汽车电子拓扑架构的演进过程我是穿拖鞋的汉子，魔都中坚持长期主义的汽车电子工程师（Wechat：gongkenan2013）。 老规矩，分享一段喜欢的文字，避免自己成为高知识低文化的工程师：“  本文大体如下：1、基于CAN总线的分布式控制架构2、分布到集中的动力系统及基于域控制器的架构 一、基于 CAN 总线的分布式控制架构汽车早期是典型的机械产品,在电子技术兴起之后,经历了广泛的“电子 - 机械”替代阶段,其典型特征是机电技术的深度结合-一电子技术扮演了传感和控制的角色,机械技术扮演了力的传导、执行和能量转换角色，机电系统深度耦合一这个特征在汽车底盘和动力系统中尤为突出。因此在汽车电子发展初期，为了更高效地产出质量稳定的产品整车厂更多地选择将相关的“结构模块"和“电子模块"定给同一供应商开发，因为同一供应商对功能的集成方式较为精通。为了能用最小成本服务不同的车型，总成供应商会将其系统打包成"平台"提供给甲方。模块化阶段的特点是每一个功能都需要单独的、专用的控制器来实现。由于基于机械结构部件和总成在车内空间上的分布性,汽车电子也自然而然地形成了分布式架构，其互联主要基于CAN总线。传统的EEA是基于CAN总线面向机电控制系统设计的，而且针对底盘、动力和车身形成了不同的子网，其间用网关进行互联，网关作为信息传输中心，可以实现多个不同集群之间的通信并提供诊断应用，如图所示： 分布式架构发展了数十年，诞生出很多典型平台，如大众的MOB平台、通用的Global系列平台，也孵化了一系列出色的汽车电子供应商技术体系，如博世、大陆、德尔福、电装等，成为汽车行业生态的重要组成部分。分布式的整车EEA单元可分类如下：1)电子单元:众多分散的传感、运算和控制单元，以半导体技术为主导；2)电气单元:发动机、电机、电磁阀等，以电磁技术为主导；3)执行机构:机械、液压、气门机构等，以机械液压技术为主导。分布式架构在传统燃油车时代尚可满足需求，但在车辆电动化、智能化背景下暴露出如下短板:1)硬件方面电动汽车控制器模块化度提高，而分布式控制中车辆增加一项功能都需要增加一个控制器，各ECU 算力及硬件模块存在巨大浪费；2)软件方面:每个控制器来源于不同的供应商，ECU 软件开发环境不一致，导致集成和维护困难，而且很难实现真正的远程升级；3)通信方面:软件、硬件及通信要素高度合,在实际开发过程中发现,当有一个信号变更时与之相关联的多个控制器都需要做适应性变更，使得整车开发周期更长:通信速率慢，不满足智能化大量信息通信的需求。二、分布到集中的动力系统及基于域控制器的架构分布式向集中式演进的动因既有来自汽车电子的基因,也有来自互联网的基因，前者表现为技术改良的需求，后者表现为面向智能化的颠覆性需求。(1)汽车电子渐进改良的需求从技术需求来看，随着车辆的电子化程度逐渐提高，ECU 越来越多，从防抱死制动系统、四轮驱动系统、电控自动变速器、主动悬架系统、安全气囊系统，逐渐延伸到了车身安全、网络、娱乐、传感控制系统等。各级别汽车ECU数量都在逐年递增，一些高端车型已突破百个。如果继续使用分布式架构,则会产生更多ECU 和更多线束,难以在车辆上布置,且 ECU的算力不能协同、相互冗余，从而造成硬件资源的大量浪费。如果大量堆积低算力芯片，由于集成度低，印制电路板(PCB)以及域控制器会难以布置，功耗和成本也会很高。(2)智能化颠覆性革命的需求高级驾驶辅助系统(Advanced Driving Assistance System），ADAS 和自动驾驶是近年来发展最快的应用，包括诸如停车辅助、车道偏离预警、夜视辅助、自适应巡航、碰撞避免、盲点侦测、驾驶员疲劳探测等功能。ADAS 中有各种传感器，如摄像头、毫米波雷达和激光雷达产生像素和点云级的数据,数据产生和数据处理相互连接的对象间需要传输的数据量大幅增加，因此，车辆的 EEA 单元必须进化，以大幅度提升实时获取环境信息并同时处理这些数据的能力。(3)整车企业增加掌控力的需求从整车厂的角度，所谓分布式EEA，可以理解为汽车电气系统的软硬件资源和能力是分散在不同的供应商手中，ECU 的软硬件开发全部由供应商完成，整车厂主要负责提出设计需求和测试验证。分布式 EEA 导致的 ECU 软硬件资源和能力的浪费是显而易见的，不同的供应商负责不同的ECU 开发，整车数十个ECU分别负责实现特定的软硬件功能，然后通过硬线信号或者网络信号进行交互，这种信息交互方式也被称为面向信号的通信。传统汽车时代，整车企业的主要能力体现在整车产品的定义、制造和销售，但在智能电动汽车时代，电控和软件成为其核心竞争力，不可能任由供应商独立完成。从技术供应来看，随着微电子技术的巨大进步，大型的、高算力的、制程小的、集成化程度高的处理芯片能够较好地解决集中算力和集中存储问题,为集中化奠定了物质基础而车载以太网技术的发展，也为集中处理提供了高带宽通道。此外，汽车动力系统也在这个过程中开始了电动化转型，电动化之后的动力系统更加紧凑，集中在电机和电池系统中其集成性和可控性大大增加。