在不增加額外ECU的前提下，僅通過(guò)OTA對軟件算法更新即可實(shí)現汽車(chē)功能發(fā)展升級，大大提高了系統功能的可擴展性和更新的便捷性，使得用戶(hù)體驗不斷迭代升級的功能。
1.5 生產(chǎn)成本
對于分布式架構的傳統汽車(chē)，一旦涉及新功能的增加，所增加的專(zhuān)用微控制單元（Micro Controller Unit, MCU）、存儲器、電源、印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）和其他電子元件將大大增加生產(chǎn)制造的成本。而對于集成化的域控制器，進(jìn)行功能迭代的成本會(huì )小得多，且隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步和域控制器的大規模量產(chǎn)，車(chē)載系統級芯片（System On Chip, SOC）的價(jià)格持續下降，越來(lái)越接近傳統MCU的價(jià)格，汽車(chē)的生產(chǎn)成本將會(huì )進(jìn)一步降低。
2 車(chē)身域控制器的設計
2.1 方案需求分析
車(chē)身控制系統包括車(chē)身域控制器、智能鑰匙、射頻接收器、胎壓傳感器、天線(xiàn)等部件。
天線(xiàn)由車(chē)身域控制器進(jìn)行驅動(dòng)，發(fā)送低頻信號給鑰匙，鑰匙發(fā)送高頻信號給射頻接收器。
射頻接收器主要接收鑰匙或胎壓傳感器高頻信號，和車(chē)身域控制器之間通過(guò)控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network, CAN）進(jìn)行通信。
車(chē)身域控制器作為車(chē)身控制系統的中心模塊，主要負責智能進(jìn)入、智能啟動(dòng)、門(mén)鎖控制、胎壓監測、內部燈光、外部燈光、電源管理、雨刮噴水、后風(fēng)窗加熱、加油/充電口蓋、遠程控制等功能，具體系統框圖如圖1所示。
圖1 系統框圖
本文根據以上功能實(shí)現作為方案需求，編制車(chē)身域控制器設計任務(wù)書(shū)，并輸出功能設計文檔，基于任務(wù)書(shū)、功能設計文檔等進(jìn)行車(chē)身域控制器的硬件和軟件設計。
2.2 硬件選型與設計
2.2.1硬件選型
首先進(jìn)行硬件選型，根據輸入/輸出（I/O）資源需求、軟件內存需求、外設資源需求選用恩智浦的S32K芯片作為主芯片。綜合考慮功能需求、性能要求、開(kāi)關(guān)采集、驅動(dòng)、芯片手冊、尺寸、成本、電性能、電磁兼容（Electro Magnetic Compa- tibility, EMC）要求等，依次選取電源芯片、開(kāi)關(guān)采集芯片、橋驅芯片、高低驅芯片、射頻驅動(dòng)芯片等硬件資源
2.2.2硬件設計
基于硬件選型進(jìn)行硬件方案設計，根據功能設計各引腳電路，某電源采集電路的硬件原理如圖2所示。
圖2 電源采集電路
結合各模塊的硬件原理圖進(jìn)行PCB板設計，最終輸出的車(chē)身域控制器系統電氣原理如圖3所示（部分）。
圖3 車(chē)身域控制器系統原理圖（部分）
2.3 軟件設計
根據功能需求、硬件方案、通信規范與矩陣、診斷規范等輸入文件進(jìn)行軟件設計。首先進(jìn)行軟件架構設計，軟件架構采用汽車(chē)開(kāi)放系統架構（Automotive Open System Architecture, AUTO- SAR），包括引導加載程序（Bootloader）、應用層軟件（App）、實(shí)時(shí)環(huán)境（Run Time Environment, RTE）、底層驅動(dòng)抽象（ECU abstraction）、服務(wù)層（Service）和微控制器抽象層（Micro Controller Abstraction Layer, MCAL）模塊，軟件總體架構如圖4所示。
圖4 軟件總體架構
應用軟件采用AUTOSAR架構，架構設計使用EAS工具。軟件架構如圖5所示。
圖5 應用軟件架構
基礎軟件層（Basic Soft Ware, BSW）采用AUTOSAR架構，配置工具使用EAS。軟件架構如圖6所示。
圖6 BSW軟件架構
對應模塊完成后，進(jìn)行底層軟件配置，確定軟件接口、參數，建立各功能模塊的App應用模型，部分模型如圖7所示。
圖7 應用層功能模塊
最后，對軟件進(jìn)行系統集成、刷寫(xiě)，并開(kāi)展測試工作。
3 車(chē)身域控制器的測試驗證
3.1 臺架驗證
按照臺架測試用例，進(jìn)行臺架功能、網(wǎng)絡(luò )、診斷、刷寫(xiě)測試，最終通過(guò)測試并出具測試報告，部分測試報告內容如圖8所示。
3.2 實(shí)車(chē)驗證
按照測試用例，進(jìn)行實(shí)車(chē)功能測試。將設計的車(chē)身域控制器搭載到某量產(chǎn)車(chē)型上（圖8），基于原車(chē)環(huán)境進(jìn)行實(shí)車(chē)功能驗證，共測試用例820條，最終通過(guò)820條，設計功能全部實(shí)現。
圖8 實(shí)車(chē)測試
表1 系統測試報告
4 結論
本文對目前流行的車(chē)身域控制器設計方案進(jìn)行總結歸納，分析了相對于分布式架構，采用域控方案帶來(lái)的諸多優(yōu)點(diǎn)，并基于新架構設計了一種車(chē)身域控制器方案，基于某量產(chǎn)車(chē)實(shí)車(chē)需求，按照項目實(shí)際開(kāi)發(fā)流程，經(jīng)過(guò)硬件設計、軟件設計，生產(chǎn)出滿(mǎn)足需求的車(chē)身域控制器樣件，并經(jīng)過(guò)臺架和實(shí)車(chē)測試，驗證了方案可行性，為方案的最終量產(chǎn)奠定基礎。
轉自智能汽車(chē)設計
