引言：本文的目的是基于我們對域控制設計方法的研究，提出相關的設計過程和規(guī)則，從而設計出我們3年后的新電控系統(tǒng)及架構平臺，也就為實現(xiàn)軟件定義汽車和硬件通用化提供可能性。同時，也希望能為國內(nèi)電控系統(tǒng)及架構設計標準化帶來一些思考。

1設計方法

1.1新電控系統(tǒng)和架構核心設計方法

舊的電控系統(tǒng)架構基于分布式和集成式設計方法，其中每個電控系統(tǒng)都基于AUTOSAR軟件架構設計，對應的用戶功能基本都在一個系統(tǒng)內(nèi)完成。而當前隨著用戶需求越來越多，許多功能都是跨系統(tǒng)的。因此，從IT行業(yè)引入層次化和系統(tǒng)低耦合性。


1.1.1分布式和集成式設計方法

分布式和集成式設計方法的架構方案大致拓撲如圖1所示。這是一種基本上可以不依賴其他系統(tǒng)，就可以實現(xiàn)功能需求的設計方法。車載電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)都是一個相對獨立的系統(tǒng)，所有輸入傳感器?輸出執(zhí)行器和邏輯處理都在一個主ECU控制的系統(tǒng)內(nèi)完成。這造成整車ECU數(shù)量眾多，難以管理。

1.1.2域控制設計方法

域控制架構拓撲如圖2所示，主要內(nèi)容如下:


①功能分解:實現(xiàn)功能邏輯與實際的物理硬線信號剝離，并把功能邏輯集中到一個域控制器實現(xiàn)。
②接口標準化:域控制器與區(qū)域控制器信號接口和區(qū)域控制器與所有物理信號輸入輸出設備接口。
③區(qū)域劃分:整理出所有輸入輸出設備，并按位置區(qū)域進行分配，接入?yún)^(qū)域控制器管理。

1.1.3SOA設計方法

SOA是面向對象的服務架構，本文不做深入探討。車輛接入物聯(lián)網(wǎng)后，可以挖掘出來的各類相關功能應用(Applica-tion，APP)，大大提升用戶服務價值，而這些應用就是基于SOA思想設計的。這些APP就建立在域控制設計平臺架構之上。由于SOA思想剛剛導入車載系統(tǒng)，以及當前系統(tǒng)和架構拓展性不足，目前的APP挖掘不夠多，功能拓展性也不高。

2新電控系統(tǒng)和架構設計

基于對分布和集成式?域控制和SOA設計方法的研究，以及對當前車聯(lián)網(wǎng)和軟件定義汽車需求的分析，我們歸納出當前車端及關聯(lián)系統(tǒng)大致組成元素及層次關系，如圖3所示。



可以看出未來車載電控架構的主要ECU節(jié)點由域控制器?區(qū)域控制器和輸入傳感器?輸出執(zhí)行器組成。相比于未來的最佳化模型，基于當前零部件供應商發(fā)展現(xiàn)狀，一些獨立的傳統(tǒng)ECU控制器(如電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)，Electronic Stability Program，ESP)還會存在。未來的架構之所以呈現(xiàn)出這種形態(tài)，是因為我們按照域控制設計方法把整車的需求進行分解。由這三部分硬件組成的車載電控系統(tǒng)就可完成軟件功能的開發(fā)。

因此最終網(wǎng)絡拓撲就是由這三種模塊構成。下面我們對這三個模塊的特點進行詳細說明。

2.1車載域控制器或服務器的特點

由于當前的ECU模塊芯片的算力有限，所以在某些任務(如自動駕駛和智能座艙等)執(zhí)行時存在計算性能不佳的問題。當前流行分法為主域控制器(未來發(fā)展成車載服務器)?智駕域和信息娛樂域控制器，它的關鍵性能指標如下:

①強大的計算能力，用來完成純功能邏輯處理。
②強大的網(wǎng)絡連接和管理能力，用來接收各種信息和發(fā)送控制指令的能力。
③滿足從汽車安全完整性等級(Automotive Safety Integ-rityLevel，ASIL)的A到D所有功能安全等級的要求。
④快速啟動和響應的能力。
⑤系統(tǒng)功耗與散熱的平衡性。
⑥系統(tǒng)硬件平臺方案的伸縮性，如計算能力和芯片兼容性都有很大可選范圍。
⑦系統(tǒng)軟件平臺方案的移植能力。
⑧模塊外接電氣接口比較少，主要是電源和網(wǎng)絡物理接口，盡量提升模塊的通用率。

