整車新電控系統(tǒng)和架構(gòu)核心設(shè)計(jì)方法

對(duì)PCB設(shè)計(jì)者來說，創(chuàng)建原理圖符號(hào)庫和PCB封裝庫是十分基礎(chǔ)卻又非常重要的工作。只有確保原理圖符號(hào)庫和PCB封裝庫準(zhǔn)確無誤，才能保證PCB設(shè)計(jì)工作得以順利開展。本書系統(tǒng)介紹了原理圖符號(hào)與PCB封裝建庫方法和技巧，主要內(nèi)容包括封裝庫基礎(chǔ)知識(shí)、元器件數(shù)據(jù)手冊(cè)封裝參數(shù)分析、PCB封裝建庫工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、原理圖符號(hào)與PCB封裝建庫審查案例、多平臺(tái)原理圖符號(hào)庫與PCB封裝庫設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)文件與封裝庫在多平臺(tái)間的轉(zhuǎn)換、PCB 3D封裝庫的應(yīng)用、PCB封裝的命名。

1、設(shè)計(jì)方法

1.1新電控系統(tǒng)和架構(gòu)核心設(shè)計(jì)方法

舊的電控系統(tǒng)架構(gòu)基于分布式和集成式設(shè)計(jì)方法， 其中每個(gè)電控系統(tǒng)都基于AUTOSAR軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)， 對(duì)應(yīng)的用戶功能基本都在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)完成。而當(dāng)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(shè)計(jì)方法

分布式和集成式設(shè)計(jì)方法的架構(gòu)方案大致拓?fù)淙鐖D1所示。這是一種基本上可以不依賴其他系統(tǒng)， 就可以實(shí)現(xiàn)功能需求的設(shè)計(jì)方法。車載電子控制單元(Electronic Control Unit， ECU)都是一個(gè)相對(duì)獨(dú)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(gè)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(shè)計(jì)方法

域控制架構(gòu)拓?fù)淙鐖D2所示， 主要內(nèi)容如下:

①功能分解:實(shí)現(xiàn)功能邏輯與實(shí)際的物理硬線信號(hào)剝離， 并把功能邏輯集中到一個(gè)域控制器實(shí)現(xiàn)。

②接口標(biāo)準(zhǔn)化:域控制器與區(qū)域控制器信號(hào)接口和區(qū)域控制器與所有物理信號(hào)輸入輸出設(shè)備接口。

③區(qū)域劃分:整理出所有輸入輸出設(shè)備， 并按位置區(qū)域進(jìn)行分配， 接入?yún)^(qū)域控制器管理。

1.1.3SOA設(shè)計(jì)方法

SOA是面向?qū)ο蟮姆?wù)架構(gòu)， 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(guān)功能應(yīng)用(Applica-tion， APP)， 大大提升用戶服務(wù)價(jià)值， 而這些應(yīng)用就是基于SOA思想設(shè)計(jì)的。這些APP就建立在域控制設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)之上。由于SOA思想剛剛導(dǎo)入車載系統(tǒng)， 以及當(dāng)前系統(tǒng)和架構(gòu)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(gòu)設(shè)計(jì)

基于對(duì)分布和集成式、域控制和SOA設(shè)計(jì)方法的研究， 以及對(duì)當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)和軟件定義汽車需求的分析， 我們歸納出當(dāng)前車端及關(guān)聯(lián)系統(tǒng)大致組成元素及層次關(guān)系， 如圖3所示。

可以看出未來車載電控架構(gòu)的主要ECU節(jié)點(diǎn)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(dāng)前零部件供應(yīng)商發(fā)展現(xiàn)狀， 一些獨(dú)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(huì)存在。未來的架構(gòu)之所以呈現(xiàn)出這種形態(tài)， 是因?yàn)槲覀儼凑沼蚩刂圃O(shè)計(jì)方法把整車的需求進(jìn)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(luò)拓?fù)渚褪怯蛇@三種模塊構(gòu)成。下面我們對(duì)這三個(gè)模塊的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1車載域控制器或服務(wù)器的特點(diǎn)

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

①強(qiáng)大的計(jì)算能力， 用來完成純功能邏輯處理。

②強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)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(jí)(Automotive Safety Integ-rityLevel， ASIL)的A到D所有功能安全等級(jí)的要求。

