新型整車(chē)控制器關(guān)鍵技術(shù)分析

于釗韓衍東劉元治胡啟元苗春壯劉興

（1.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司新能源開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春130013；2.汽車(chē)振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130013）

主題詞：整車(chē)控制器(VCU)車(chē)載以太網(wǎng)CANFD雙核心 多核芯片OTA

縮略語(yǔ)

VCU Vehicle Controller Unit

CANFD CAN with Flexible Data rate

OTA Over the Air

1 前言

電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)公認(rèn)的未來(lái)發(fā)展方向。作為電動(dòng)汽車(chē)核心零部件，整車(chē)控制器必須能夠支撐汽車(chē)“四化”。其必須滿足高計(jì)算性能、高通信帶寬、高功能安全性、軟件持續(xù)更新等需求。目前整車(chē)電子電氣架構(gòu)及整車(chē)控制器所搭載技術(shù)普遍無(wú)法滿足以上需求。為覆蓋上述需求，未來(lái)汽車(chē)產(chǎn)品將逐漸采用集中式電子電氣架構(gòu)，同時(shí)整車(chē)控制器必須包含以太網(wǎng)、CANFD、多核芯片、雙核心、OTA等關(guān)鍵技術(shù)。

本文將首先介紹整車(chē)控制器與分布式和集中式2種電子電氣架構(gòu)的關(guān)系，然后分別介紹了新型整車(chē)控制器的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行了分析，提出了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)并進(jìn)行了展望。

2 整車(chē)控制器與電子電氣架構(gòu)

2.1 整車(chē)控制器與分布式電子電氣架構(gòu)

在以往的芯片能力前提下，受到計(jì)算能力及通信能力的限制，整車(chē)控制器無(wú)法集成所有的車(chē)輛控制軟件，即使是新能源部件控制相關(guān)的軟件也無(wú)法全部集成。這決定了整車(chē)控制器只能作為分布式電子電氣架構(gòu)中的一員，但是這種關(guān)系限制了功能變更及擴(kuò)展。

在分布式電子電氣架構(gòu)中，一項(xiàng)整車(chē)層級(jí)的功能由多個(gè)控制器配合完成[1]。某項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)可能需要幾個(gè)或十幾個(gè)控制器相互配合，并且這些控制器可能分布在整車(chē)不同的網(wǎng)絡(luò)中(圖1)。整個(gè)交互過(guò)程與時(shí)間配合異常復(fù)雜。整車(chē)普遍有100余個(gè)控制器，幾百項(xiàng)整車(chē)級(jí)功能，功能與控制器本身的物理連接交織成一個(gè)巨大而復(fù)雜的網(wǎng)，非常不利于模塊化設(shè)計(jì)與擴(kuò)展。在這種情況下，增加一個(gè)新功能，需要在上述的復(fù)雜功能網(wǎng)絡(luò)上考慮各部分相關(guān)性，并對(duì)大量的控制器軟件進(jìn)行修改及測(cè)試。

圖1 整車(chē)控制器在分布式電子電氣架構(gòu)中的位置

2.2 整車(chē)控制器與集中式電子電氣架構(gòu)

隨著芯片及車(chē)載以太網(wǎng)的發(fā)展，整車(chē)控制器已經(jīng)具備集成大部分車(chē)輛控制軟件的能力。分布式電子電氣架構(gòu)正在逐漸向高度集成化和智能化發(fā)展[2]，整車(chē)控制器在電子電氣架構(gòu)中的位置也隨之發(fā)生變化，真正實(shí)現(xiàn)車(chē)輛層級(jí)的集成型控制器，其控制涵蓋動(dòng)力、底盤(pán)以及一些網(wǎng)關(guān)功能。整車(chē)控制器與集中式電子電氣架構(gòu)的關(guān)系如圖2所示。將大部分的功能集成于整車(chē)控制器中會(huì)極大地減少整車(chē)線束長(zhǎng)度與控制器數(shù)量。

圖2 整車(chē)控制器在集中式電子電氣架構(gòu)中的位置

3 新型整車(chē)控制器關(guān)鍵技術(shù)

為支撐汽車(chē)“四化”，整車(chē)控制器必須滿足高通信帶寬、高計(jì)算性能、高功能安全性、軟件持續(xù)更新等多項(xiàng)需求。其中，高通信帶寬催生了車(chē)載以太網(wǎng)、CANFD技術(shù)發(fā)展；高計(jì)算性能催生了多核芯片和雙核心控制架構(gòu)技術(shù)發(fā)展；軟件持續(xù)更新催生了OTA技術(shù)發(fā)展。這些技術(shù)將被普遍應(yīng)用在新型整車(chē)控制器上。下面將分別介紹這些技術(shù)。

