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BOB.com.(中國)官方網站高階整車域控制器的詳細設計方案

  BOB官方網站汽車“四化”發展方向是汽車工業未來的發展趨勢,其中包含自動駕駛、網聯化、動力系統電氣化和共享移動化。隨著智能駕駛技術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逐漸從分布式架構向集中式專用域架構進行不斷演進和發展,以便提供更加高速、安全、可靠的電子架構。這一過程中,不僅要求智能駕駛功能能夠運行在具有高性能軟件到硬件集成的專用中央域上,這樣的中央域控制器不僅需要充當對于整個車身控制的終端,也需要執行包含中央網關、動力、底盤等各域的綜合控制系統端。這也是實現后續作為面向服務開發的前置條件。

  本文將針對整車中央域控單元VDC從硬件、軟件設計兩個方面進行詳細的方案設計介紹,以方便對整體控制能力進行詳述。

  整車域控VDC的設計包含整機設計,具體硬件方案,視頻輸入/輸出,通信鏈路、供電終端、存儲終端。

  從整個整車域控設計思路上講,需要考慮MCU和MPU在整車域控中需要達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、輸入喚醒、輸出喚醒等)。設置CAN、ETH、LIN接口用于通信連接分別傳輸不同的數據類型;設置基礎時鐘晶振用于上下電時鐘同步;設置雙路供電電源用于考慮整車域控整體不會因為供電故障導致的失效。

  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集中式中央處理單元,不僅需要執行包含低階行泊車控制功能,還需要執行對整個底盤系統的整體控制,同時也需要承擔中央網關的通信路由轉發等功能。因此,在設計過程各種需要將各種不同功能性能的芯片能力充分調動起來,比如考慮實現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行搭載。而考慮到實現中央網關功能,則可以考慮利用常見的網關芯片DRA821等。同時為了從終端控制上增強其功能安全特性,也可以在執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留。因此整車域控的設計過程將比傳統的簡單ECU復雜許多。典型的硬件端口設計思路參照如下圖所示。

  從配置整車智駕系統的角度出發,整車域控考慮了在一些關鍵設計環節上考慮對智駕域控做協同控制。一些主機廠的方案是將智駕系統的冗余控制放到整車域控端,比如設計將算力要求不高的單獨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,超聲波雷達數據通過CANFD協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,是省功耗的運行低版本ADAS系統,比如在長續航模式或跛行回家這類整車運行狀態下,還可以基本保留一些智駕系統功能,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,是當主智駕域控失效時,整車域控檢測到對應的失效狀態后接管控制車輛,啟動整車域控的基礎視覺感知,并結合雷達數據進行軌跡規劃和車輛控制,將車輛剎停至安全狀態。

  對于整車域控板間設計來說,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,可以將整車域控設計成雙層板模式(主板和副板)。兩層板間通過一定通信機制進行板間通信,當其中一個板子失效或出現問題時,可以啟動另一塊板子進行信息處理。 此外,對于硬件結構設計來說,通常比較關注整個域控的散熱設計。業界對于整車域控的散熱來說,通??梢圆捎蔑L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計,對于熱設計來說也無需考慮其中一塊板子的發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冷散熱。整個環境溫度和通風程度對其會產生較大的影響。如下公式表示了芯片結溫的影響要素。

  因此,整個散熱過程大部分受制于環境溫度影響,其中就需要充分考慮熱對流的影響。散熱設計基本原理:自然散熱以輻射為主、風冷以對流為主。熱量傳遞主要是3種方式:傳導、對流、輻射。其中熱傳導主要是指分子之間的傳遞,主要是指盒子或模塊內部的熱擴散。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境的熱傳遞。熱輻射主要是物體溫度產生的電磁波傳遞能量。涉及盒子或模塊與外部環境的熱傳遞。如上自然對流和熱輻射的傳輸鏈路都為外殼體——環境。

  對于整車域控制器而言,由于其承載的相關聯ECU終端是比較多的,就有可能造成計算過程中較大的熱能,在做硬件設計中,其熱設計過程將顯得尤為重要??梢詫⒄囉蚩刂破鞑贾迷谕L且空氣對流較好的環境中,這里需要充分考慮其風道設計出口是否存在熱風回灌的現象。

  舉個之前研發設計較為失敗的粒子說明如何對散熱設計才能取得較好的散熱效果。

  如下圖所示,當設計整車控制器的風道朝向一邊,而安裝位置如果位于一個相對較為封閉的環境中,且出風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被阻擋反彈回來。這樣反彈回來的熱空氣又將重新進入入風口處,這樣就不可能起到很好的散熱。

  因此在散熱設計中需要從安裝位置(安裝位置不僅考慮通風性,還需要考慮出風口是否有足夠的風道距離使其充分接觸更多的冷空氣來降溫)、風道設計、控制器整體尺寸、功能降級(由系統工程師根據需要設定降級溫度閾值,當超過某個值時降級全功能為部分功能。比如按照環境最高使用溫度為85°,那么超過80°時,就將控制功能降級為僅存儲功能)等方面進行全方位考慮。若溫度規格降低,則整機尺寸可進一步降低(按照玻爾茲曼定律進行計算)。軟件方面也可以增加動態溫度-功耗控制措施。

  當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,考慮痛風性、密閉溫度限值等因素。當然也有部分有條件的情況下也可以考慮采用水冷措施,當然設計復雜度和成本也是較高。