當前域控制器發(fā)展具體的特征如下:
①由于芯片計算能力不足，當前發(fā)展主流是主域?信息娛樂域和智駕域控制器，主域集成中央網(wǎng)關功能。
②車載以太網(wǎng)已經(jīng)成為域控制器間通信必備，且域間可變速率的控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network with Flexible Data-Rate，CAN-FD)通信一定存在，用于實時性和安全性的要求高于通信要求。
③域控制器支持多路以太網(wǎng)?CAN-FD和串行通信總線(Local Interconnect Network，LIN)，用來拓展連接能力，一般不帶其他接口類型(如高低電平電氣接口)。
④域控制器硬件平臺當前是微控制單元(Micro con-troller Unit，MCU)+微處理器(Micro processor Unit，MPU)，未來芯片集成度會越高，偏向盡量一顆芯片搞定一切，例如集成直流變換器(Direct Current/Direct Current，DC/DC)?CAN和LIN收發(fā)器等。
⑤智駕域控制器由于傳感器的接口和協(xié)議沒有標準化，所以智駕域最終的網(wǎng)絡形式還未確定。
⑥域控制器的軟硬件平臺目前已經(jīng)統(tǒng)一，通過同系列不同型號統(tǒng)一硬件平臺，通過Hypervisor和Adapter Autosar等實現(xiàn)應用APP的平臺化。

2.2車載區(qū)域控制器特點

區(qū)域控制器能夠接收輸入傳感器的信息和來自域控制的指令，并控制實際的輸出執(zhí)行器，以及把輸出執(zhí)行器和輸入傳感器狀態(tài)發(fā)給域控制器?它的關鍵性能指標如下:

①處理純功能邏輯少，以實時操作系統(tǒng)和微處理器為特點的平臺，主要完成一些實時性高的功能。
②支持很多路CAN和LIN，以及一或兩路以太網(wǎng)網(wǎng)絡連接能力。
③滿足ASIL從A到D所有等級功能安全的要求。
④啟動和響應的能力。
⑤不用考慮增加額外的散熱器件。
⑥系統(tǒng)硬件平臺方案的伸縮性，如計算能力和芯片兼容性都有很大可選范圍。
⑦系統(tǒng)軟件平臺方案的移植能力。
⑧模塊外接電氣接口比較多，但是后續(xù)都是通用的I/O接口。

當前區(qū)域控制器發(fā)展特征如下:
①功能執(zhí)行要求實時性較強，硬件一般以MCU(視頻需求除外)為主。
②區(qū)域控制器當前無引入以太網(wǎng)的需求，隨著智駕方案確認才有可能引入以太網(wǎng)，區(qū)域控制器主要以CAN?LIN和硬線等方式拓展功能靈活性。
③區(qū)域控制器的數(shù)量與整車的定位有關，但是對于一款車型，區(qū)域控制器的數(shù)量是固定的，只有輸入輸出傳感器和執(zhí)行器的數(shù)量是變化的。
④區(qū)域控制器軟硬件平臺可以統(tǒng)一，對比之前設計復雜度會降低，重點在于整車廠的系統(tǒng)設計能力。

2.3輸入傳感器和輸出執(zhí)行器特點

隨著智駕技術的發(fā)展，各種各樣的傳感器和執(zhí)行器被應用到車輛。目前有多家供應商提供相關產(chǎn)品，每家的思路不盡相同，導致同種類型的傳感器多種多樣。這就需要整車廠的系統(tǒng)設計和引導，并在機械結構?分類方法?信號接口等幾個方面對傳感器進行標準化規(guī)范。

輸入傳感器的形狀?結構和接口在未來會進一步標準化，便于零件的通用化，特別是對于大的整車廠更需如此。

輸入傳感器分類標準化，如開關?視頻?超聲波雷達和加速度傳感器等，并且要對電氣接口或通信協(xié)議進行標準化設計。

輸入傳感器與上層區(qū)域控制器接口實現(xiàn)標準化。開關接口為高低電平?脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)和模數(shù)(Analogue/Digital，AD)，以及超聲波雷達和攝像頭等。

3域控制設計方法實現(xiàn)過程

原來整車系統(tǒng)及架構都是功能需求分析后，大多直接把功能塊分配給ECU，再進行相關方案設計。而新一代的電子架構的系統(tǒng)更加復雜，所以正向開發(fā)顯得尤為重要。下面簡要說明在原來開發(fā)過程需要增加的工作。

