區(qū)域架構(gòu)如何為完全由軟件定義的車輛鋪平道路

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本文介紹了向軟件定義車輛的過渡，以及向電動(dòng)/電子 (E/E) 區(qū)域架構(gòu)的遷移如何解決配電、傳感器和傳動(dòng)器以及數(shù)據(jù)通信方面的難題。

1 配電挑戰(zhàn)和解決方案

了解新區(qū)域架構(gòu)對(duì)汽車配電的影響。

2 智能傳感器和傳動(dòng)器的挑戰(zhàn)和解決方案

了解物理和邏輯 IO 功能的分離以及對(duì)傳感器和傳動(dòng)器的影響。

3 數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)和解決方案

了解在保持通信安全的情況下所需的數(shù)據(jù)類型組合及其共存性。

引言

在過去幾十年中，電子產(chǎn)品在汽車系統(tǒng)創(chuàng)新中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。新的半導(dǎo)體器件與新穎的特性相結(jié)合，增強(qiáng)了汽車機(jī)械系統(tǒng)提供的功能。

雖然半導(dǎo)體解決方案和電子產(chǎn)品在汽車電子產(chǎn)品中繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用，但展望未來，汽車創(chuàng)新的更明顯特征將是軟件創(chuàng)新和整合。軟件架構(gòu)的這種變化是通過開發(fā)相關(guān)硬件和半導(dǎo)體解決方案來實(shí)現(xiàn)的。

克服 E/E 架構(gòu)挑戰(zhàn)

當(dāng)今的 E/E 架構(gòu)主要采用域架構(gòu)來組織電子控制單元 (ECU)，并將電纜連接到特定的域（如動(dòng)力總成域）。相比之下，區(qū)域架構(gòu)會(huì)根據(jù)域功能在汽車內(nèi)部的位置或區(qū)域，對(duì)多個(gè)甚至全部域功能進(jìn)行分組。

圖 1 展示了對(duì)車輛功能進(jìn)行分組的域和區(qū)域方法，而圖 2 展示了區(qū)域架構(gòu)的更詳細(xì)視圖，其中包含稱為車輛計(jì)算的中央計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

圖 1. 域架構(gòu)與區(qū)域架構(gòu)。

圖 2. 汽車中的典型區(qū)域架構(gòu)，其中顯示了傳感器、傳動(dòng)器、區(qū)域模塊和中央計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

這種從域架構(gòu)到區(qū)域架構(gòu)的轉(zhuǎn)換將有助于使傳感器和傳動(dòng)器與中央車輛計(jì)算節(jié)點(diǎn)保持獨(dú)立。換言之，硬件和軟件更新周期可以不同，傳感器和傳動(dòng)器設(shè)計(jì)可以用于更多個(gè)車輛設(shè)計(jì)周期。此外，區(qū)域架構(gòu)還將減少 ECU 數(shù)量和電纜長度，從而簡化車輛架構(gòu)和相關(guān)的系統(tǒng)驗(yàn)證工作。

區(qū)域架構(gòu)讓 OEM 有更大控制權(quán)，包括通過無線更新進(jìn)行高級(jí)軟件維護(hù)；固件無線 (FOTA) 更新以及始終開啟的云連接，從而實(shí)現(xiàn)新功能并改進(jìn)自動(dòng)駕駛等功能。這還將使 OEM 能夠遷移到基于服務(wù)的軟件結(jié)構(gòu)，例如將實(shí)時(shí)控制環(huán)路轉(zhuǎn)移到區(qū)域模塊。此外，區(qū)域模塊可實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的配電拓?fù)洌òP(guān)閉未使用模塊的電源），這對(duì)于電池電動(dòng)車輛和混合動(dòng)力電動(dòng)車輛尤其有利。

盡管利用區(qū)域架構(gòu)有可能實(shí)現(xiàn)巨大改進(jìn)，但在配電、傳感器和傳動(dòng)器以及數(shù)據(jù)平面拓?fù)浞矫嫒源嬖谔魬?zhàn)。配電將使用區(qū)域模塊中的智能保險(xiǎn)絲從集中式部署過渡到分散式部署。傳感器和傳動(dòng)器將變得智能。某些功能（包括控制環(huán)路）將移至區(qū)域模塊，以便增加基于服務(wù)的通信，減少基于信號(hào)的通信。最后，數(shù)據(jù)通信將通過速度更高的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，新的物理層 (PHY) 傳輸各種數(shù)據(jù)類型。