3.1 車(chē)載以太網(wǎng)

在過(guò)去20年里通信帶寬問(wèn)題一直困擾著汽車(chē)行業(yè)。在這期間，CAN總線是主流的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其1 Mbit/s的標(biāo)稱(chēng)速度在該技術(shù)早期對(duì)于汽車(chē)帶寬需求有足夠的裕度。然而近年來(lái)隨著車(chē)輛控制邏輯越來(lái)越復(fù)雜，所需控制器和傳感器數(shù)量急劇增加，雖然集中式電子電氣架構(gòu)可以在一定程度上減少控制器數(shù)量，但是由于域控制器的計(jì)算能力遠(yuǎn)高于原有車(chē)輛控制器，因此1 Mbit/s的CAN通信帶寬顯然是無(wú)法滿足數(shù)據(jù)交互需求的[3]。

更高的通信帶寬要求加速了以太網(wǎng)和汽車(chē)行業(yè)的融合。以太網(wǎng)誕生于20世紀(jì)70年代，其最早的雛形與如今家庭、辦公、服務(wù)器機(jī)房、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行的以太網(wǎng)早已截然不同。盡管以太網(wǎng)與時(shí)俱進(jìn)地發(fā)展，但是應(yīng)用于汽車(chē)仍有一些問(wèn)題，最主要的是電磁兼容性問(wèn)題。這些限制在BroadR-Reach技術(shù)出現(xiàn)后被打破，該技術(shù)可在單對(duì)非屏蔽雙絞線上提供100 Mbit/s的帶寬。這種傳輸方法從未應(yīng)用在之前的以太網(wǎng)。即便物理層變化，這種技術(shù)仍能夠在高層實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的無(wú)縫結(jié)合且運(yùn)行方式不變。目前，該技術(shù)已經(jīng)用于量產(chǎn)車(chē)型。同時(shí)，支持更快速度的RTPGE技術(shù)正在研發(fā)中，在保留軟件兼容性的同時(shí)，其帶寬有望提升到1 Gbit/s[4]。

盡管通信帶寬有著明顯的優(yōu)勢(shì)，但受制于成本及功耗因素，車(chē)載以太網(wǎng)主要應(yīng)用于骨干網(wǎng)絡(luò)。用于整車(chē)控制器與其他域控制器的通信，如圖3。而對(duì)于域內(nèi)的智能執(zhí)行器和傳感器，使用其他低成本解決方案，如CANFD、CAN、LIN。

圖3 整車(chē)控制器使用以太網(wǎng)與其他域控制器通信

當(dāng)然，在整車(chē)控制器上增加車(chē)載以太網(wǎng)面臨著巨大的改變：相對(duì)于CAN通信更龐大的軟件協(xié)議棧；更大的控制器功耗；更大的靜態(tài)電流，這些都需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)被考慮。

3.2 CANFD

考慮到成本及功耗，整車(chē)上只有骨干網(wǎng)使用高通信帶寬的以太網(wǎng)通信。但是對(duì)于其他子網(wǎng)，標(biāo)稱(chēng)1 Mbit/s的CAN通信也迫切的需要提升通信速度。目前成熟的CANFD技術(shù)是一個(gè)好的解決方案。

CANFD總線是CAN總線的高帶寬解決方案[5]，博世公司于2011年首先提出CANFD概念，并于2012年首先發(fā)布CANFD1.0版本。在保留CAN總線主要特性的同時(shí)，改善了錯(cuò)誤幀漏檢率，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)中大部分軟硬件特別是物理層不變。將總線的最高傳輸速率提高到5 Mbit/s以上（CAN通信的最高傳輸速率為1 Mbit/s,實(shí)際使用速率最高為500 kbit/s）。

更重要的是，CANFD數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最長(zhǎng)64字節(jié)，這使得CANFD的數(shù)據(jù)場(chǎng)占比達(dá)到近85%。CAN的數(shù)據(jù)場(chǎng)占比只有約50%。這意味著即使同樣的通信帶寬，CANFD可以多傳輸約70%的有效數(shù)據(jù)。CANFD幀格式如圖4所示。

