摘要：隨著汽車各項(xiàng)功能和性能要求的提升，汽車分布式電氣架構(gòu)已不能適應(yīng)市場(chǎng)需求，汽車正在從電子控制單元（ECU）分布式電氣架構(gòu)向域集中式電氣架構(gòu)轉(zhuǎn)變。文章對(duì)當(dāng)前的車身域控制器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究總結(jié)，結(jié)合當(dāng)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(shè)計(jì)了一種車身域控制器，基于實(shí)車功能需求進(jìn)行了車身域控制器的方案設(shè)計(jì)，通過(guò)臺(tái)架以及搭載實(shí)車進(jìn)行功能測(cè)試，驗(yàn)證了方案的可行性，為該方案的量產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。
在汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化、軟件定義汽車的發(fā)展趨勢(shì)下，分布式電氣架構(gòu)日益暴露諸多問(wèn)題。目前車上載有大量以線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，而汽車電子軟件爆炸式增長(zhǎng)，大量新功能要求多ECU協(xié)同實(shí)現(xiàn)，ECU之間進(jìn)行通信的線束復(fù)雜度、通信負(fù)荷、維修難度都在成倍增長(zhǎng)。在此背景下，如何保證功能正常實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)及時(shí)響應(yīng)以及網(wǎng)絡(luò)安全成為焦點(diǎn)[1]。
為解決分布式電氣架構(gòu)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(jì)算平臺(tái)中，即汽車域控制器。域控制器的出現(xiàn)標(biāo)志著汽車電氣架構(gòu)從分布式到域集中式轉(zhuǎn)變。人們一般將域控制器分為五域：座艙域、動(dòng)力域、車身域、底盤域和自動(dòng)駕駛域。
域控制器主要由處理器、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件三部分組成，集成分布式電氣架構(gòu)的ECU核心功能，處理域內(nèi)部的功能邏輯和信號(hào)路由，并提供標(biāo)準(zhǔn)化接口用于數(shù)據(jù)交互。一方面提高系統(tǒng)功能集成度；另一方面降低了車載控制器的開(kāi)發(fā)和制造成本[2]。
1 域控制器集成化架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)
采用域控制器，具有很多優(yōu)點(diǎn)，本文針對(duì)汽車域控制器的優(yōu)勢(shì)展開(kāi)論述。
1.1 輕量化
對(duì)于分布式電氣架構(gòu)，各ECU集成一個(gè)或多個(gè)功能，各ECU相互獨(dú)立，并通過(guò)線束連接。當(dāng)汽車有新增新功能需求時(shí)，有時(shí)需增加新ECU和對(duì)應(yīng)線束，如此往復(fù)，汽車的ECU數(shù)量急速增加，通過(guò)不斷增加ECU數(shù)量為汽車增加新功能的方法已經(jīng)達(dá)到了極限。復(fù)雜的ECU帶來(lái)不只是是龐雜的邏輯控制，還帶來(lái)錯(cuò)綜交互的線束設(shè)計(jì)和控制器設(shè)計(jì)，現(xiàn)代汽車的線束和控制器已成為汽車中僅次于發(fā)動(dòng)機(jī)的第二重的部件，對(duì)于汽車的輕量化要求非常不利。而域控制器的出現(xiàn)，則滿足了汽車集成化的發(fā)展需要，大大簡(jiǎn)化了汽車電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化整車電子電器線路設(shè)計(jì)，降低了汽車電子部件和線束重量，有利于汽車的輕量化設(shè)計(jì)，提高汽車行駛效率[3]。
1.2 高速數(shù)據(jù)處理
現(xiàn)代汽車具備環(huán)境感知能力，為此需接受和及時(shí)處理來(lái)自各傳感器、外界其他車輛或基礎(chǔ)設(shè)施的大量數(shù)據(jù)，且為保證行車安全，車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)行處理這類數(shù)據(jù)。而分布式架構(gòu)中，數(shù)據(jù)需要在不同ECU間進(jìn)行反復(fù)通信和運(yùn)算，數(shù)據(jù)延遲性高，運(yùn)算效率低，無(wú)法滿足車輛行駛過(guò)程中的安全性要求。而域控制器具備高性能的計(jì)算能力和高帶寬的網(wǎng)絡(luò)通信，可以對(duì)大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理并及時(shí)傳遞處理結(jié)果。
1.3 復(fù)雜軟件算法集成化
隨著汽車對(duì)娛樂(lè)、網(wǎng)聯(lián)、安全等復(fù)雜功能需求的快速增加，軟件水平愈發(fā)成為智能汽車的核心競(jìng)爭(zhēng)力，在未來(lái)，智能汽車的軟件代碼量將達(dá)到3億至5億行。汽車軟件的代碼量正在成指數(shù)級(jí)別的增加，由于軟件算法不斷累加，未來(lái)汽車必須擁有更高的運(yùn)算與邏輯處理能力，為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要更高的計(jì)算能力、嵌入式內(nèi)存容量和連接帶寬，而只有使用域控制器才能滿足所需的硬件要求[4]。
1.4 迭代化
空中下載技術(shù)（Over The Air Technology, OTA）是對(duì)汽車軟硬件功能的一種遠(yuǎn)程升級(jí)技術(shù)，隨著汽車的智能化發(fā)展，用戶希望汽車能夠擁有像智能手機(jī)、平板一樣具備升級(jí)能力，而非整個(gè)使用周期中功能和特性基本保持不變。對(duì)于分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)汽車，其所有功能都必須在車輛量產(chǎn)前設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，無(wú)法滿足用戶對(duì)汽車功能快速更新的需求。而域控制器算力可進(jìn)行擴(kuò)展，軟硬件分離使得汽車的軟件功能獨(dú)立于硬件，在不增加額外ECU的前提下，僅通過(guò)OTA對(duì)軟件算法更新即可實(shí)現(xiàn)汽車功能發(fā)展升級(jí)，大大提高了系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性和更新的便捷性，使得用戶體驗(yàn)不斷迭代升級(jí)的功能。
