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自動(dòng)駕駛汽車(chē)中E/E架構(gòu)開(kāi)發(fā)的要求

2021-04-01 23:04:44·  來(lái)源:汽車(chē)ECU開(kāi)發(fā)  
 
對(duì)于開(kāi)發(fā)下一代自動(dòng)駕駛汽車(chē)的工程師來(lái)說(shuō),確認(rèn)全新E/E架構(gòu)的需求是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。當(dāng)今車(chē)輛的日益復(fù)雜化已是一種被廣泛認(rèn)同的趨勢(shì),車(chē)輛互聯(lián)、自動(dòng)駕駛等功能
對(duì)于開(kāi)發(fā)下一代自動(dòng)駕駛汽車(chē)的工程師來(lái)說(shuō),確認(rèn)全新E/E架構(gòu)的需求是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。

當(dāng)今車(chē)輛的日益復(fù)雜化已是一種被廣泛認(rèn)同的趨勢(shì),車(chē)輛互聯(lián)、自動(dòng)駕駛等功能也逐漸在落地,且強(qiáng)大、更復(fù)雜功能也正在路上。

在整車(chē)上,所有這些功能要發(fā)揮作用,都需要依賴(lài)線(xiàn)束和電子組件。對(duì)于OEM和系統(tǒng)集成商來(lái)說(shuō),成本和時(shí)間壓力都會(huì)顯著的增加,因?yàn)檫@些公司需要現(xiàn)代化的解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)日益增加的車(chē)輛復(fù)雜性和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間壓縮的壓力。

這個(gè)過(guò)程中一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是頂層車(chē)輛模型的E/E需求分解。頂層的多域建模涵蓋很多領(lǐng)域,包括機(jī)械、E/E、軟件、熱學(xué)和其他領(lǐng)域,對(duì)于電子電氣架構(gòu)工程師而言,其需要從此模型中提取E/E方面信息,用來(lái)驅(qū)動(dòng)E/E架構(gòu)的構(gòu)建以及下游的進(jìn)一步細(xì)化分解。在整個(gè)過(guò)程中,與現(xiàn)代E/E架構(gòu)的定義、設(shè)計(jì)和交付有關(guān)的各個(gè)工程師必須平衡許多相互依賴(lài)的需求。下面從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全、處理器,網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)負(fù)載、組件和軟件重用幾方面來(lái)聊一聊相互依賴(lài)的要求和設(shè)計(jì)技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>

在這個(gè)過(guò)程中,大多數(shù)工程師的任務(wù)通常集中在對(duì)功能分配和拓?fù)鋬?yōu)化上,例如:在以域?yàn)橹行牡木W(wǎng)絡(luò)中,確認(rèn)ECU所需包含的功能,ECU在所處的位置,以及對(duì)外的總線(xiàn)連接。
在最近的幾年中,從中央網(wǎng)絡(luò)或多總線(xiàn)體系架構(gòu)到功能域控制器體系架構(gòu)的過(guò)渡相對(duì)容易,該體系架構(gòu)下將功能進(jìn)行整合到少量的ECU中,如圖1所示。下一個(gè)階段將需要將ECU進(jìn)行重新組織為更為通用的計(jì)算單元,其中將集中更多更復(fù)雜的功能。區(qū)域ECU根據(jù)車(chē)輛的物理布局將其余功能組合在一起。實(shí)施這些區(qū)域性ECU通常需要對(duì)軟件和供應(yīng)商的交互進(jìn)行較大的更改。
自動(dòng)駕駛汽車(chē)中E E架構(gòu)開(kāi)發(fā)的要求
圖1 E/E架構(gòu)類(lèi)型

功能安全

在E/E體系結(jié)構(gòu)定義過(guò)程中,功能安全需求產(chǎn)生了多種考慮因素。具體考慮因素因功能而異,但行業(yè)目前已采用ISO 26262作為功能安全標(biāo)準(zhǔn)。ISO 26262將功能分QM或ASIL,從A級(jí)至D級(jí)。ASIL功能在發(fā)生完全失效的情況下,具有一定的破壞汽車(chē)功能安全性的可能性。ASIL A功能風(fēng)險(xiǎn)最小,ASIL D最顯著。