  VDC作為一種典型的中央網關,既要能支持CAN通信路由,也要能支持以太網通信路由。一般情況下,CAN通信由于其穩定性、安全性及成熟性。通常用來作為整車控制的信號協議類型,而Ethernet則是更多的承載智能終端數據通信,比如云端通信、智能駕駛數據顯示等。

  設計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考慮,通常將幾種不同的芯片布置于不同的板層。本設計的過程考慮行泊車低階控制過程中,兩大重點發熱芯片可能產生較大的發熱量,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Ethernet Switch連接至外部以太網通信端,整個Ethernet Switch的控制和配置由MCU完成。以太網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PHY相連,可以引出多路1000BASE-T1口。對于實際通信連接過程中可以充分考慮通過多合一連接器進行信息合并,同時設計過程中充分考慮欠壓監測、過溫檢測以及SQI的讀取能力。

  設計VDC時還需要使用關聯ECU通信所需的N路CAN通信且兼容CAN-FD,CAN-FD接口電路采用標準CAN接口電路,支持ESD防護和終端匹配,每路CAN通信需要對應的終端匹配電阻,并預留一定大小的共模電感,選擇性的根據EMC實測結果進行貼片。最重要的是支持任意幀CAN喚醒功能。

  當然,對于一個標準的中央網關來說,還需要支持一定數量的LIN通信,并支持LIN喚醒,通信速率為1~20Kbps。默認為MASTER模式,通過電阻與二極管上拉配置,也可以根據具體需求配置成從模式,接口設計需要設計成ESD防護電路。

  整車域控的軟件部署主要分為幾個方面車控相關SWC、網關相關SWC、智駕系統SWC。其部署原則為對實時性要求較高功能部署在實時核,運算需求較高放在運算核,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、電性能以及設備抽象等軟件模塊。對應的算力主要是CPU邏輯算力,一般滿足10K DMIPS即可。同時MCU需要承擔整個VDC網絡喚醒、診斷功能、電源管理相關功能。

  作為整車控制的終極大boss,VDC需要承擔整個網絡管理功能,其中網絡管理涉及網絡管理狀態機設計,網絡喚醒設計。

  網絡管理狀態機中包含為整車域控設計各種工作模式。比如休眠(僅支持休眠喚醒狀態)、待機(極低功耗)、準備(輕睡眠)、正常功耗(全功耗)、異常狀態(故障檢測)下的功耗等。各類不同的工作狀態需要通過設置不同的跳轉條件進行切換。

  而對于網絡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。結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、監控診斷、安全監控等特性以及GPIO的獨立芯片)喚醒,隨即便可立即喚醒MCU。當MCU被喚醒后,可以對以太網Switch進行初始化配置確保以太網可以進行有效通信,這類初始化過程主要包括寄存器使能、收發路徑綁定等。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。

  整個VDC域控的診斷過程包含遠程診斷、近端診斷和OTA診斷。這三類診斷模型在構建診斷通道時,需要首先將VDC接入到車端網絡中,實現兩種診斷模式DoIP和DoCAN。通常,DoIP部署在MPU上,DoCAN部署在MCU上。通過VDC協議棧部署DoIP網關建立鏈路(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如下不同的診斷接入場景設置相應的接入仲裁管理機制。這些診斷場景包括針對本地診斷、遠程診斷、產線EOL下的OBD接入,針對OTA場景下的車內虛擬上位機接入。這三類OBD接入子場景通常情況下是不做具體區分的,而僅僅通過優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,優先級最高;車內上位機接入,優先級中;車云接入,優先級最低。當然,如果有兩類接入診斷源輸入時,通常需要由VDC進行有效的仲裁才能確保其功能多的正常響應。仲裁原則為:兩個診斷業務優先級相同時,遵循先到先得、平等互斥的原則,當高優先級診斷接入低優先級診斷業務時,需要緩慢退出低優先級診斷,相應的高優先級診斷接入。當低優先級診斷接入高優先級診斷時,需要否定響應該低優先級診斷業務,并原路返回路由。

  針對VDC控制器在中央網關這一方面的作用而言,需要充分考慮其信號路由和協議轉換方面的要求。其中,協議轉換包括ETH數據轉換成LIN/CAN數據、CAN報文間互轉、ETH報文互轉、CAN診斷報文轉換成LIN/ETH診斷報文、ETH診斷報文轉換成 LIN/ETH診斷報文。

  VDC的網關路由功能模塊通常是在一個專有的網關芯片(如前所述DRA821)上進行的,整個通信路由架構參照如下圖所示。

  整個VDC的PDUR Router模塊功能包含單播、多播、網關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 需要執行PDU接收到本地模塊(I-PDU從下接收發送至上層)、PDU從本地模塊傳輸(I-PDU從上接收發送至下層)、PDU網關(從接口模塊和傳輸協議模塊接收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。

  對于整車域控來講,在設計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行。這時整車域控就相當于一個base版本的行泊一體控制器,需要承擔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算能力的超異構芯片。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芯片??梢圆捎媚壳皣鴥日鸬腏3/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、原始點云的毫米波雷達和激光雷達)。

  從保證基礎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個毫米波雷達以確保能夠實現1R1V的基礎L2傳感器配置。此外,考慮泊車輔助系統控制,整個VDC也需要將泊車相關的傳感器,環視+超聲波接入。當然,考慮到如果只是實現低階泊車輔助功能,其環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。

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