配電挑戰(zhàn)和解決方案

蓄電池必須為分布在車輛上的大多數(shù) ECU 供電。在域架構(gòu)中，由熔斷型保險(xiǎn)絲和繼電器組成的配電盒進(jìn)行這種配電，如圖 3 所示。

圖 3. 一個(gè)典型的配電盒，此配電盒具有熔斷型保險(xiǎn)絲和機(jī)械繼電器。

配電盒中的熔斷型保險(xiǎn)絲具有不同的時(shí)間-電流特性 (TCC)，以便支持汽車中不同類型的線束和負(fù)載。該盒位于車輛中一個(gè)可觸及的位置，方便輕松更換保險(xiǎn)絲。

雖然圖 3 顯示配電盒中沒有半導(dǎo)體器件，但 OEM 正在使用半導(dǎo)體器件升級(jí)這些配電盒；繼電器被半導(dǎo)體高側(cè)開關(guān)取代，輸入/輸出控制線路被控制器局域網(wǎng) (CAN) 和本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN) 收發(fā)器等通信接口取代。

使用基于半導(dǎo)體的配電盒的原因有多個(gè)方面：增強(qiáng)診斷、故障保護(hù)、可復(fù)位保險(xiǎn)絲、小尺寸設(shè)計(jì)和減輕線束重量。隨著 OEM 部署區(qū)域架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正在重新思考配電問題，并考慮兩個(gè)額外的注意事項(xiàng)：配電分散化以及用半導(dǎo)體保險(xiǎn)絲代替熔斷型保險(xiǎn)絲。

配電分散化

區(qū)域架構(gòu)使用區(qū)域網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)分發(fā)到區(qū)域中的智能傳感器、傳動(dòng)器和 ECU，并整合數(shù)據(jù)以用于與中央計(jì)算模塊進(jìn)行通信。這些區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)還可以為該區(qū)域中的模塊分配電力。例如，如果將單個(gè)電源線束從電池鋪設(shè)到區(qū)域，則該區(qū)域中的區(qū)域模塊將向該區(qū)域中的模塊分配電力。圖 2 也闡明了這一概念，其中區(qū)域模塊向該區(qū)域中的模塊分配電力。也就是說，區(qū)域模塊包括分配電力所需的相關(guān)保險(xiǎn)絲和繼電器。

與集中式配電所需的線束長度相比，這種配電方法的優(yōu)勢在于，從電池到每個(gè)區(qū)域的電源線束長度會(huì)縮短。這會(huì)直接轉(zhuǎn)化為更低的重量和成本。

分散式配電的挑戰(zhàn)之一是設(shè)計(jì)能在任何區(qū)域工作的配電箱，而不管該區(qū)域的負(fù)載如何，這種配電箱不僅有助于降低設(shè)計(jì)成本，還可以減輕庫存管理。通過使用包括半導(dǎo)體微控制器 (MCU)、高側(cè)開關(guān)和收發(fā)器在內(nèi)的智能配電盒，可以使用軟件來配置硬件以匹配該區(qū)域中的負(fù)載。

用半導(dǎo)體保險(xiǎn)絲替代熔斷型保險(xiǎn)絲

標(biāo)準(zhǔn)熔斷型保險(xiǎn)絲會(huì)在遇到大電流時(shí)熔斷，以此中斷電流流動(dòng)。圖 4 中顯示的 TCC 曲線描述了這種熔斷行為。區(qū)域架構(gòu)如何為完全由軟件定義的車輛鋪平道路 4 October 2024

圖 4. Littlefuse 微保險(xiǎn)絲的 TCC 曲線。

許多因素都會(huì)影響保險(xiǎn)絲特性，例如接觸電阻、空氣溫度和電流瞬變。由于這些因素，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)標(biāo)稱工作電流、工作溫度范圍、浪涌電流和電流瞬態(tài)形狀來降低保險(xiǎn)絲的標(biāo)稱熔點(diǎn) I2t（安培平方秒）額定值。例如，將保險(xiǎn)絲的額定電流降低 25% 可防止保險(xiǎn)絲出現(xiàn)干擾性熔斷。

選擇基于保險(xiǎn)絲的降額電流意味著線束中的電流會(huì)根據(jù)保險(xiǎn)絲的溫度條件而變化。線束設(shè)計(jì)人員可能必須選擇不太理想的線束測量儀表，以便在特定溫度條件下傳遞保險(xiǎn)絲允許的更高電流。

