摘要：隨著汽車各項功能和性能要求的提升，汽車分布式電氣架構已不能適應市場需求，汽車正在從電子控制單元（ECU）分布式電氣架構向域集中式電氣架構轉變。文章對當前的車身域控制器設計方案進行研究總結，結合當前的市場需求，分析采用域控制器方案的諸多優點。并設計了一種車身域控制器，基于實車功能需求進行了車身域控制器的方案設計，通過臺架以及搭載實車進行功能測試，驗證了方案的可行性，為該方案的量產奠定基礎。
在汽車智能化、網聯化、軟件定義汽車的發展趨勢下，分布式電氣架構日益暴露諸多問題。目前車上載有大量以線束連接的電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU），不同功能分布在不同ECU中，而汽車電子軟件爆炸式增長，大量新功能要求多ECU協同實現，ECU之間進行通信的線束復雜度、通信負荷、維修難度都在成倍增長。在此背景下，如何保證功能正常實現、數據及時響應以及網絡安全成為焦點[1]。
為解決分布式電氣架構的問題，人們開始逐漸把很多功能相近或關聯程度較高的上下游ECU集成整合到高算力的多核中央計算平臺中，即汽車域控制器。域控制器的出現標志著汽車電氣架構從分布式到域集中式轉變。人們一般將域控制器分為五域：座艙域、動力域、車身域、底盤域和自動駕駛域。
域控制器主要由處理器、操作系統和應用軟件三部分組成，集成分布式電氣架構的ECU核心功能，處理域內部的功能邏輯和信號路由，并提供標準化接口用于數據交互。一方面提高系統功能集成度；另一方面降低了車載控制器的開發和制造成本[2]。
1 域控制器集成化架構的優點
采用域控制器，具有很多優點，本文針對汽車域控制器的優勢展開論述。
1.1 輕量化
對于分布式電氣架構，各ECU集成一個或多個功能，各ECU相互獨立，并通過線束連接。當汽車有新增新功能需求時，有時需增加新ECU和對應線束，如此往復，汽車的ECU數量急速增加，通過不斷增加ECU數量為汽車增加新功能的方法已經達到了極限。復雜的ECU帶來不只是是龐雜的邏輯控制，還帶來錯綜交互的線束設計和控制器設計，現代汽車的線束和控制器已成為汽車中僅次于發動機的第二重的部件，對于汽車的輕量化要求非常不利。而域控制器的出現，則滿足了汽車集成化的發展需要，大大簡化了汽車電子結構，優化整車電子電器線路設計，降低了汽車電子部件和線束重量，有利于汽車的輕量化設計，提高汽車行駛效率[3]。
1.2 高速數據處理
現代汽車具備環境感知能力，為此需接受和及時處理來自各傳感器、外界其他車輛或基礎設施的大量數據，且為保證行車安全，車載控制器必須能夠以實時或非常接近實時的速度進行處理這類數據。而分布式架構中，數據需要在不同ECU間進行反復通信和運算，數據延遲性高，運算效率低，無法滿足車輛行駛過程中的安全性要求。而域控制器具備高性能的計算能力和高帶寬的網絡通信，可以對大量數據實時處理并及時傳遞處理結果。
1.3 復雜軟件算法集成化
隨著汽車對娛樂、網聯、安全等復雜功能需求的快速增加，軟件水平愈發成為智能汽車的核心競爭力，在未來，智能汽車的軟件代碼量將達到3億至5億行。汽車軟件的代碼量正在成指數級別的增加，由于軟件算法不斷累加，未來汽車必須擁有更高的運算與邏輯處理能力，為了實現這些目標，需要更高的計算能力、嵌入式內存容量和連接帶寬，而只有使用域控制器才能滿足所需的硬件要求[4]。
1.4 迭代化
空中下載技術（Over The Air Technology, OTA）是對汽車軟硬件功能的一種遠程升級技術，隨著汽車的智能化發展，用戶希望汽車能夠擁有像智能手機、平板一樣具備升級能力，而非整個使用周期中功能和特性基本保持不變。對于分布式架構設計的傳統汽車，其所有功能都必須在車輛量產前設計和實現，無法滿足用戶對汽車功能快速更新的需求。而域控制器算力可進行擴展，軟硬件分離使得汽車的軟件功能獨立于硬件，在不增加額外ECU的前提下，僅通過OTA對軟件算法更新即可實現汽車功能發展升級，大大提高了系統功能的可擴展性和更新的便捷性，使得用戶體驗不斷迭代升級的功能。
1.5 生產成本
對于分布式架構的傳統汽車，一旦涉及新功能的增加，所增加的專用微控制單元（Micro Controller Unit, MCU）、存儲器、電源、印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）和其他電子元件將大大增加生產制造的成本。而對于集成化的域控制器，進行功能迭代的成本會小得多，且隨著技術進步和域控制器的大規模量產，車載系統級芯片（System On Chip, SOC）的價格持續下降，越來越接近傳統MCU的價格，汽車的生產成本將會進一步降低。
