摘要：隨著汽車各項功能和性能要求的提升，汽車分布式電氣架構已不能適應市場需求，汽車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(zhuǎn)變。文章對當前的車身域控制器設計方案進行研究總結(jié)，結(jié)合當前的市場需求，分析采用域控制器方案的諸多優(yōu)點。并設計了一種車身域控制器，基于實車功能需求進行了車身域控制器的方案設計，通過臺架以及搭載實車進行功能測試，驗證了方案的可行性，為該方案的量產(chǎn)奠定基礎。

      在汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化、軟件定義汽車的發(fā)展趨勢下，分布式電氣架構日益暴露諸多問題。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，大量新功能要求多ECU協(xié)同實現(xiàn)，ECU之間進行通信的線束復雜度、通信負荷、維修難度都在成倍增長。在此背景下，如何保證功能正常實現(xiàn)、數(shù)據(jù)及時響應以及網(wǎng)絡安全成為焦點[1]。

       為解決分布式電氣架構的問題，人們開始逐漸把很多功能相近或關聯(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，即汽車域控制器。域控制器的出現(xiàn)標志著汽車電氣架構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、動力域、車身域、底盤域和自動駕駛域。

      域控制器主要由處理器、操作系統(tǒng)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(nèi)部的功能邏輯和信號路由，并提供標準化接口用于數(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發(fā)和制造成本[2]。

1 域控制器集成化架構的優(yōu)點

   采用域控制器，具有很多優(yōu)點，本文針對汽車域控制器的優(yōu)勢展開論述。

      1.1 輕量化

      對于分布式電氣架構，各ECU集成一個或多個功能，各ECU相互獨立，并通過線束連接。當汽車有新增新功能需求時，有時需增加新ECU和對應線束，如此往復，汽車的ECU數(shù)量急速增加，通過不斷增加ECU數(shù)量為汽車增加新功能的方法已經(jīng)達到了極限。復雜的ECU帶來不只是是龐雜的邏輯控制，還帶來錯綜交互的線束設計和控制器設計，現(xiàn)代汽車的線束和控制器已成為汽車中僅次于發(fā)動機的第二重的部件，對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，大大簡化了汽車電子結(jié)構，優(yōu)化整車電子電器線路設計，降低了汽車電子部件和線束重量，有利于汽車的輕量化設計，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，為此需接受和及時處理來自各傳感器、外界其他車輛或基礎設施的大量數(shù)據(jù)，且為保證行車安全，車載控制器必須能夠以實時或非常接近實時的速度進行處理這類數(shù)據(jù)。而分布式架構中，數(shù)據(jù)需要在不同ECU間進行反復通信和運算，數(shù)據(jù)延遲性高，運算效率低，無法滿足車輛行駛過程中的安全性要求。而域控制器具備高性能的計算能力和高帶寬的網(wǎng)絡通信，可以對大量數(shù)據(jù)實時處理并及時傳遞處理結(jié)果。

      1.3 復雜軟件算法集成化

      隨著汽車對娛樂、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)成為智能汽車的核心競爭力，在未來，智能汽車的軟件代碼量將達到3億至5億行。汽車軟件的代碼量正在成指數(shù)級別的增加，由于軟件算法不斷累加，未來汽車必須擁有更高的運算與邏輯處理能力，為了實現(xiàn)這些目標，需要更高的計算能力、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（Over The Air Technology, OTA）是對汽車軟硬件功能的一種遠程升級技術，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、平板一樣具備升級能力，而非整個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(tǒng)汽車，其所有功能都必須在車輛量產(chǎn)前設計和實現(xiàn)，無法滿足用戶對汽車功能快速更新的需求。而域控制器算力可進行擴展，軟硬件分離使得汽車的軟件功能獨立于硬件，在不增加額外ECU的前提下，僅通過OTA對軟件算法更新即可實現(xiàn)汽車功能發(fā)展升級，大大提高了系統(tǒng)功能的可擴展性和更新的便捷性，使得用戶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(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，進行功能迭代的成本會小得多，且隨著技術進步和域控制器的大規(guī)模量產(chǎn)，車載系統(tǒng)級芯片（System On Chip, SOC）的價格持續(xù)下降，越來越接近傳統(tǒng)MCU的價格，汽車的生產(chǎn)成本將會進一步降低。

2 車身域控制器的設計

   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行驅(qū)動，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，和車身域控制器之間通過控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network, CAN）進行通信。

       車身域控制器作為車身控制系統(tǒng)的中心模塊，主要負責智能進入、智能啟動、門鎖控制、胎壓監(jiān)測、內(nèi)部燈光、外部燈光、電源管理、雨刮噴水、后風窗加熱、加油/充電口蓋、遠程控制等功能，具體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

      本文根據(jù)以上功能實現(xiàn)作為方案需求，編制車身域控制器設計任務書，并輸出功能設計文檔，基于任務書、功能設計文檔等進行車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、開關采集、驅(qū)動、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、開關采集芯片、橋驅(qū)芯片、高低驅(qū)芯片、射頻驅(qū)動芯片等硬件資源

       2.2.2硬件設計

       基于硬件選型進行硬件方案設計，根據(jù)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(jié)合各模塊的硬件原理圖進行PCB板設計，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 軟件設計

       根據(jù)功能需求、硬件方案、通信規(guī)范與矩陣、診斷規(guī)范等輸入文件進行軟件設計。首先進行軟件架構設計，軟件架構采用汽車開放系統(tǒng)架構（Automotive Open System Architecture, AUTO- SAR），包括引導加載程序（Bootloader）、應用層軟件（App）、實時環(huán)境（Run Time Environment, RTE）、底層驅(qū)動抽象（ECU abstraction）、服務層（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，對軟件進行系統(tǒng)集成、刷寫，并開展測試工作。

3 車身域控制器的測試驗證

   3.1 臺架驗證

       按照臺架測試用例，進行臺架功能、網(wǎng)絡、診斷、刷寫測試，最終通過測試并出具測試報告，部分測試報告內(nèi)容如圖8所示。

   3.2 實車驗證

       按照測試用例，進行實車功能測試。將設計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)境進行實車功能驗證，共測試用例820條，最終通過820條，設計功能全部實現(xiàn)。

圖8 實車測試

表1 系統(tǒng)測試報告

4 結(jié)論

      本文對目前流行的車身域控制器設計方案進行總結(jié)歸納，分析了相對于分布式架構，采用域控方案帶來的諸多優(yōu)點，并基于新架構設計了一種車身域控制器方案，基于某量產(chǎn)車實車需求，按照項目實際開發(fā)流程，經(jīng)過硬件設計、軟件設計，生產(chǎn)出滿足需求的車身域控制器樣件，并經(jīng)過臺架和實車測試，驗證了方案可行性，為方案的最終量產(chǎn)奠定基礎。

轉(zhuǎn)自智能汽車設計