高階整車域控制器的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

汽車“四化”發(fā)展方向是汽車工業(yè)未來的發(fā)展趨勢，其中包含自動駕駛、網(wǎng)聯(lián)化、動力系統(tǒng)電氣化和共享移動化。隨著智能駕駛技術(shù)對于整車智能化程度要求的不斷提升，對其整車的控制能力要求也大幅提升，這一過程推動整車電子電器架構(gòu)逐漸從分布式架構(gòu)向集中式專用域控制器架構(gòu)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(gòu)。這一過程中，不僅要求智能駕駛功能能夠運(yùn)行在具有高性能軟件到硬件集成的專用中央域控制器上，同時也要求整車控制這塊也需要運(yùn)行于穩(wěn)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(dāng)對于整個車身控制的終端，也需要執(zhí)行包含中央網(wǎng)關(guān)、動力、底盤等各域的綜合控制系統(tǒng)端。這也是實(shí)現(xiàn)后續(xù)作為面向服務(wù)開發(fā)的前置條件。

本文將針對整車中央域控單元VDC從硬件、軟件設(shè)計(jì)兩個方面進(jìn)行詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)介紹，以方便對整體控制能力進(jìn)行詳述。

1.整車域控硬件設(shè)計(jì)方案介紹

整車域控VDC的設(shè)計(jì)包含整機(jī)設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)

從整個整車域控設(shè)計(jì)思路上講，需要考慮MCU和MPU在整車域控中需要達(dá)到一定的功能安全等級前提下，滿足對整車域控的控制能力輸出。此外，設(shè)置通用接口GPIO用于對整車其他域控的輸出指令控制（如油門開度、制動開關(guān)、輸入喚醒、輸出喚醒等）。設(shè)置CAN、ETH、LIN接口用于通信連接分別傳輸不同的數(shù)據(jù)類型；設(shè)置基礎(chǔ)時鐘晶振用于上下電時鐘同步；設(shè)置雙路供電電源用于考慮整車域控整體不會因?yàn)楣╇姽收蠈?dǎo)致的失效。

從上圖可以看出，整車域控從功能角度上講就是一個多維度的準(zhǔn)集中式中央處理單元，不僅需要執(zhí)行包含低階行泊車控制功能，還需要執(zhí)行對整個底盤系統(tǒng)的整體控制，同時也需要承擔(dān)中央網(wǎng)關(guān)的通信路由轉(zhuǎn)發(fā)等功能。因此，在設(shè)計(jì)過程各種需要將各種不同功能性能的芯片能力充分調(diào)動起來，比如考慮實(shí)現(xiàn)低階行泊一體控制能力，可以采用雙TDA4VM或雙J3這類中度算力芯片進(jìn)行搭載。而考慮到實(shí)現(xiàn)中央網(wǎng)關(guān)功能，則可以考慮利用常見的網(wǎng)關(guān)芯片DRA821等。同時為了從終端控制上增強(qiáng)其功能安全特性，也可以在執(zhí)行對整車控制輸出端口，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(yù)留。因此整車域控的設(shè)計(jì)過程將比傳統(tǒng)的簡單ECU復(fù)雜許多。典型的硬件端口設(shè)計(jì)思路參照如下圖所示。

從配置整車智駕系統(tǒng)的角度出發(fā)，整車域控考慮了在一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上考慮對智駕域控做協(xié)同控制。一些主機(jī)廠的方案是將智駕系統(tǒng)的冗余控制放到整車域控端，比如設(shè)計(jì)將算力要求不高的單獨(dú)前視攝像頭接入整車域控VDC；同時也將只存在邏輯算力的毫米波雷達(dá)，超聲波雷達(dá)數(shù)據(jù)通過CANFD協(xié)議連接至整車域控端。這里主要可以起到兩方面的作用：

其一，是省功耗的運(yùn)行低版本ADAS系統(tǒng)，比如在長續(xù)航模式或跛行回家這類整車運(yùn)行狀態(tài)下，還可以基本保留一些智駕系統(tǒng)功能，比如可以部分承載保留行車安全輔助性功能AEB、FCTA/B、RCTA/B，泊車報警輔助功能。

其二，是當(dāng)主智駕域控失效時，整車域控檢測到對應(yīng)的失效狀態(tài)后接管控制車輛，啟動整車域控的基礎(chǔ)視覺感知，并結(jié)合雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡規(guī)劃和車輛控制，將車輛剎停至安全狀態(tài)。