進(jìn)一步優(yōu)化線束的一種方法是使用具有 I2t 特性的半導(dǎo)體高側(cè)開關(guān)集成電路 (IC)。典型的高側(cè)開關(guān)具有過流保護(hù)功能；也就是說，當(dāng)電流超過特定閾值時(shí)，高側(cè)開關(guān)會(huì)鉗制電流或自行打開，從而保護(hù)下游線束和負(fù)載。通過向高側(cè)開關(guān)添加 I2t 特性，開關(guān)會(huì)根據(jù)流經(jīng)的電流（更具體地說是電流的平方）在不同的時(shí)間打開。使用基于 I2t 的半導(dǎo)體高側(cè)開關(guān)可減少保險(xiǎn)絲特性的變化，從而實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的線束測量儀表，這有助于進(jìn)一步減輕線束的重量。

智能傳感器和傳動(dòng)器的挑戰(zhàn)和解決方案

區(qū)域 E/E 架構(gòu)會(huì)顯著影響車輛邊界（即所謂的邊緣）的感應(yīng)和驅(qū)動(dòng)功能。在域架構(gòu)中，通常由靠近傳感器或傳動(dòng)器的專用 ECU 執(zhí)行這些功能。新特性和功能通常會(huì)產(chǎn)生新的 ECU，每個(gè) ECU 都具有專用的電池電源和網(wǎng)絡(luò)線路，從而進(jìn)一步增加線束的復(fù)雜性。通過將多個(gè) ECU 的邏輯輸入/輸出 (I/O) 功能合并到區(qū)域模塊中，并保持傳感器和傳動(dòng)器的位置，引入?yún)^(qū)域模塊可以極大地降低線束的復(fù)雜性。這會(huì)將物理和邏輯 I/O 功能分離開，如圖 5 所示，從而帶來了新的挑戰(zhàn)并需要新的解決方案。

圖 5. 邏輯與物理 I/O 功能的分離有助于從域架構(gòu)過渡到區(qū)域架構(gòu)。

區(qū)域模塊 – 新的微控制器要求

在單個(gè)區(qū)域模塊中集成不同的邏輯 I/O 功能（包括控制環(huán)路），意味著該模塊要滿足每個(gè) I/O 功能的各項(xiàng)要求，從而產(chǎn)生這些針對(duì) MCU 的特定要求：

• 高實(shí)時(shí)性能
• 大量的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
• 通過虛擬化為具有不同汽車安全完整性級(jí)別的功能提供混合重要性支持
• 面向主干的高速通信接口
• 多個(gè)低端通信外設(shè)（例如 CAN FD 或 LIN）實(shí)例，用于連接智能傳感器和執(zhí)行器

為了滿足這一多樣化的要求，MCU 需要支持區(qū)域模塊驅(qū)動(dòng)的要求。同時(shí)，TI 提供具有足夠?qū)崟r(shí)功能的異構(gòu)片上系統(tǒng) (SoC)，例如 DRA821 或 AM2x 嵌入式處理器，此類 SoC 可以在經(jīng)過優(yōu)化的區(qū)域 MCU 推出之前彌合這一差距。

智能傳感器和執(zhí)行器

邏輯和物理 I/O 功能的分離會(huì)影響傳感器和執(zhí)行器。專為調(diào)節(jié)傳感器信號(hào)和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器設(shè)計(jì)的 IC 需要增強(qiáng)局部智能和通信功能。局部智能可保持電路狀態(tài)，并可運(yùn)行后臺(tái)診斷以檢測傳感器或執(zhí)行器故障。集成的通信接口至少包括一個(gè)協(xié)議處理程序（例如 LIN 響應(yīng)器實(shí)現(xiàn)），或者更簡單版本的 CAN FD 數(shù)據(jù)鏈路層，例如 CAN FD Light，它旨在消除邊緣節(jié)點(diǎn)中對(duì) MCU 的需求。此類集成將使智能 IC 能夠自主控制傳感器或執(zhí)行器，并創(chuàng)建一個(gè)成本和尺寸經(jīng)過優(yōu)化的解決方案，該解決方案可集成到傳感器或執(zhí)行器外殼中，如圖 6 (a) 所示。

圖 6. 驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)示例：集成在封閉外殼中的智能驅(qū)動(dòng)器 (a)；用于復(fù)合執(zhí)行器解決方案的小型 ECU (b)；通過區(qū)域模塊控制的簡單執(zhí)行器 (c)。