圖4 CANFD幀格式

更為關(guān)鍵的是，由于CANFD保留了CAN的大部分關(guān)鍵特性，所有的CANFD芯片都能夠兼容CAN。這使得選擇CANFD芯片的控制器在不改變硬件的情況下，只修改軟件即可適配CAN通信網(wǎng)絡(luò)。CANFD技術(shù)有多重優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，車(chē)載以太網(wǎng)與CANFD將會(huì)長(zhǎng)期共存，各司其職，共同發(fā)展。

3.3 多核芯片

同傳統(tǒng)消費(fèi)電子領(lǐng)域早期一樣，為了獲得更快的處理速度，汽車(chē)行業(yè)采用提升核心頻率的方式來(lái)提升處理速度。但為了兼顧穩(wěn)定性，核心頻率提升遇到瓶頸，未來(lái)小幅的提升核心頻率已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的軟件執(zhí)行速度需求。這種情況下，汽車(chē)行業(yè)選擇了與消費(fèi)電子一樣的技術(shù)路線，采用多核芯片。

多核芯片大幅提升了芯片的運(yùn)算能力。這是一種并行的方法。所以在應(yīng)用中想獲得同樣的效果，需要在軟件設(shè)計(jì)時(shí)合理地將各部分軟件分配到各個(gè)核心中。原則是盡量讓所有軟件并行。多核芯片的算力與同頻率單核芯片的算力加速比可以使用Amdahl定律來(lái)評(píng)估。公式如式（1）：

其中，S為多核芯片的算力與同頻率單核芯片的算力加速比；a為并行計(jì)算部分所占的比例；n為核心數(shù)量。

如圖5，當(dāng)并行程序?yàn)?5%時(shí)，加速比的極限性能為4.0。在10核以?xún)?nèi)增加核心數(shù)都可以大幅提升運(yùn)算性能。前期可以通過(guò)此方式對(duì)系統(tǒng)運(yùn)算能力和分配要求做大略的評(píng)估，尋找一個(gè)最佳投入產(chǎn)出點(diǎn)。同時(shí)這個(gè)公式還指出，對(duì)于一個(gè)核心數(shù)量固定的多核系統(tǒng)，增加程序并行性是提升系統(tǒng)運(yùn)算性能的有效措施。

圖5 并行程序占75%時(shí)，加速比S與核心數(shù)量n之間的關(guān)系

3.4 雙核心控制架構(gòu)

在過(guò)去的幾十年里，汽車(chē)電子行業(yè)一直采用微控制器（MCU）搭建各種類(lèi)型的車(chē)載控制系統(tǒng)。盡管不同廠家的微控制器性能各異，但他們都有一些通用的特點(diǎn)：集成度高、價(jià)格低廉、高可靠性、核心頻率低、程序是預(yù)先裝載的以及不允許用戶(hù)安裝軟件。軟件定義汽車(chē)的出現(xiàn)，要求整車(chē)控制器具備高計(jì)算性能、程序可更新、客戶(hù)可安裝軟件等特性，在整車(chē)控制器上微控制器便不能再獨(dú)自勝任。

目前主流的解決方案是引入微處理器（MPU）作為微控制器的補(bǔ)充。組成雙核心高性能整車(chē)控制器。這些微處理器與智能手機(jī)或PC中使用的微處理器非常相似，具有強(qiáng)大的計(jì)算及數(shù)據(jù)處理能力和高核心頻率。但其并不像微控制器具有種類(lèi)繁多的外設(shè)，甚至連程序運(yùn)行所必須的RAM、ROM都不包含，所以硬件設(shè)計(jì)時(shí)必要的外設(shè)需要被重新考慮。

整車(chē)控制器中同時(shí)包含了微處理器與微控制器（圖6）。由于這是2個(gè)獨(dú)立的軟件系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)一些共同的功能，核間通信必不可少。核間通信有大量數(shù)據(jù)量傳輸，對(duì)通信帶寬要求較高，且通信方式必須同時(shí)被微控制器和微處理器所支持。滿足上述特點(diǎn)的以太網(wǎng)是一個(gè)優(yōu)質(zhì)選擇。

圖6 微控制器（MCU）與微處理器（MPU）集成度差別

雙核心控制架構(gòu)還有一種形式，高集成度的SOC（System on Chip）芯片同時(shí)集成微控制器和微處理器。盡管物理上統(tǒng)一，但這仍然是2個(gè)獨(dú)立的軟件系統(tǒng)，需要相互配合去實(shí)現(xiàn)一些共同的功能。

