任田園，李林男，張肖棟

基于新架構(gòu)的車(chē)身域控制器方案研究與設(shè)計(jì)

任田園，李林男，張肖棟

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開(kāi)發(fā)院，吉林 長(zhǎng)春 130011）

隨著汽車(chē)各項(xiàng)功能和性能要求的提升，汽車(chē)分布式電氣架構(gòu)已不能適應(yīng)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(gòu)向域集中式電氣架構(gòu)轉(zhuǎn)變。文章對(duì)當(dāng)前的車(chē)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(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(shè)計(jì)，通過(guò)臺(tái)架以及搭載實(shí)車(chē)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)。

分布式；集中式；電氣架構(gòu)；車(chē)身域控制器

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(shì)下，分布式電氣架構(gòu)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(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(xiàn)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(chē)域控制器。域控制器的出現(xiàn)標(biāo)志著汽車(chē)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(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(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(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(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(chē)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(xiàn)束連接。當(dāng)汽車(chē)有新增新功能需求時(shí)，有時(shí)需增加新ECU和對(duì)應(yīng)線(xiàn)束，如此往復(fù)，汽車(chē)的ECU數(shù)量急速增加，通過(guò)不斷增加ECU數(shù)量為汽車(chē)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(xiàn)束設(shè)計(jì)和控制器設(shè)計(jì)，現(xiàn)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(jī)的第二重的部件，對(duì)于汽車(chē)的輕量化要求非常不利。而域控制器的出現(xiàn)，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(jié)構(gòu)，優(yōu)化整車(chē)電子電器線(xiàn)路設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)，提高汽車(chē)行駛效率[3]。

1.2 高速數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)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(chǔ)設(shè)施的大量數(shù)據(jù)，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(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(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(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(chē)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(chē)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，在未來(lái)，智能汽車(chē)的軟件代碼量將達(dá)到3億至5億行。汽車(chē)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(chē)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(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(duì)汽車(chē)軟硬件功能的一種遠(yuǎn)程升級(jí)技術(shù)，隨著汽車(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(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(chē)，其所有功能都必須在車(chē)輛量產(chǎn)前設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(hù)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(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(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(chē)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(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(shè)計(jì)

2.1 方案需求分析

車(chē)身控制系統(tǒng)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(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(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(tǒng)的中心模塊，主要負(fù)責(zé)智能進(jìn)入、智能啟動(dòng)、門(mén)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(chē)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(chē)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(chē)身域控制器系統(tǒng)電氣原理如圖3所示（部分）。

圖3 車(chē)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(chē)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。

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(xiě)，并開(kāi)展測(cè)試工作。

3 車(chē)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(xiě)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(chē)驗(yàn)證

按照測(cè)試用例，進(jìn)行實(shí)車(chē)功能測(cè)試。將設(shè)計(jì)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(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(chē)測(cè)試

表1 系統(tǒng)測(cè)試報(bào)告

測(cè)試項(xiàng)測(cè)試結(jié)果備注 鑰匙預(yù)認(rèn)證功能 1點(diǎn)火OFF且智能鑰匙在車(chē)內(nèi)，踩下制動(dòng)踏板然后釋放，智能鑰匙預(yù)認(rèn)證通過(guò)，且30 s后預(yù)認(rèn)證結(jié)果被清除PASS 2點(diǎn)火OFF且智能鑰匙在車(chē)內(nèi)，踩下制動(dòng)踏板未釋放，智能鑰匙預(yù)認(rèn)證通過(guò)，且30 s后預(yù)認(rèn)證一次PASS 鑰匙認(rèn)證功能 3點(diǎn)火OFF且智能鑰匙在車(chē)內(nèi)，短按一次啟動(dòng)按鍵，智能鑰匙認(rèn)證通過(guò)PASS 4點(diǎn)火OFF且智能鑰匙在車(chē)內(nèi)，滿(mǎn)足啟車(chē)條件，短按一次啟動(dòng)按鍵進(jìn)行啟車(chē)，智能鑰匙認(rèn)證通過(guò)PASS 鑰匙重認(rèn)證功能 5點(diǎn)火OFF且車(chē)輛靜止，智能鑰匙在車(chē)內(nèi)，打開(kāi)司機(jī)門(mén)，智能鑰匙重認(rèn)證通過(guò)PASS 6點(diǎn)火OFF且車(chē)輛靜止，智能鑰匙在車(chē)內(nèi)，關(guān)閉司機(jī)門(mén)，智能鑰匙重認(rèn)證通過(guò)PASS

4 結(jié)論

本文對(duì)目前流行的車(chē)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(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(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(mǎn)足需求的車(chē)身域控制器樣件，并經(jīng)過(guò)臺(tái)架和實(shí)車(chē)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)。

[1] 劉佳熙,丁鋒.面向未來(lái)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)的域控制器平臺(tái)[J].中國(guó)集成電路,2019,28(9):82-87.

[2] 黎偉,俞曉勇,匡小軍.淺析汽車(chē)電子架構(gòu)發(fā)展與典型域控制器[J].時(shí)代汽車(chē),2021(16):163-164.

[3] 衛(wèi)強(qiáng),黃貫軍,呂自國(guó),等.域控制器發(fā)展對(duì)線(xiàn)束設(shè)計(jì)的影響[J].汽車(chē)電器,2022(8):49-50.

[4] 賈文偉,徐匡一.基于S32G芯片的域控制器生產(chǎn)相關(guān)方案設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)科技,2022(4):8-16.

Research and Design of Vehicle Body Domain Controller Based on New Architecture

REN Tianyuan, LI Linnan, ZHANG Xiaodong

( Intelligent Connected Vehicle Development Institute, China FAW Company Limited, Changchun 130011, China )

With the improvement of various functions and performance requirements of automobiles, the traditional automobile distributed electronic and electrical architecture has been unable to meet the market demand, and automobiles are changing from electronic control unit (ECU) distributed electrical architecture to domain centralized electrical architecture. This paper summarizes the current design scheme of vehicle body domain controller, and analyzes the advantages of adopting domain controller scheme in combination with the current market demand. And a body domain controller is designed. Based on the functional requirements of the real vehicle, the scheme of the body domain controller is designed. The feasibility of the scheme is verified through the functional test on the bench and the real vehicle, which lays the foundation for the mass production of the scheme.

Distributed; Centralized; Electrical architecture; Body domain controller

U463.6

A

1671-7988(2023)12-97-05

任田園（1993－），男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)檐?chē)身控制系統(tǒng)，E-mail:957990950@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.019