對(duì)于更復(fù)雜的傳感器（例如雷達(dá)衛(wèi)星）或復(fù)合執(zhí)行器（例如具有各種電機(jī)的座椅控制單元），基于小型 ECU 的經(jīng)典方法可能仍然是極其高效的解決方案（請(qǐng)參閱圖 6 (b)）。此外，區(qū)域模塊的專用信號(hào)線（請(qǐng)參閱 圖 6 (c)）可以直接控制非常簡單的傳感器或執(zhí)行器。

根據(jù)控制和感應(yīng)信號(hào)的數(shù)量、傳感器和執(zhí)行器復(fù)雜性以及安裝限制等方面的因素，設(shè)計(jì)人員可以選擇這些解決方案中的任何一種。此外，CAN 局部聯(lián)網(wǎng)等通信協(xié)議可以通過選擇性地僅在需要時(shí)喚醒 MCU，使其在更長時(shí)間內(nèi)保持低功耗模式，從而減少執(zhí)行器模塊的功耗。

數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)和解決方案

區(qū)域拓?fù)湫枰幼⒅鼐W(wǎng)絡(luò)連接；因此，外設(shè)組件快速互連 (PCIe)、CAN XL 和千兆位以太網(wǎng)等高帶寬接口的發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。正確的物理層 (PHY) 可以滿足帶寬要求。

圖 7 是一個(gè)典型區(qū)域模塊的方框圖，其中包含高速通信鏈路。鑒于不同的吞吐量需求，以及為了向區(qū)域模塊和中央計(jì)算之間的流量組合提供帶寬，千兆位以太網(wǎng)和 PCIe 或 CAN XL 可能至關(guān)重要。在多種情況下，為遠(yuǎn)距離電纜連接部署 PCIe 重定時(shí)器或轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器器件是有利的。CAN XL 能夠與現(xiàn)有 CAN 網(wǎng)絡(luò)兼容，同時(shí)無需更復(fù)雜的組網(wǎng)軟件即可提供高達(dá) 20Mbps 的速度。對(duì)于與傳感器和執(zhí)行器之間的區(qū)域模塊連接，可能需要帶寬要求更低，因此成本更低的總線系統(tǒng)（例如 LIN）。業(yè)界普遍的做法是提供一條具有標(biāo)準(zhǔn)化軟件控制功能的標(biāo)準(zhǔn)化總線，以采用一種完全基于服務(wù)和軟件的方法。

圖 7. 具有通信接口的區(qū)域模塊方框圖。

為了使所有鏈路都適應(yīng)未來需求，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>可保障備用帶寬，尤其是區(qū)域模塊和中央計(jì)算之間的備用帶寬，從而在維護(hù)現(xiàn)有和已驗(yàn)證硬件的同時(shí)實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)。

面向未來還意味著實(shí)現(xiàn)完全自主駕駛（最高 5 級(jí)）；因此，該架構(gòu)包括可用性、彈性和安全標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信彈性和結(jié)構(gòu)冗余的一種方法是通過環(huán)形拓?fù)?/a>，實(shí)現(xiàn)多播協(xié)議和數(shù)據(jù)有效性檢查。

對(duì)于音頻應(yīng)用，許多信息娛樂架構(gòu)已經(jīng)使用音頻視頻橋接 (AVB)，對(duì)于這種情況，時(shí)間同步非常重要（請(qǐng)參閱技術(shù)文章使用時(shí)鐘發(fā)生器優(yōu)化適用于汽車應(yīng)用的 eAVB）。AVB 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)過驗(yàn)證，但在域架構(gòu)中部署時(shí)，它們不受許多并發(fā)問題的影響。隨著向區(qū)域架構(gòu)（該架構(gòu)將所有類型的數(shù)據(jù)流量結(jié)合在一起）轉(zhuǎn)移，較新的 TSN 特性變得越來越重要。

表 1 列出了一些可能與區(qū)域架構(gòu)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的電氣電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE) TSN 標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱白皮書“面向工業(yè)自動(dòng)化的時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)”。

表 1. 適用于汽車實(shí)時(shí)應(yīng)用的一些相關(guān) TSN 標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于音頻用例，延遲目標(biāo)沒有動(dòng)力總成或底盤控制用例那么嚴(yán)格（毫秒與微秒）。但是，即使在通過同一網(wǎng)絡(luò)路由大量元數(shù)據(jù)或配置數(shù)據(jù)流量或大量 ADAS 傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，也不能違反音頻延遲要求 – 不能丟棄數(shù)據(jù)包。這就是仲裁和微調(diào)現(xiàn)有 TSN 參數(shù)非常重要的原因。一個(gè)眾所周知的參數(shù)是時(shí)間感知型整形 (TAS)，它在 TI 的 Processor SDK 中提供，被稱為調(diào)度流量增強(qiáng) (EST) 分流。無論并行傳輸多少其他數(shù)據(jù)（如 ADAS 傳感器數(shù)據(jù)），TAS 都可保障在預(yù)定義的時(shí)間段后傳輸較低帶寬流量。理想情況下，將 TSN 硬件開關(guān)集成在 TI 的處理器（如 DRA821）中，可提供全面的軟件靈活性，同時(shí)硬件加速器可針對(duì)數(shù)據(jù)包處理以及轉(zhuǎn)發(fā)或主動(dòng)丟棄數(shù)據(jù)包提供支持。