当然，受限于研发周期、项目资源、技术发展(芯片算力、操作系统、软件架构等)供应商能力以及整车厂能力等众多因素，由分布式EEA走向集中式EEA 必然是一个渐进的过程。目前，大部分整车厂量产车型的EEA处于分布式EEA阶段，因为无论是物理集成还是功能集成，都仅仅是在局部功能实现上减少ECU的数量，实现功能所需的软硬件资源还是以ECU 为核心进行设计的。分布式与集中式控制的本质区别在于分布式阶段的整车功能是围绕一个个ECU 作为主体进行设计的，而集中式阶段则需要根据子系统甚至整车的软硬件资源所具备的能力，对功能实现进行分层设计。T综上所述，以上两种方法各有利弊，方法选择的偏好还取决于汽车制造商应对的细分市场的策略，但面向大规模生产的电动化和智能化乘用车无疑更倾向于集中式策略，集中控制的核心思想是不同的层面具备不同的能力，其主要目的是实现软硬件资源的解耦，从而使软件迭代和硬件分离。未来车辆必将面向高级别的自动驾驶和车路一体系统演进，高级别的自动驾驶带来车内信息处理集中化的需求，而车路一体带来车云数据和算力交互的需求，因此必然推动进步集中化的趋势。在此背景下，汽车行业等提出“域控制器"的概念，对ECU框架进行优化。其根据汽车电子部件功能将整车划分为车辆控制域、智能座舱域和智能驾驶域等几个域，通过系统和软件层面的集成，把原有的硬件配置局限打破，域控制器成为一个领域内的主要计算和调度单位。典型的智能电动汽车集中式汽车电子拓扑架构示例如图所示： 车辆不再是信息孤岛，车云互联已是目前技术的重点发展领域。根据智能网联汽车的功能需求，拓展型域控制器架构分为"云-管-端"一体化设计，顶层为云端层，中间层为计算层，底层为传感器与执行器层。在这种架构中，根据智能网联车辆行驶过程中的数据需求通过底层传感器层进行数据收集，在中间层进行数据处理与分析，最终反馈到云端。云端服务器根据需要外理的信息，为不同车辆设备提供活的集群外理，符合未来智能需求，拓展型域控制器架构分为“云-管-端”一体化设计，顶层为云端层，中间层为计算层，底层为传感器与执行器层。在这种架构中，根据智能网联车辆行驶过程中的数据需求通过底层传感器层进行数据收集，在中间层进行数据处理与分析，最终反馈到云端。云端服务器根据需要处理的信息，为不同车辆设备提供灵活的集群处理，符合未来智能网联汽车的功能需求。比如通过云计算，可以通过远程服务器来实时预估电动汽车电池的安全状态和健康状态，从而提高整车安全性。功能域集中式设计的主要优势如下:1）将整车层级软件集中于域控制器，减少了协调控制各部件所需要的总线信号通信,有利于跨功能域协调控制的实现，避免了跨域功能大幅增加可能带来的系统复杂度失控。2）城控制电子电气架构主要能实现面向服务的体系架(SOA)，从而实现了区别于分布式架构的基于信号的驱动，这种面向服务的架构使得整车层级软件协调控制各部件实现用户易感知的车辆层功能。该部分软件更新和升级需求较多，集中在域控制器中有利于软件升级管理，特别是实现远程升级。此外，域控制器内可预留计算、存储和通信资源用于在车辆批产后通过软件增加车辆功能。3)通过高度嵌人式控制器接口的标准化，将其抽象为标准化传感器或执行器，有利于高集成度嵌人式控制器在车型谱系间的整体重用。域控制器和标准化传感、执行器控制器的组合实现了更好的硬件抽象，有利于变形管理和部件复用，通过降低变形开发费用和提高部件安装率来降低成本。当前汽车市场在用的车载电子电气架构主要以多域控制器为主，主流主机厂一般主要采用以多域控制器及"中央集中 + 区域控制器"相结合的电子电气架构，将车辆分为不同的子模块即不同的域，比如动力总成域、底盘域、车身域、娱乐媒体域等，不同的域对域内的 ECU 进行整合，域内的ECU 通过共享总线系统进行通信，中央网关用于连接不同的域，实现不同域之间的信息交互和数据通信。目前典型EEA架构是三城架构，三域是指车辆控制域、智能驾驶域和智能座舱域(分布式网络 +域控制器)。华为、大众、宝马、丰田等各公司虽然对各域的称呼不同，但从其功能划分来看均采用了这一架构，图1所示为华为的三域架构。 车辆控制域( Vehicle Domain Controller，VDC)负责整车控制，实时性安全性要求高基本将原动力域、底盘域和车身域等传统车辆域进行了整合(整合更多是系统层面的概念并不一定是硬件层面合并，因此并不一定是该域中原有的某ECU 被删除了)。智能驾驶域控制器(ADAS/AD Domain Controller，ADC)负责自动驾驶感知、规划、决策等相关功能的实现。智能座舱城控制器(Cockpit Domain Controller，CDC)负责人机交(HM)和智能座舱相关(甚至整会T-BOX功能的实现城控制器 EEA 的骨于网采用车载以太网实现。VDC 需要更多的算力，因此除了提供MCU 外，往往还有一个多核 ARM 内核作为微处理器单元(MPU)。大众MEB E3架构中车辆控制域(ICAS1)与智能座域控制器(ICAS3）的连接示意图如图所示：  搁笔分享完毕！愿你我相信时间的力量做一个长期主义者！
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