④快速啟動(dòng)和響應(yīng)的能力。

⑤系統(tǒng)功耗與散熱的平衡性。

⑥系統(tǒng)硬件平臺(tái)方案的伸縮性， 如計(jì)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(tái)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(luò)物理接口， 盡量提升模塊的通用率。

當(dāng)前域控制器發(fā)展具體的特征如下:

①由于芯片計(jì)算能力不足， 當(dāng)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(guān)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(luò)(Controller Area Network with Flexible Data-Rate， CAN-FD)通信一定存在， 用于實(shí)時(shí)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(tái)當(dāng)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(huì)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(biāo)準(zhǔn)化， 所以智駕域最終的網(wǎng)絡(luò)形式還未確定。

⑥域控制器的軟硬件平臺(tái)目前已經(jīng)統(tǒng)一， 通過同系列不同型號(hào)統(tǒng)一硬件平臺(tái)， 通過Hypervisor和Adapter Autosar等實(shí)現(xiàn)應(yīng)用APP的平臺(tái)化。

2.2車載區(qū)域控制器特點(diǎn)

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(shí)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(guān)鍵性能指標(biāo)如下:

①處理純功能邏輯少， 以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和微處理器為特點(diǎn)的平臺(tái)， 主要完成一些實(shí)時(shí)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(luò)連接能力。

③滿足ASIL從A到D所有等級(jí)功能安全的要求。

④啟動(dòng)和響應(yīng)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(tái)方案的伸縮性， 如計(jì)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(tái)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(dāng)前區(qū)域控制器發(fā)展特征如下:

①功能執(zhí)行要求實(shí)時(shí)性較強(qiáng)， 硬件一般以MCU(視頻需求除外)為主。

②區(qū)域控制器當(dāng)前無引入以太網(wǎng)的需求， 隨著智駕方案確認(rèn)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(guān)， 但是對(duì)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(tái)可以統(tǒng)一， 對(duì)比之前設(shè)計(jì)復(fù)雜度會(huì)降低， 重點(diǎn)在于整車廠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

2.3輸入傳感器和輸出執(zhí)行器特點(diǎn)

隨著智駕技術(shù)的發(fā)展， 各種各樣的傳感器和執(zhí)行器被應(yīng)用到車輛。目前有多家供應(yīng)商提供相關(guān)產(chǎn)品， 每家的思路不盡相同， 導(dǎo)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(shè)計(jì)和引導(dǎo)， 并在機(jī)械結(jié)構(gòu)?分類方法?信號(hào)接口等幾個(gè)方面對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范。

輸入傳感器的形狀?結(jié)構(gòu)和接口在未來會(huì)進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化， 便于零件的通用化， 特別是對(duì)于大的整車廠更需如此。

輸入傳感器分類標(biāo)準(zhǔn)化， 如開關(guān)?視頻?超聲波雷達(dá)和加速度傳感器等， 并且要對(duì)電氣接口或通信協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

輸入傳感器與上層區(qū)域控制器接口實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。開關(guān)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(dá)和攝像頭等。

3、域控制設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)過程

原來整車系統(tǒng)及架構(gòu)都是功能需求分析后， 大多直接把功能塊分配給ECU， 再進(jìn)行相關(guān)方案設(shè)計(jì)。而新一代的電子架構(gòu)的系統(tǒng)更加復(fù)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(gè)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(chǔ)上進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化所有的輸入輸出物理信號(hào)

根據(jù)功能定義和輸入輸出設(shè)備特性， 定義和設(shè)計(jì)所有輸入輸出物理信號(hào)， 包括信號(hào)名稱和信號(hào)狀態(tài)定義等。如圖4所示， 以中控門鎖的模塊設(shè)計(jì)為例， 對(duì)輸入輸出信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行說明。

3.3驅(qū)動(dòng)層邏輯塊定義

驅(qū)動(dòng)層是直接接收和控制輸入輸出的物理信號(hào)的邏輯設(shè)計(jì)， 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(gè)類似設(shè)備服務(wù)層(圖6)， 提供一個(gè)唯一可調(diào)用所有輸入輸出設(shè)備提供服務(wù)的接口， 用來調(diào)度設(shè)備服務(wù)和監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)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(dú)立性高?與外部輸入輸出接口信號(hào)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(shè)計(jì)。