2 車身域控制器的設計
2.1 方案需求分析
車身控制系統包括車身域控制器、智能鑰匙、射頻接收器、胎壓傳感器、天線等部件。
天線由車身域控制器進行驅動，發送低頻信號給鑰匙，鑰匙發送高頻信號給射頻接收器。
射頻接收器主要接收鑰匙或胎壓傳感器高頻信號，和車身域控制器之間通過控制器局域網（Controller Area Network, CAN）進行通信。
車身域控制器作為車身控制系統的中心模塊，主要負責智能進入、智能啟動、門鎖控制、胎壓監測、內部燈光、外部燈光、電源管理、雨刮噴水、后風窗加熱、加油/充電口蓋、遠程控制等功能，具體系統框圖如圖1所示。
圖1 系統框圖
本文根據以上功能實現作為方案需求，編制車身域控制器設計任務書，并輸出功能設計文檔，基于任務書、功能設計文檔等進行車身域控制器的硬件和軟件設計。
2.2 硬件選型與設計
2.2.1硬件選型
首先進行硬件選型，根據輸入/輸出（I/O）資源需求、軟件內存需求、外設資源需求選用恩智浦的S32K芯片作為主芯片。綜合考慮功能需求、性能要求、開關采集、驅動、芯片手冊、尺寸、成本、電性能、電磁兼容（Electro Magnetic Compa- tibility, EMC）要求等，依次選取電源芯片、開關采集芯片、橋驅芯片、高低驅芯片、射頻驅動芯片等硬件資源。
2.2.2硬件設計
基于硬件選型進行硬件方案設計，根據功能設計各引腳電路，某電源采集電路的硬件原理如圖2所示。
圖2 電源采集電路
結合各模塊的硬件原理圖進行PCB板設計，最終輸出的車身域控制器系統電氣原理如圖3所示（部分）。
圖3 車身域控制器系統原理圖（部分）
2.3 軟件設計
根據功能需求、硬件方案、通信規范與矩陣、診斷規范等輸入文件進行軟件設計。首先進行軟件架構設計，軟件架構采用汽車開放系統架構（Automotive Open System Architecture, AUTO- SAR），包括引導加載程序（Bootloader）、應用層軟件（App）、實時環境（Run Time Environment, RTE）、底層驅動抽象（ECU abstraction）、服務層（Service）和微控制器抽象層（Micro Controller Abstraction Layer, MCAL）模塊，軟件總體架構如圖4所示。
圖4 軟件總體架構
應用軟件采用AUTOSAR架構，架構設計使用EAS工具。軟件架構如圖5所示。
圖5 應用軟件架構
基礎軟件層（Basic Soft Ware, BSW）采用AUTOSAR架構，配置工具使用EAS。軟件架構如圖6所示。
圖6 BSW軟件架構
對應模塊完成后，進行底層軟件配置，確定軟件接口、參數，建立各功能模塊的App應用模型，部分模型如圖7所示。
圖7 應用層功能模塊
最后，對軟件進行系統集成、刷寫，并開展測試工作。
3 車身域控制器的測試驗證
3.1 臺架驗證
按照臺架測試用例，進行臺架功能、網絡、診斷、刷寫測試，最終通過測試并出具測試報告，部分測試報告內容如圖8所示。
3.2 實車驗證
按照測試用例，進行實車功能測試。將設計的車身域控制器搭載到某量產車型上（圖8），基于原車環境進行實車功能驗證，共測試用例820條，最終通過820條，設計功能全部實現。
圖8 實車測試
表1 系統測試報告
4 結論
本文對目前流行的車身域控制器設計方案進行總結歸納，分析了相對于分布式架構，采用域控方案帶來的諸多優點，并基于新架構設計了一種車身域控制器方案，基于某量產車實車需求，按照項目實際開發流程，經過硬件設計、軟件設計，生產出滿足需求的車身域控制器樣件，并經過臺架和實車測試，驗證了方案可行性，為方案的最終量產奠定基礎。
參考文獻
[1] 劉佳熙,丁鋒.面向未來汽車電子電氣架構的域控制器平臺[J].中國集成電路,2019,28(9):82-87.
[2] 黎偉,俞曉勇,匡小軍.淺析汽車電子架構發展與典型域控制器[J].時代汽車,2021(16):163-164.
[3] 衛強,黃貫軍,呂自國,等.域控制器發展對線束設計的影響[J].汽車電器,2022(8):49-50.
[4] 賈文偉,徐匡一.基于S32G芯片的域控制器生產相關方案設計[J].汽車科技,2022(4):8-16.
轉自智能汽車設計