2、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于整車域控板間設(shè)計(jì)來說，考慮到其尺寸大小限制，同時可以考慮自身硬件級別的失效降級策略，可以將整車域控設(shè)計(jì)成雙層板模式（主板和副板）。兩層板間通過一定通信機(jī)制進(jìn)行板間通信，當(dāng)其中一個板子失效或出現(xiàn)問題時，可以啟動另一塊板子進(jìn)行信息處理。   此外，對于硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，通常比較關(guān)注整個域控的散熱設(shè)計(jì)。業(yè)界對于整車域控的散熱來說，通?？梢圆捎蔑L(fēng)冷對流散熱為主。通常，整車域控的雙層板子采用一定的隔熱設(shè)計(jì)，對于熱設(shè)計(jì)來說也無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，整車域控制器通常采用風(fēng)冷散熱。整個環(huán)境溫度和通風(fēng)程度對其會產(chǎn)生較大的影響。如下公式表示了芯片結(jié)溫的影響要素。

芯片結(jié)溫=環(huán)境溫度+熱阻*功耗

因此，整個散熱過程大部分受制于環(huán)境溫度影響，其中就需要充分考慮熱對流的影響。散熱設(shè)計(jì)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(dǎo)、對流、輻射。其中熱傳導(dǎo)主要是指分子之間的傳遞，主要是指盒子或模塊內(nèi)部的熱擴(kuò)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的散熱設(shè)計(jì)流程圖。

對于整車域控制器而言，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(jì)算過程中較大的熱能，在做硬件設(shè)計(jì)中，其熱設(shè)計(jì)過程將顯得尤為重要。可以將整車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(shè)計(jì)出口是否存在熱風(fēng)回灌的現(xiàn)象。

舉個之前研發(fā)設(shè)計(jì)較為失敗的粒子說明如何對散熱設(shè)計(jì)才能取得較好的散熱效果。

如下圖所示，當(dāng)設(shè)計(jì)整車控制器的風(fēng)道朝向一邊，而安裝位置如果位于一個相對較為封閉的環(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。這樣反彈回來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(shè)計(jì)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降溫）、風(fēng)道設(shè)計(jì)、控制器整體尺寸、功能降級（由系統(tǒng)工程師根據(jù)需要設(shè)定降級溫度閾值，當(dāng)超過某個值時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80°時，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(guī)格降低，則整機(jī)尺寸可進(jìn)一步降低（按照玻爾茲曼定律進(jìn)行計(jì)算）。軟件方面也可以增加動態(tài)溫度-功耗控制措施。

當(dāng)然最重要還是在選定布置位置時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(dāng)然也有部分有條件的情況下也可以考慮采用水冷措施，當(dāng)然設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本也是較高。

3、硬件通信設(shè)計(jì)

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(wěn)定性、安全性及成熟性。通常用來作為整車控制的信號協(xié)議類型，而Ethernet則是更多的承載智能終端數(shù)據(jù)通信，比如云端通信、智能駕駛數(shù)據(jù)顯示等。

設(shè)計(jì)整車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(shè)計(jì)的過程考慮行泊車低階控制過程中，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MPU放在主板和副板上。此外，MCU放在主板上。主板和副板通過以太網(wǎng)Ethernet Switch連接至外部以太網(wǎng)通信端，整個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Switch還通過SGMII口和外擴(kuò)PHY相連，可以引出多路1000BASE-T1口。對于實(shí)際通信連接過程中可以充分考慮通過多合一連接器進(jìn)行信息合并，同時設(shè)計(jì)過程中充分考慮欠壓監(jiān)測、過溫檢測以及SQI的讀取能力。

設(shè)計(jì)VDC時還需要使用關(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(biāo)準(zhǔn)CAN接口電路，支持ESD防護(hù)和終端匹配，每路CAN通信需要對應(yīng)的終端匹配電阻，并預(yù)留一定大小的共模電感，選擇性的根據(jù)EMC實(shí)測結(jié)果進(jìn)行貼片。最重要的是支持任意幀CAN喚醒功能。

當(dāng)然，對于一個標(biāo)準(zhǔn)的中央網(wǎng)關(guān)來說，還需要支持一定數(shù)量的LIN通信，并支持LIN喚醒，通信速率為1~20Kbps。默認(rèn)為MASTER模式，通過電阻與二極管上拉配置，也可以根據(jù)具體需求配置成從模式，接口設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)成ESD防護(hù)電路。

2.整車域控軟件框架及部署介紹

整車域控的軟件部署主要分為幾個方面車控相關(guān)SWC、網(wǎng)關(guān)相關(guān)SWC、智駕系統(tǒng)SWC。其部署原則為對實(shí)時性要求較高功能部署在實(shí)時核，運(yùn)算需求較高放在運(yùn)算核，對功能安全要求較高的功能部署在鎖步核。