在雙核心架構(gòu)的整車(chē)控制器中，微控制器和微處理器采用不同的操作系統(tǒng)。CLASSIC AUTOSAR依然是微控制器最好的操作系統(tǒng)解決方案。而對(duì)于微處理器，操作系統(tǒng)選擇空間很大，主要包括Linux、QNX、VxWorks、PikeOS。雖 然AUTOSAR推 出 了ADAP?TIVE AUTOSAR，但嚴(yán)格來(lái)講，這并不是一個(gè)完整的操作系統(tǒng)。ADAPIVE AUTOSAR無(wú)法獨(dú)立運(yùn)行，它運(yùn)行于POSIX標(biāo)準(zhǔn)接口之上。而POSIX接口還需要上述提到的Linux、QNX、VxWorks、PikeOS等操作系統(tǒng)來(lái)提供。同CLASSIC AUTOSAR相比，ADAPTIVE AU?TOSAR的模塊數(shù)量不足前者15%。從目前情況看，若想達(dá)到CLASSIC AUTOSAR在汽車(chē)行業(yè)的普及率，ADAPTIVE AUTOSAR依然有很多路要走。

3.5 OTA

在過(guò)去的幾十年里，汽車(chē)電子產(chǎn)品所有的軟件都是預(yù)先裝載的。車(chē)輛交付給客戶(hù)后，沒(méi)有不可接受的軟件問(wèn)題，一般不會(huì)對(duì)車(chē)輛軟件進(jìn)行更新；一旦發(fā)現(xiàn)軟件問(wèn)題，要進(jìn)行車(chē)輛召回。統(tǒng)一由售后服務(wù)人員逐一為有問(wèn)題的車(chē)輛升級(jí)軟件。對(duì)售后部門(mén)來(lái)說(shuō)，這是一筆非常龐大的開(kāi)銷(xiāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)2015年美國(guó)汽車(chē)召回達(dá)到8 400萬(wàn)量，其中6.4%的召回與軟件有關(guān)。而空中升級(jí)技術(shù)（Over-the-Air Technology，OTA）可以解決上述問(wèn)題。

OTA技術(shù)，最早用于手機(jī)端，用戶(hù)可以通過(guò)云端下載和更新軟件。帶有OTA的汽車(chē)也同樣可以通過(guò)云端遠(yuǎn)程進(jìn)行車(chē)輛系統(tǒng)和功能的升級(jí)更新。特斯拉首先將OTA技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)上。

OTA技術(shù)需要云端和車(chē)內(nèi)端系統(tǒng)同時(shí)部署，OTA架構(gòu)如圖7。主要介紹整車(chē)控制器支撐OTA需要實(shí)現(xiàn)哪些功能。在經(jīng)過(guò)授權(quán)情況下，軟件從云端經(jīng)OTA Client進(jìn)入車(chē)內(nèi)端。經(jīng)過(guò)防火墻，分發(fā)到需要升級(jí)的控制器。

圖7 OTA系統(tǒng)方案

OTA是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，為了避免出現(xiàn)問(wèn)題，下述問(wèn)題在整車(chē)控制器設(shè)計(jì)時(shí)必須被考慮。

（1）需要支持程序回滾，在OTA升級(jí)失敗或新程序運(yùn)行不穩(wěn)定的情況下，使程序回滾到穩(wěn)定運(yùn)行版本；

（2）需要考慮信息安全，通過(guò)通信加密、軟件包驗(yàn)簽等方式保證軟件信息安全；

（3）需要對(duì)車(chē)輛配置進(jìn)行識(shí)別并對(duì)OTA能否開(kāi)始條件進(jìn)行判斷；

（4）需要考慮軟件OTA升級(jí)通信速率問(wèn)題，避免出現(xiàn)由于升級(jí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響用戶(hù)用車(chē)的情況。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為支撐汽車(chē)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化，作為電動(dòng)汽車(chē)核心零部件的整車(chē)控制器必須具備高計(jì)算性能、高通信帶寬、高功能安全性、軟件持續(xù)更新的特點(diǎn)。本文首先介紹了在這些新特點(diǎn)下整車(chē)控制器與電子電氣架構(gòu)之間的關(guān)系。然后，結(jié)合相關(guān)成熟技術(shù)，闡述新型整車(chē)控制器將配備車(chē)載以太網(wǎng)、CANFD、多核芯片、雙核心控制和OTA關(guān)鍵技術(shù)。最后，對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行了介紹，分析了在整車(chē)控制器上應(yīng)用涉及的相關(guān)特性。其中很多特性并不局限于整車(chē)控制器，對(duì)其他控制器也有借鑒意義。