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域控制器和汽车未来电子架构

发布日期:2020-08-03

1980年代随着IT技术的起步和兴起,在当时机械主宰的汽车行业内掀起了一场电子电气化革命。年轻的汽车电子系统迅猛发展,逐渐成为汽车的重要组成部分。2000年奔驰S级(参数|图片)轿车的电子系统已经拥有80个电控单元,1900条总长达4km的通信总线。2007年奥迪Q7(参数|图片)和保时捷卡宴(参数|图片)的总线长度突破6km。在汽车电子系统功能逐渐丰富的同时,也因为通信总线不断增长、控制器数量井喷式上升带来了不受控制的制造成本上扬。对于研发工程师来说,如果任凭控制器数量继续发展下去,迟早有一天系统会复杂到无人能总揽全局、无人能准确把握的程度。就像分散的小传感器被逐渐集成为功能更强的单个传感器,将分散的控制器按照功能域划分、集成为运算能力更强的域控制器的想法应运而生。

为何引入域控制器

现如今,每台汽车搭载的电子控制器平均25个,而在一些高端车型中这一数量通常会超过100。然而,这些控制器并非孤岛,它们之间由总线相连,通过工程师预设好的通信协议交换信息。电子控制器数量越多,总线数量必将更长。长度超过6km的总线,重量通常会超过70kg,基本成为位列发动机之后的全车第二重部件。为了控制总线长度、降低电子控制器数量(或者保持控制器数量不变)从而降低电子部件重量、降低整车制造成本,大型域控制器的设计理念逐渐浮出水面。

以驾驶辅助系统举例来说,为了满足未来自动驾驶的功能需求,必将为汽车软件系统带来更多的代码量和软件包,运行和存储这些代码就需要更大的存储空间和更强的运算能力。为了不让车载网络架构更加复杂,将已有的分散小型控制器加以整合成为域控制器并配以开放式的整体架构,成为现今汽车电系统发展的趋势。为了承担起相应功能域的运算和控制任务,多核高性能的控制器将逐渐进入车载控制系统。

所谓“域”就是将汽车电子系统根据功能划分为若干个功能块,每个功能块内部的系统架构由域控制器为主导搭建。各个域内部的系统互联仍可使用现如今十分常用的CAN和FlexRay通信总线。而不同域之间的通讯,则需要由更高传输性能的以太网作为主干网络承担信息交换任务。对于功能域的具体划分,不同整车厂会有自己的设计理念,下图给出了一种可能的划分方法。在每个功能域中,域控制器处于**中心,它们需要强大的处理功率和超高的实时性能以及大量的通信外设。

汽车未来电子构架

随着域控制器的提出,软件将根据相应功能域重新分类集成。未来的汽车电子系统,将越来越面向驾驶员并以服务为导向。车载娱乐系统、人车交互系统、车联网系统将扮演愈发重要的角色,其代码量也必将与日俱增。为了应对这一系统变革,必须将相应软件系统从分散在各处的电子控制器中剥离出来并重新集成在相应的域控制器中。下图展示了一种未来可能的汽车电子系统构架。左上角为面向驾驶员的域控制器,它主要负责与驾驶员的人机交互功能。它被从传统的动力系统等控制器中分离出来,并通过中央网关和以太网与其它域控制器进行通信连接。

通过智能天线和移动网络,使得车载电子系统与整车厂后台实时互联成为可能。对于用户来说,与云端后台实时互联将大大提高汽车所能接受的数据量,以便为驾驶员提供更多车载服务。例如,汽车行驶时对环境的感知或对周围空余车位的信息收集,这不仅可以通过车载传感器完成,也可以通过云端后台的数据库实时获取。

另外,汽车上机械磨损件的使用情况、电子系统软硬件错误报告等信息也可以被实时传送至云端。这意味着,错误诊断读取等服务将不需要客户将车开到4S店,而直接通过云端读取。这为汽车工程师对下一代汽车的改进和研发提供了大数据基础。现在大家所熟知Over the Air Update也将得益于这一构架更为普及。同时开放的汽车软件架构将为用户提供安装个性化软件应用的可能性。面向客户的汽车软件系统会像手机一样,提供越来越灵活和多样的使用体验。

域控制器内部构架(Adaptive AUTOSAR)

当我们在谈论域控制器的时候,是要利用其强大的运算处理能力为庞大的汽车软件集中运算提出可能,一般来说它是一个复杂的多核电控单元。然而回首十年前,大多数汽车电子控制单元一般为16Bit单核处理器。这一技术跨越意味着,控制器供应商要在底层应用软件上下更大功夫,升级已有的开发工具链,才有可能在开发这一复杂系统的同时有效控制成本。

当今量产的汽车电子控制器大多采用的是依据AUTOSAR或OSEK开发的静态驱动系统。在软件系统运行过程中,不同功能函数被事先定义好的排序文件(Scheduling)依次调用、逐个运行。静态驱动系统的优点是资源分配问题被事先一次性解决,每个函数的具体运行区间亦被提前锁定。这满足了一些对于行车安全有苛刻要求的功能函数运行需求,比如决定安全气囊是否打开的功能函数被固定地每几毫秒运行一次,以便紧急情况下气囊得以及时打开。

然而结合多核处理器,对于那些对运行时间没有很高要求的功能函数来说,动态驱动系统就拥有许多优点。例如它更适合应用于服务为导向的功能函数,可以方便地进行软件升级,为在线优化函数运行顺序提供可能。针对这一系统AUTOSAR提出了一套可变AUTOSAR(Adaptive AUTOSAR)的解决方案。它既可以囊括动态驱动系统的优点,也为传统的AUTOSAR提供了接口。

从图中可以看到,整套架构以Linux为内核的POSIX-OS作为基石,它既可以在多核系统中直接运行也可以在额外的Hypervisor环境中独立运行。来自整车厂和不同供应商的众多软件包分别构成了诊断服务、安全措施、通信服务等功能块,并集成在Adaptive-AUTOSAR工作组中。所有的软件通过Service-Broker互通信息,并为传统的AUTOSAR软件提供接口。Vector公司提出的汽车电子构架图,也将这一理念融合其中。可以说,随着域控制器开始进入车载网络系统,汽车电子系统必将逐步产生由内而外的大变革。


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