整個(gè)系統(tǒng)的功能安全性可以通過(guò)幾種方式實(shí)現(xiàn)。承載車(chē)輛功能的硬件和軟件平臺(tái)指定開(kāi)發(fā)到特定的ASIL等級(jí),以滿(mǎn)足功能安全。另一種方法是向系統(tǒng)添加冗余部件。與其增強(qiáng)一個(gè)傳感器系統(tǒng)以支持ASIL D功能,不如使用兩個(gè)ASIL B傳感器將傳感器數(shù)據(jù)傳遞給ASIL D功能,這可能是更可取的選擇,另外也越來(lái)越需要考慮故障功能行為,特別是在更高級(jí)別的ADAS功能(Level 3+)中,這種行為需要更廣泛的系統(tǒng)級(jí)別的考慮,例如圍繞電源網(wǎng)絡(luò),通信,處理,傳感器的更多層面冗余,這些額外的冗余層可能包括技術(shù)冗余,例如圖2所示的實(shí)現(xiàn)高級(jí)ADAS功能的各種傳感器的重疊式冗余。

自動(dòng)駕駛汽車(chē)中E E架構(gòu)開(kāi)發(fā)的要求1
圖2 ADAS的重疊式冗余傳感器

網(wǎng)絡(luò)安全

雖然功能安全已經(jīng)涉及到系統(tǒng)的可靠性,但網(wǎng)絡(luò)安全必須考慮到針對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)的惡意攻擊?,F(xiàn)代車(chē)輛有多個(gè)潛在的弱點(diǎn),這些弱點(diǎn)被稱(chēng)為攻擊面,集成Wi-Fi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、車(chē)載診斷(OBD)、USB和其他連接點(diǎn)都提供了進(jìn)入車(chē)輛通信系統(tǒng)的潛在路徑。甚至網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)電路也被作為入口點(diǎn)訪問(wèn)。在設(shè)計(jì)防盜系統(tǒng)時(shí)需要考慮攻擊面,以及不法分子在物理上訪問(wèn)某些系統(tǒng),而其他系統(tǒng)則可以使用額外的軟件身份驗(yàn)證檢查來(lái)防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。

網(wǎng)絡(luò)安全是通過(guò)分層的方法實(shí)現(xiàn)的,在架構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)重復(fù)使用各種機(jī)制。承載特定功能的ECU可能需要集成硬件安全模塊(HSM)。雖然可以在軟件中模擬HSM,但是這需要額外的芯片資源,當(dāng)前基于硬件的安全措施越來(lái)越普遍。與網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)的數(shù)據(jù)也可以被設(shè)計(jì)為特殊保護(hù),為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)增加更多的層次。

處理器,網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)負(fù)載

另一個(gè)重要的體系結(jié)構(gòu)考慮因素是每個(gè)ECU處理器,網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)分支以及網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)上的相對(duì)負(fù)載。在將功能分配給特定的ECU時(shí),它們的關(guān)聯(lián)信號(hào)給連接到ECU的網(wǎng)絡(luò)增加了額外的負(fù)擔(dān)。如果信號(hào)的各個(gè)源和目的地之間不存在直接連接,則需要網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接。這樣會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)的發(fā)送信號(hào)的負(fù)載和頻率增加,以傳遞給定的時(shí)序數(shù)據(jù)。在面向功能的域體系結(jié)構(gòu)中,狀態(tài)和模式信息信號(hào)的路由可能需要穿越網(wǎng)絡(luò)主干。網(wǎng)絡(luò)之間的交叉鏈接是不受歡迎的,因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全功能使防御變得困難。