1.5 生產(chǎn)成本
對(duì)于分布式架構(gòu)的傳統(tǒng)汽車，一旦涉及新功能的增加，所增加的專用微控制單元（Micro Controller Unit, MCU）、存儲(chǔ)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(duì)于集成化的域控制器，進(jìn)行功能迭代的成本會(huì)小得多，且隨著技術(shù)進(jìn)步和域控制器的大規(guī)模量產(chǎn)，車載系統(tǒng)級(jí)芯片（System On Chip, SOC）的價(jià)格持續(xù)下降，越來(lái)越接近傳統(tǒng)MCU的價(jià)格，汽車的生產(chǎn)成本將會(huì)進(jìn)一步降低。
2 車身域控制器的設(shè)計(jì)
2.1 方案需求分析
車身控制系統(tǒng)包括車身域控制器、智能鑰匙、射頻接收器、胎壓傳感器、天線等部件。
天線由車身域控制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，發(fā)送低頻信號(hào)給鑰匙，鑰匙發(fā)送高頻信號(hào)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(hào)，和車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。
車身域控制器作為車身控制系統(tǒng)的中心模塊，主要負(fù)責(zé)智能進(jìn)入、智能啟動(dòng)、門鎖控制、胎壓監(jiān)測(cè)、內(nèi)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(yuǎn)程控制等功能，具體系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
本文根據(jù)以上功能實(shí)現(xiàn)作為方案需求，編制車身域控制器設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，并輸出功能設(shè)計(jì)文檔，基于任務(wù)書(shū)、功能設(shè)計(jì)文檔等進(jìn)行車身域控制器的硬件和軟件設(shè)計(jì)。
2.2 硬件選型與設(shè)計(jì)
2.2.1硬件選型
首先進(jìn)行硬件選型，根據(jù)輸入/輸出（I/O）資源需求、軟件內(nèi)存需求、外設(shè)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(qū)動(dòng)、芯片手冊(cè)、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(qū)芯片、高低驅(qū)芯片、射頻驅(qū)動(dòng)芯片等硬件資源。
2.2.2硬件設(shè)計(jì)
基于硬件選型進(jìn)行硬件方案設(shè)計(jì)，根據(jù)功能設(shè)計(jì)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(jié)合各模塊的硬件原理圖進(jìn)行PCB板設(shè)計(jì)，最終輸出的車身域控制器系統(tǒng)電氣原理如圖3所示（部分）。
圖3 車身域控制器系統(tǒng)原理圖（部分）
2.3 軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)功能需求、硬件方案、通信規(guī)范與矩陣、診斷規(guī)范等輸入文件進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，軟件架構(gòu)采用汽車開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)（Automotive Open System Architecture, AUTO- SAR），包括引導(dǎo)加載程序（Bootloader）、應(yīng)用層軟件（App）、實(shí)時(shí)環(huán)境（Run Time Environment, RTE）、底層驅(qū)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(gòu)如圖4所示。
圖4 軟件總體架構(gòu)
應(yīng)用軟件采用AUTOSAR架構(gòu)，架構(gòu)設(shè)計(jì)使用EAS工具。軟件架構(gòu)如圖5所示。
圖5 應(yīng)用軟件架構(gòu)
基礎(chǔ)軟件層（Basic Soft Ware, BSW）采用AUTOSAR架構(gòu)，配置工具使用EAS。軟件架構(gòu)如圖6所示。
圖6 BSW軟件架構(gòu)
對(duì)應(yīng)模塊完成后，進(jìn)行底層軟件配置，確定軟件接口、參數(shù)，建立各功能模塊的App應(yīng)用模型，部分模型如圖7所示。
圖7 應(yīng)用層功能模塊
最后，對(duì)軟件進(jìn)行系統(tǒng)集成、刷寫，并開(kāi)展測(cè)試工作。
3 車身域控制器的測(cè)試驗(yàn)證
3.1 臺(tái)架驗(yàn)證
按照臺(tái)架測(cè)試用例，進(jìn)行臺(tái)架功能、網(wǎng)絡(luò)、診斷、刷寫測(cè)試，最終通過(guò)測(cè)試并出具測(cè)試報(bào)告，部分測(cè)試報(bào)告內(nèi)容如圖8所示。
3.2 實(shí)車驗(yàn)證
按照測(cè)試用例，進(jìn)行實(shí)車功能測(cè)試。將設(shè)計(jì)的車身域控制器搭載到某量產(chǎn)車型上（圖8），基于原車環(huán)境進(jìn)行實(shí)車功能驗(yàn)證，共測(cè)試用例820條，最終通過(guò)820條，設(shè)計(jì)功能全部實(shí)現(xiàn)。
圖8 實(shí)車測(cè)試
表1 系統(tǒng)測(cè)試報(bào)告
4 結(jié)論
本文對(duì)目前流行的車身域控制器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行總結(jié)歸納，分析了相對(duì)于分布式架構(gòu)，采用域控方案帶來(lái)的諸多優(yōu)點(diǎn)，并基于新架構(gòu)設(shè)計(jì)了一種車身域控制器方案，基于某量產(chǎn)車實(shí)車需求，按照項(xiàng)目實(shí)際開(kāi)發(fā)流程，經(jīng)過(guò)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，生產(chǎn)出滿足需求的車身域控制器樣件，并經(jīng)過(guò)臺(tái)架和實(shí)車測(cè)試，驗(yàn)證了方案可行性，為方案的最終量產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。
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轉(zhuǎn)自智能汽車設(shè)計(jì)