3.1功能需求分解

功能需求分解是把每個子功能塊涉及的硬件(輸入和輸出)與功能邏輯分離。也可以在原來的功能塊定義的基礎上進行分離，并確定輸入傳感器和輸出執(zhí)行器件種類和數(shù)量。

3.2標準化所有的輸入輸出物理信號

根據(jù)功能定義和輸入輸出設備特性，定義和設計所有輸入輸出物理信號，包括信號名稱和信號狀態(tài)定義等。如圖4所示，以中控門鎖的模塊設計為例，對輸入輸出信號標準化進行說明。



3.3驅動層邏輯塊定義

驅動層是直接接收和控制輸入輸出的物理信號的邏輯設計，如圖5所示。



3.4純功能邏輯塊定義

首先純功能塊定義一定要增加一個類似設備服務層(圖6)，提供一個唯一可調(diào)用所有輸入輸出設備提供服務的接口，用來調(diào)度設備服務和監(jiān)控設備的運行狀態(tài)。



車輛通用功能塊不宜太小，可以參考功能列表來定義一部分功能塊。以功能模塊獨
立性高?與外部輸入輸出接口信號少為優(yōu)，目的是減少功能邏輯耦合性。圖7所示為中控門鎖功能設計。



3.5子系統(tǒng)(區(qū)域控制器)設計

根據(jù)車身結構?線束布局和裝配工藝等特點，把車身分為幾大區(qū)域。根據(jù)所處位置將輸入輸出物理硬件歸入對應區(qū)域中，計算出各區(qū)域輸入輸出物理硬件數(shù)量，得出具體的接口需求。根據(jù)接口數(shù)量合理設計出子系統(tǒng)的數(shù)量，接口需求少的可以進行區(qū)域集成，兩個區(qū)域的信號合成一個子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)都有一個主控ECU模塊(區(qū)域控制器)。

相應的驅動層邏輯塊屬于區(qū)域控制器執(zhí)行的內(nèi)部，再系統(tǒng)評估出MCU性能是否滿足所有功能實時性要求。同時ECU基于域控制設計思想，對應的AUTOSAR軟件架構需要做出相應變更，如圖8和圖9所示。



主要差異點如下：
①可以發(fā)現(xiàn)隨著應用功能的上移，軟件架構的運行環(huán)境(Run–Time Environment，RTE)和APP層會最終消失。
②由于域控制診斷方法，系統(tǒng)服務層需要進行設計變更。
③由于區(qū)域控制器的網(wǎng)絡連接和通信能力要求高，并涉及相關的輸入輸出設備狀態(tài)和接收指令，所以通信層需要做出設計變更。

從中可以發(fā)現(xiàn)區(qū)域控制器ECU軟件得到大大簡化，再加上平臺化后，軟件穩(wěn)定性和效率大大提升。

3.6域控制器設計

純功能邏輯塊大多都歸入域控制器執(zhí)行，由于是不基于硬件，域控制器處理性能有關。但是完整的功能實現(xiàn)，與每個設備同步性和實時性相關，而實時性主要由以下幾個參數(shù)決定:

①功能總的時間=信號采集時間+信號傳遞時間+邏輯處理時間+執(zhí)行器硬件執(zhí)行時間。
②信號采集時間和硬件執(zhí)行時間:在器件選型后基本已經(jīng)確定，當然也可以改進。
③信號傳遞時間:通信方式和中轉過程等。
④邏輯處理時間:本身邏輯復雜度?操作系統(tǒng)(Oper-System，OS)性能和處理器性能等。

特別說明的是，整車初次上電實時性高的功能時，一定要考慮應用啟動時長，不能存在功能失效的嚴重風險。

域控制器的軟件架構分為MPU和MCU兩部分，這里主要說明MCU部分。當前整車的通用功能，如燈光和刮水器功能等，這些控制類?邏輯簡單?實時性高的功能都在MCU上實現(xiàn)，具體的軟件架構如圖10所示。

域控制器MCU主要差異點如下:
①除模塊本地系統(tǒng)服務外，增加了域內(nèi)設備服務和調(diào)度層，為上層應用提供調(diào)用接口，而不是通過RTE來實現(xiàn)，包括接收MPU請求和反饋設備狀態(tài)等。
②系統(tǒng)服務層提供的診斷服務，涉及整個域內(nèi)設備，并整合系統(tǒng)功能故障等。
③當前整車通用純邏輯功能絕大多數(shù)在MCU的APP層。