一個(gè)能夠研究多種分配以預(yù)測(cè)每個(gè)分配結(jié)果的設(shè)計(jì)工具可以節(jié)省大量時(shí)間。對(duì)于ECU的功能分配,考慮每個(gè)ECU的特定處理類(lèi)型是至關(guān)重要的(圖3)。每個(gè)域的主要處理ECU有不同的特征。當(dāng)在更新期間將功能添加到架構(gòu)中時(shí),它們必須被分割并適當(dāng)?shù)胤峙浣o對(duì)應(yīng)的ECU。

自動(dòng)駕駛汽車(chē)中E E架構(gòu)開(kāi)發(fā)的要求2
圖3 每個(gè)功能域的典型ECU處理類(lèi)型

對(duì)于實(shí)時(shí)性要求非常高的數(shù)據(jù)交互,必須在一個(gè)小的時(shí)間窗口內(nèi)執(zhí)行,這個(gè)過(guò)程通常被安排在一個(gè)高頻的觸發(fā)事件中,例如發(fā)送機(jī)曲柄角度等。

典型的車(chē)身功能,如降低窗口,可以在幾十毫秒內(nèi)響應(yīng),這樣都可以給用戶(hù)一個(gè)滿(mǎn)意的用戶(hù)體驗(yàn)。然而,某些功能可能會(huì)引入ASIL和硬實(shí)時(shí)性要求。具有防夾功能(如果檢測(cè)到兒童的手臂則自動(dòng)關(guān)閉窗戶(hù)),窗戶(hù)的功能操作包括與安全相關(guān)的功能。必須考慮在具有足夠ASIL等級(jí)和定時(shí)自動(dòng)窗口功能。通常,車(chē)身功能高度分布,使用圍繞機(jī)艙放置的傳感器和執(zhí)行器來(lái)建立復(fù)雜的舒適性和便利性。

軟件和組件重用

車(chē)輛特性、功能和系統(tǒng)的可重用性現(xiàn)在是至關(guān)重要的。電氣和電子架構(gòu)優(yōu)化和有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于最大化可重用性、減少車(chē)輛變種數(shù)量以及提高按時(shí)交付正確車(chē)輛的能力至關(guān)重要。
當(dāng)開(kāi)發(fā)新的或更新的車(chē)輛時(shí),圍繞車(chē)輛內(nèi)容的重用存在約束。有些約束是堅(jiān)定的,而其他約束則需要相對(duì)于相關(guān)成本進(jìn)行評(píng)估。傳統(tǒng)上,除非供應(yīng)商已簽約開(kāi)發(fā)此類(lèi)功能,否則一級(jí)供應(yīng)商的ECU具有有限的功能添加范圍。OEM需要在開(kāi)發(fā)ECU策略甚至完整軟件方面承擔(dān)了更多責(zé)任。如今,這已擴(kuò)展到用于戰(zhàn)略模塊和設(shè)計(jì)芯片的硬件。
一旦架構(gòu)師確定了可以分配功能的位置,就需要考慮ECU類(lèi)型、安裝的軟件及其來(lái)源。理想情況下,當(dāng)OEM決定哪些ECU在體系架構(gòu)的生命周期內(nèi)的功能分配時(shí),就需要考慮這些因素。

結(jié)論

OEM開(kāi)發(fā)E / E系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)眾多,種類(lèi)繁多且復(fù)雜性不斷增加。E / E系統(tǒng)架構(gòu)師在開(kāi)發(fā),更新和優(yōu)化車(chē)輛架構(gòu)時(shí)會(huì)考慮無(wú)數(shù)的注意事項(xiàng)。因此,有必要使用高級(jí)工具,以根據(jù)工程師定義的一組規(guī)則和準(zhǔn)則來(lái)計(jì)劃和檢查體系結(jié)構(gòu)。借助可擴(kuò)展的規(guī)則,系統(tǒng)架構(gòu)師可以根據(jù)定義的規(guī)則自動(dòng)執(zhí)行分配,以便在詳細(xì)設(shè)計(jì)工作開(kāi)始之前盡早優(yōu)化E / E體系結(jié)構(gòu)。 
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