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域架构及其下的软硬件

 ZHAOHUI 2023-09-23
一、域控架构的划分

在汽车电子电气架构正处于域集中式往中央集成式不断进化的当下,域控制器的发展可谓如火如荼,当前该产品的发展路线已分化出两个方向:功能域及空间域。

1)功能域:是以博世等传统Tier1为代表的根据整车功能的不同将其分为五大功能域:动力域:负责整车动力及安全性;底盘域:负责整车运动平衡;信息娱乐域:负责座舱娱乐系统及人机交互;自动驾驶域:负责整车的辅助驾驶及更高阶的自动驾驶功能;车身域:负责整车车身电子的控制以提供车内人员足够的舒适性。

当前技术状态之下,域之间主要通过以太网为主干网络进行相互之间的信息交互,域内则通过CAN等通信方式进行数据交互。此种技术路线目前多应用于传统主机厂的诸多车型之中。

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1 按功能划分的域集中架构

2)跨域(域融合):为了进一步提升系统的集成度,同时降低零部件的数量及总成本,在新势力及部分主机厂中又对传统的域集中架构进行了发展,其主要做法是将两个或者多个功能域合并为一个跨域控制器(Cross-Domain ControlUnit, CDCU),例如将动力域、底盘域、车身域合并为车辆控制域,或者将动力域与底盘域合并为动力底盘域。这在整体的架构上相对于集成度低的'五域’又进了一步,但由于该架构仍然是按照功能进行划分的,因此在归类上依旧属于'功能域’类别。

如上所述,由于跨域架构之下有传统域控制器被集成,因此该架构下的硬件主要有:跨域控制器(CDCU)、域控制器(DCU)、中央网关等。但不同的主机厂根据自身的方案,又对中央网关采取了保留与被集成的技术路线,因此跨域架构则又演变出了两种连接方式:

  • 基于中央网关采用多总线的跨域集中式架构;

基于中央网关采用以太网、CAN等混合通信方式进行连接的网络架构,如下图:

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2基于中央网关的跨域集中式架构
  • 基于骨干网的跨域集中式架构;

  • 取消了中央网关,同时采用如以太网这类高速网络为主干网,子网络则采用CAN/CANFD等总线技术为辅的网络架构,如下图:

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3 基于骨干网的跨域集中式架构

通过上述架构的介绍其实已经很明显的可以看出与传统的域集中架构相比,跨域集中式架构在系统上的变化主要是跨域控制器这个产品上。由于跨域控制器集成了多个域控制器的功能,因此跨域控制器需要承担更多、更复杂的功能需求,因此该产品在设计时需要具备更高算力的芯片作为基础,同时跨域控制器与其它域控制器的通信需求也更高,因此需要配备更高带宽的车载网络接口。

3)空间域:以特斯拉为代表的根据车辆特定的物理区域进行功能集成部署的区域架构,该划分方式以中央计算为整车控制的核心,辅以区域控制的方式实现对整车的掌控。在电子电气上可以说基于空间域的架构已经迈入了中央集成的阶段,这相较于纯粹的以功能为导向的域/跨域集中架构具有更高的集成度,这对于开发商而言,需要具备有更高的开发能力。
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4 基于物理空间划分的空间域架构

该架构之下,整车的大部分功能、控制逻辑主要集中于中央控制器上,因此对中央控制器的芯片算力及通信要求又要较之跨域控制器更高。而对于区域控制器来说,它吸收物理区域中的所有输入输出接口,并使用高速以太网连接,通过虚拟化接入方式,将物理的位置抽象成服务。

随着中央集成架构的发展,传统ECU的功能将逐渐被集成入中央控制器,而区域控制器则通过连接执行器、传感器等部件,实现直接的驱动控制,该控制器将不再关注控制逻辑而只需要关注驱动和诊断功能即可。

二、域架构下的软/硬件

通常情况下,域控制器的软件共分为四层:操作系统、基础平台、原子服务(应用)和应用组合,其架构如下图所示。

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5 域控制器软件架构

而域架构下的不同域控制器根据实际功能需求,在控制器的硬件上也具有一定的差别,介绍如下:

1)车辆控制域

集成了传统域控的动力、底盘、车身控制等功能,其硬件架构参考如下。

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5 车辆域控制器硬件架构

2)智能驾驶域

由于智能驾驶领域所涉及到的感知、判断、决策内容在复杂度、控制精度、信息交互等方面的要求较之整车的其他系统要更高,因此智能驾驶域控制器配置了集成度更高、算力性能更强的计算平台。

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6 智能驾驶域控制器功能需求
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7 智能驾驶计算平台硬件架构

3)智能座舱域

智能座舱域集成了如DICHUDIVI等功能,该技术通过多屏融合技术为用户带来更智能和可靠的人机交互体验。由于智能座舱域所需处理的数据量庞大,因此该控制器硬件平台与智能驾驶域类似也采用了高算力、高速率的硬件架构。

其内部芯片由主控制器芯片SoCMCU、存储、DSPI/O、以太网口等组成。主控芯片通过UART/SPI接口与MCU相连,通过RGMII与以太网口相连,通过I2CI2SDSP相连。外部通过以太网接口与DVRDMSAR-HUD等相连,通过Fakra 接口与摄像头、流媒体后视镜等相连,通过HFMHSD 接口连接包括仪表、HUDACD在内的诸多显示设备。

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8 智能座舱系统架构

对于几类典型域控制器的相关技术可整理如下表:

1 典型域控制器技术要求
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由于智能座舱域控制器、智能驾驶域控制器等产品需要处理视频、图像等海量数据,因此该类产品的处理芯片需要综合考虑芯片架构和芯片算力,这对于整车相关系统的响应速度、启动时间、连接流畅性等具有重要影响。

当前如座舱域、自动驾驶域所使用的高性能SoC芯片与传统的以CPU为主的MCU芯片已经不同了,SoC集成了CPUAI芯片(GPUFPGAASIC)、深度学习加速单元(NPU)等多个模块,其算力和集成度相较于MCU都要更高,这对于有着大量数据处理需求的领域有着绝对的优势。而随着智驾等级的提升以及座舱功能的增加,SoC也正从多核往多核异构方向发展,其目的仅有一个,那便是更高的算力、更强的性能。

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9 SoC发展路径

4)中央控制器(中央计算单元)

采用异构多核SoC,具备两种类型架构形式:硬件隔离式和软件虚拟式,其架构如下图:

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10 中央计算平台软硬件架构

硬件隔离式:在统一的计算平台上采用虚拟化方案,同时运行多个操作系统,但各个系统依然在硬件上进行隔离,每个系统都有自己的专属硬件资源。

软件虚拟式:在统一的计算平台上采用虚拟化方案,同时运行多个操作系统,每个操作系统所使用的硬件资源,由Hypervisor层动态调配,每个系统并没有专属的硬件资源。

两种方式都采用了虚拟化方案,其最大的好处是在硬件上具有很好的拓展性,唯一不同点在于硬件资源是否专属。如此之下,在中央计算单元中,只需要两个操作系统即可,一个是用于自动驾驶、车辆控制等功能的RTOS,另一个是用于座舱的普通OS(如AndroidLinux)。其中用于座舱的OS 可通过虚拟机的方式运行,而用于自动驾驶等功能的RTOS,可直接运行在Hypervisor层。

5)区域控制器(ZCUZonal Controller Unit

提供丰富的外部接口以及合适的计算能力,通过配置实时域硬件以完成区域(Zone)的连接功能,同时提供车辆所需的传感器和执行器的原子化服务。在当下,区域控制器所承担的是一个区域中心的角色,具体包括:

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11区域控制器三类功能

区域I/O中心:为传感器、执行器提供接口,实现I/O控制与信号采集;

区域供电中心:为区域内用电设备供电,并提供设备用电智能化管理;

区域数据中心:传感器/执行器抽象和原子化服务封装,实现服务与信号映射。

其硬件架构可参考下图:

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12 ZCU硬件架构

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