MPU上實現(xiàn)一些計算能力要求高的功能，如導航?音樂?視頻和智駕等，通過MCU和MPU間通信實現(xiàn)系統(tǒng)功能，但是目前軟件架構的標準化還處于初步階段，需要一定周期。

4域控制設計方法優(yōu)點和風險

域控制設計方法讓車輛與外界實現(xiàn)很好的互聯(lián)?互通和應用的協(xié)同性，真正打通了物聯(lián)網(wǎng)與車端的應用，做到了完美連接，同時帶來以下價值。

4.1域控制設計方法優(yōu)點

4.1.1電控系統(tǒng)軟件和硬件平臺化
域控制設計方法最終實現(xiàn)整車所有域控制器和區(qū)域控制器模塊平臺化。多個硬件和軟件都集中在同一個平臺，大大提升硬件和軟件的復用率，后期效率呈倍數(shù)級提升。后續(xù)硬件可直接拔插升級，軟件空中升級也相當方便。

4.1.2網(wǎng)絡拓撲的優(yōu)化和負載率降低
網(wǎng)絡拓撲的優(yōu)化和負載率降低，域控制設計方法可以大大降低總線的信號數(shù)量，以及更加清晰地設計網(wǎng)絡的拓撲結構。

4.1.3降本減重的需求
首先實現(xiàn)零部件的平臺化，未來裝車量的增加，零部件本身成本會有大幅下降?其次，由于設計方法中已經(jīng)考慮了區(qū)域的問題，所以線束長度和數(shù)量都會減少，成本也將降低。

4.1.4軟件定義汽車最好平臺
軟件定義汽車實現(xiàn)離不開整車電子電器提供的服務，而域控制設計方法實現(xiàn)軟硬件分離，并充分挖掘出每個輸入輸出能提供的服務，便于上層APP設計出更能給用戶帶來價值的功能。

4.2域控制設計方法風險

目前新架構還處于逐步成熟的過程中，也有一些不確定因素，主要風險如下:
①整車的系統(tǒng)設計能力不足，需要一批對零部件設計比較熟悉的系統(tǒng)工程師，從而決定域控制器和區(qū)域控制器模塊數(shù)量及接口標準化程度。
②由于零部件供應商對整車廠需求并不是很清楚，只是推出相關硬件和軟件平臺，對于實際應該具有的功能并不明確，所以難以確定最終的成本和價值是否合適。
③域控制器和區(qū)域控制器模塊與主芯片緊密相關，NXP?英飛凌和瑞薩等廠商對于此設計處于剛剛定型狀態(tài)。
④域控制器的軟件成熟度和標準化都不完善。雖說有和ETAS等專業(yè)軟件設計供應商，可是目前其產(chǎn)品也不夠成熟。
⑤傳感器和執(zhí)行器模塊等也沒有標準化的管理，不同的廠家接口千差萬別，如CAN-FD?以太網(wǎng)和低壓差分信號接口(Low-Voltage Differential Signaling，LVDS)等。
⑥對于車載以太網(wǎng)的應用也正在研究，在以太網(wǎng)診斷?安全和管理等方面并不是很成熟。盡管相關的協(xié)議大都從傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)而來，但是具體到車載以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)協(xié)議，其實時性和安全性能否真正滿足車載的應用還在進一步研究。
⑦面臨信息安全問題，方案成熟度有待驗證。
⑧目前真正成熟的能夠提供用戶價值的APP很少，需求還在挖掘中，造成具體收益未知。

5結論

盡管目前有很多關于SOA的討論，但服務需要有一個良好的平臺，且SOME/IP (Scalableservice-Oriented Middle-war EoverIP)當前并不成熟，本身車載以太網(wǎng)存在很多問題。我們研究域控制設計方法，目的是打造全新的整車電控系統(tǒng)和架構，并為域控制器上實現(xiàn)SOA設計思想提供一個開發(fā)性的軟硬件平臺。當然，這也是技術發(fā)展和經(jīng)濟效益結合的產(chǎn)物。

未來整車電控系統(tǒng)的發(fā)展方向會類似于通用功能的合并取消，很多通用功能也會由于汽車智能化的發(fā)展而被取消，但是更多人工智能的功能會被設計出來以提升用戶體驗，從而提升整車價值。整車電控系統(tǒng)及架構則需要為實現(xiàn)這些功能提供完善的硬件和軟件平臺。

當前系統(tǒng)架構軟件和硬件標準平臺還不成熟，對我國來說正好是個機會，可以依托強大國內(nèi)市場，快速研究相關軟件和硬件技術，并引入到國際標準內(nèi)，占領技術制高點。