3.5子系統(tǒng)(區(qū)域控制器)設(shè)計(jì)

根據(jù)車身結(jié)構(gòu)?線束布局和裝配工藝等特點(diǎn)， 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(duì)應(yīng)區(qū)域中， 計(jì)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(shè)計(jì)出子系統(tǒng)的數(shù)量， 接口需求少的可以進(jìn)行區(qū)域集成， 兩個(gè)區(qū)域的信號(hào)合成一個(gè)子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)都有一個(gè)主控ECU模塊(區(qū)域控制器)。

相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)層邏輯塊屬于區(qū)域控制器執(zhí)行的內(nèi)部， 再系統(tǒng)評(píng)估出MCU性能是否滿足所有功能實(shí)時(shí)性要求。同時(shí)ECU基于域控制設(shè)計(jì)思想， 對(duì)應(yīng)的AUTOSAR軟件架構(gòu)需要做出相應(yīng)變更， 如圖8和圖9所示。

主要差異點(diǎn)如下：

①可以發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)用功能的上移， 軟件架構(gòu)的運(yùn)行環(huán)境(Run–Time Environment， RTE)和APP層會(huì)最終消失。

②由于域控制診斷方法， 系統(tǒng)服務(wù)層需要進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。

③由于區(qū)域控制器的網(wǎng)絡(luò)連接和通信能力要求高， 并涉及相關(guān)的輸入輸出設(shè)備狀態(tài)和接收指令， 所以通信層需要做出設(shè)計(jì)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(tái)化后， 軟件穩(wěn)定性和效率大大提升。

3.6域控制器設(shè)計(jì)

純功能邏輯塊大多都?xì)w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(guān)。但是完整的功能實(shí)現(xiàn)， 與每個(gè)設(shè)備同步性和實(shí)時(shí)性相關(guān)， 而實(shí)時(shí)性主要由以下幾個(gè)參數(shù)決定:

①功能總的時(shí)間=信號(hào)采集時(shí)間+信號(hào)傳遞時(shí)間+邏輯處理時(shí)間+執(zhí)行器硬件執(zhí)行時(shí)間。

②信號(hào)采集時(shí)間和硬件執(zhí)行時(shí)間:在器件選型后基本已經(jīng)確定， 當(dāng)然也可以改進(jìn)。

③信號(hào)傳遞時(shí)間:通信方式和中轉(zhuǎn)過程等。

④邏輯處理時(shí)間:本身邏輯復(fù)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(shí)時(shí)性高的功能時(shí)， 一定要考慮應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)長， 不能存在功能失效的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。

域控制器的軟件架構(gòu)分為MPU和MCU兩部分， 這里主要說明MCU部分。當(dāng)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(shí)時(shí)性高的功能都在MCU上實(shí)現(xiàn)， 具體的軟件架構(gòu)如圖10所示。

域控制器MCU主要差異點(diǎn)如下:

①除模塊本地系統(tǒng)服務(wù)外， 增加了域內(nèi)設(shè)備服務(wù)和調(diào)度層， 為上層應(yīng)用提供調(diào)用接口， 而不是通過RTE來實(shí)現(xiàn)， 包括接收MPU請(qǐng)求和反饋設(shè)備狀態(tài)等。

②系統(tǒng)服務(wù)層提供的診斷服務(wù)， 涉及整個(gè)域內(nèi)設(shè)備， 并整合系統(tǒng)功能故障等。

③當(dāng)前整車通用純邏輯功能絕大多數(shù)在MCU的APP層

MPU上實(shí)現(xiàn)一些計(jì)算能力要求高的功能， 如導(dǎo)航?音樂?視頻和智駕等， 通過MCU和MPU間通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能， 但是目前軟件架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化還處于初步階段， 需要一定周期。

4、域控制設(shè)計(jì)方法優(yōu)點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)

域控制設(shè)計(jì)方法讓車輛與外界實(shí)現(xiàn)很好的互聯(lián)?互通和應(yīng)用的協(xié)同性， 真正打通了物聯(lián)網(wǎng)與車端的應(yīng)用， 做到了完美連接， 同時(shí)帶來以下價(jià)值。