以如上圖中的整車域控架構(gòu)為例。MCU部署動力控制、底盤控制、通訊管理、本地診斷、電性能以及設(shè)備抽象等軟件模塊。對應(yīng)的算力主要是CPU邏輯算力，一般滿足10K DMIPS即可。同時MCU需要承擔(dān)整個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

作為整車控制的終極大boss，VDC需要承擔(dān)整個網(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(jī)設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)喚醒設(shè)計(jì)。

網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)機(jī)中包含為整車域控設(shè)計(jì)各種工作模式。比如休眠（僅支持休眠喚醒狀態(tài)）、待機(jī)（極低功耗）、準(zhǔn)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。各類不同的工作狀態(tài)需要通過設(shè)置不同的跳轉(zhuǎn)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、以太網(wǎng)。結(jié)合上面的附圖說明喚醒過程。首先，四種喚醒源需要首先將SBC（一種包含電源、通信、監(jiān)控診斷、安全監(jiān)控等特性以及GPIO的獨(dú)立芯片）喚醒，隨即便可立即喚醒MCU。當(dāng)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，這類初始化過程主要包括寄存器使能、收發(fā)路徑綁定等。隨后，MCU可以通過控制其他MPU的芯片供電來控制其余MPU的喚醒。

2、網(wǎng)絡(luò)診斷功能

整個VDC域控的診斷過程包含遠(yuǎn)程診斷、近端診斷和OTA診斷。這三類診斷模型在構(gòu)建診斷通道時，需要首先將VDC接入到車端網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)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客戶端。

對于診斷來說一般需要根據(jù)如下不同的診斷接入場景設(shè)置相應(yīng)的接入仲裁管理機(jī)制。這些診斷場景包括針對本地診斷、遠(yuǎn)程診斷、產(chǎn)線EOL下的OBD接入，針對OTA場景下的車內(nèi)虛擬上位機(jī)接入。這三類OBD接入子場景通常情況下是不做具體區(qū)分的，而僅僅通過優(yōu)先級判斷可以在某一個固定的時刻激活其中一條鏈路。

對于OBD接入，優(yōu)先級最高；車內(nèi)上位機(jī)接入，優(yōu)先級中；車云接入，優(yōu)先級最低。當(dāng)然，如果有兩類接入診斷源輸入時，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(yīng)。仲裁原則為：兩個診斷業(yè)務(wù)優(yōu)先級相同時，遵循先到先得、平等互斥的原則，當(dāng)高優(yōu)先級診斷接入低優(yōu)先級診斷業(yè)務(wù)時，需要緩慢退出低優(yōu)先級診斷，相應(yīng)的高優(yōu)先級診斷接入。當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級診斷接入高優(yōu)先級診斷時，需要否定響應(yīng)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(zhuǎn)換方面的要求。其中，協(xié)議轉(zhuǎn)換包括ETH數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成LIN/CAN數(shù)據(jù)、CAN報文間互轉(zhuǎn)、ETH報文互轉(zhuǎn)、CAN診斷報文轉(zhuǎn)換成LIN/ETH診斷報文、ETH診斷報文轉(zhuǎn)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專有的網(wǎng)關(guān)芯片（如前所述DRA821）上進(jìn)行的，整個通信路由架構(gòu)參照如下圖所示。

整個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(zhí)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

對于整車域控來講，在設(shè)計(jì)過程中通常會連帶作為智駕域控的低階版本，或者也有部分車型在做配置分析時，直接將低配或次低配的智駕功能移植到整車域控中進(jìn)行。這時整車域控就相當(dāng)于一個base版本的行泊一體控制器，需要承擔(dān)部分低階行泊車控制功能。因此，對于在VDC中植入不同處理能力的芯片單元時，盡量選擇具備集成式運(yùn)算能力的超異構(gòu)芯片。既能滿足對行車功能的感知需求，也能滿足對泊車感知能力需求。這里推薦的中等算力的集成式超異構(gòu)芯片?？梢圆捎媚壳皣鴥?nèi)正火的J3/J5，也可以考慮TI系列芯片TDA4VM即可。

同時，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(dāng)然，由于VDC的算力不算多，因此，可能不能接入過多超算力的傳感器（比如多組高分辨率攝像頭、原始點(diǎn)云的毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)）。

從保證基礎(chǔ)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個毫米波雷達(dá)以確保能夠?qū)崿F(xiàn)1R1V的基礎(chǔ)L2傳感器配置。此外，考慮泊車輔助系統(tǒng)控制，整個VDC也需要將泊車相關(guān)的傳感器，環(huán)視+超聲波接入。當(dāng)然，考慮到如果只是實(shí)現(xiàn)低階泊車輔助功能，其環(huán)視攝像頭的分辨率可以不必向高階全自動駕駛功能對齊，采用稍低分辨率也可。

來源：焉知智能汽車 ，作者Jessie