通信安全

除延遲和抖動(dòng)等物理網(wǎng)絡(luò)屬性外，區(qū)域架構(gòu)還需要安全的通信路徑。互聯(lián)網(wǎng)上常見的基于以太網(wǎng)的攻擊方法和工具很大程度上同樣適用于道路車輛。當(dāng)汽車網(wǎng)絡(luò)受到安全威脅時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)可信的通信，將 I/O 與計(jì)算分離的整個(gè)概念將不起作用。

出于這些原因，從整體上探討網(wǎng)絡(luò)安全主題非常重要。除了數(shù)據(jù)完整性、真實(shí)性和機(jī)密性這些核心功能外，整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)和生命周期還離不開安全意識(shí)和文化。與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 26262 功能安全標(biāo)準(zhǔn)類似，ISO/汽車工程師協(xié)會(huì) ISO/SAE 21434 是汽車網(wǎng)絡(luò)安全工程的新標(biāo)準(zhǔn)。此外，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)頒布了兩項(xiàng)新條例，規(guī)定如何管理車輛網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)，以及如何檢測和應(yīng)對(duì)車隊(duì)中的安全事件。

不可能簡單地針對(duì)如此多樣的數(shù)據(jù)類型增加安全性；通信效率同樣至關(guān)重要。使用 IPsec 保護(hù)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)包的經(jīng)典方法適用于消耗較少網(wǎng)絡(luò)帶寬的控制和傳感器數(shù)據(jù)。要流式傳輸音頻數(shù)據(jù)或視覺/雷達(dá)傳感器數(shù)據(jù)，需要連續(xù)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)包流，至少要通過身份驗(yàn)證來確保這些數(shù)據(jù)包的安全。但在軟件中執(zhí)行此操作會(huì)導(dǎo)致大量開銷，消耗重要的處理器資源。

克服瓶頸需要新的更低級(jí)別加密和身份驗(yàn)證。MACsec 就是一個(gè)示例，它可以應(yīng)用于以太網(wǎng)協(xié)議的 1 級(jí)或 2 級(jí)，并集成到以太網(wǎng)媒體訪問控制 IP 或以太網(wǎng) PHY 中，以進(jìn)行線速身份驗(yàn)證和/或負(fù)載加密。

結(jié)語

區(qū)域架構(gòu)要求需要新的解決方案來克服配電、傳感器和執(zhí)行器以及數(shù)據(jù)通信方面的挑戰(zhàn)。

區(qū)域架構(gòu)如何為完全由軟件定義的車輛鋪平道路 9 October 2024通過向分散式智能保險(xiǎn)絲過渡、更多地使用智能執(zhí)行器和傳感器，以及支持非常分散的數(shù)據(jù)類型組合的更高帶寬接口，或許能解決區(qū)域架構(gòu)實(shí)現(xiàn)中明顯的設(shè)計(jì)問題。

這些解決方案不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，而是在不斷地發(fā)展演變，并隨著時(shí)間的推移在商機(jī)成熟時(shí)引入變化，盡可能降低因太早推出而被束之高閣的風(fēng)險(xiǎn)。車身域及其許多分布式執(zhí)行器和傳感器 將是最先移至區(qū)域架構(gòu)的一些域。將 ADAS 或動(dòng)力總成和底盤控制轉(zhuǎn)換到區(qū)域架構(gòu)可能尚需時(shí)日。

區(qū)域架構(gòu)的最終目標(biāo)是完全實(shí)現(xiàn)軟件定義的車輛，即，將傳感器、執(zhí)行器、區(qū)域模塊和數(shù)據(jù)鏈路的理想標(biāo)準(zhǔn)化組件組合在一起。考慮到這一目標(biāo)，許多不同領(lǐng)域中的各種創(chuàng)意正在以整體方式進(jìn)行整合，從而在未來幾十年實(shí)現(xiàn)基于軟件的創(chuàng)新。