4.1域控制設(shè)計(jì)方法優(yōu)點(diǎn)

4.1.1電控系統(tǒng)軟件和硬件平臺(tái)化

域控制設(shè)計(jì)方法最終實(shí)現(xiàn)整車所有域控制器和區(qū)域控制器模塊平臺(tái)化。多個(gè)硬件和軟件都集中在同一個(gè)平臺(tái)， 大大提升硬件和軟件的復(fù)用率， 后期效率呈倍數(shù)級(jí)提升。后續(xù)硬件可直接拔插升級(jí)， 軟件空中升級(jí)也相當(dāng)方便。

4.1.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)化和負(fù)載率降低

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)化和負(fù)載率降低， 域控制設(shè)計(jì)方法可以大大降低總線的信號(hào)數(shù)量， 以及更加清晰地設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4.1.3降本減重的需求

首先實(shí)現(xiàn)零部件的平臺(tái)化， 未來裝車量的增加， 零部件本身成本會(huì)有大幅下降? 其次， 由于設(shè)計(jì)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(huì)減少， 成本也將降低。

4.1.4軟件定義汽車最好平臺(tái)

軟件定義汽車實(shí)現(xiàn)離不開整車電子電器提供的服務(wù)， 而域控制設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)軟硬件分離， 并充分挖掘出每個(gè)輸入輸出能提供的服務(wù)， 便于上層APP設(shè)計(jì)出更能給用戶帶來價(jià)值的功能。

4.2域控制設(shè)計(jì)方法風(fēng)險(xiǎn)

目前新架構(gòu)還處于逐步成熟的過程中， 也有一些不確定因素， 主要風(fēng)險(xiǎn)如下:

①整車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力不足， 需要一批對(duì)零部件設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)化程度。

②由于零部件供應(yīng)商對(duì)整車廠需求并不是很清楚， 只是推出相關(guān)硬件和軟件平臺(tái)， 對(duì)于實(shí)際應(yīng)該具有的功能并不明確， 所以難以確定最終的成本和價(jià)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(guān)， NXP?英飛凌和瑞薩等廠商對(duì)于此設(shè)計(jì)處于剛剛定型狀態(tài)。

④域控制器的軟件成熟度和標(biāo)準(zhǔn)化都不完善。雖說有和ETAS等專業(yè)軟件設(shè)計(jì)供應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(hào)接口(Low-Voltage Differential Signaling， LVDS)等。

⑥對(duì)于車載以太網(wǎng)的應(yīng)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(guān)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(shí)時(shí)性和安全性能否真正滿足車載的應(yīng)用還在進(jìn)一步研究。

⑦面臨信息安全問題， 方案成熟度有待驗(yàn)證。

⑧目前真正成熟的能夠提供用戶價(jià)值的APP很少， 需求還在挖掘中， 造成具體收益未知。

5、結(jié)論

盡管目前有很多關(guān)于SOA的討論， 但服務(wù)需要有一個(gè)良好的平臺(tái)， 且SOME/IP (Scalableservice-Oriented Middle-war EoverIP)當(dāng)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(shè)計(jì)方法， 目的是打造全新的整車電控系統(tǒng)和架構(gòu)， 并為域控制器上實(shí)現(xiàn)SOA設(shè)計(jì)思想提供一個(gè)開發(fā)性的軟硬件平臺(tái)。當(dāng)然， 這也是技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益結(jié)合的產(chǎn)物。

未來整車電控系統(tǒng)的發(fā)展方向會(huì)類似于通用功能的合并取消， 很多通用功能也會(huì)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(huì)被設(shè)計(jì)出來以提升用戶體驗(yàn)， 從而提升整車價(jià)值。整車電控系統(tǒng)及架構(gòu)則需要為實(shí)現(xiàn)這些功能提供完善的硬件和軟件平臺(tái)。

當(dāng)前系統(tǒng)架構(gòu)軟件和硬件標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)還不成熟， 對(duì)我國來說正好是個(gè)機(jī)會(huì)， 可以依托強(qiáng)大國內(nèi)市場， 快速研究相關(guān)軟件和硬件技術(shù)， 并引入到國際標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)， 占領(lǐng)技術(shù)制高點(diǎn)。

審核編輯：劉清