基于RCAR H3的智能座艙域控制器設(shè)計(jì)

周羅善,方佳偉

(上汽大眾汽車有限公司,上海 201800)

0 引言

隨著汽車級(jí)芯片的算力不斷提升，域控制器在汽車中的使用正在成為汽車電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)的汽車控制器，域控制器有著力強(qiáng)、資源豐富、功能多樣化等特點(diǎn)。域控制器的提出使得整車系統(tǒng)從分布式架構(gòu)向集中式架構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，解決了分布式架構(gòu)中信號(hào)與信號(hào)之間的頻繁交互、ECU之間信號(hào)同步以及多個(gè)ECU的硬件成本等問(wèn)題。

在汽車行業(yè)電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化的大環(huán)境下，對(duì)于汽車電子電氣系統(tǒng)及控制器提出的要求是高計(jì)算性能、高通信性能、高效的跨域通信、軟件的持續(xù)升級(jí)更新。電器電子架構(gòu)也將從模塊化方法轉(zhuǎn)換到更為集中的方法(圖1)。

圖1 汽車電器電子架構(gòu)的轉(zhuǎn)換

域控制器是高度嵌入式的控制器，軟硬件高度集成，通過(guò)硬件冗余的方式保證了后續(xù)軟件更新?lián)Q代的性能。域控制器的CPU性能十分強(qiáng)大，能夠通過(guò)軟硬件的松耦合保證軟件的持續(xù)集成更新。

域控制器的分類大致可以分為車身控制域、智能座艙域以及自動(dòng)駕駛域。各個(gè)域之間的功能劃分不同也導(dǎo)致所使用的芯片是完全不同的，例如：車身控制域?qū)τ诳煽啃砸约皩?shí)時(shí)性控制高，使用的芯片大多數(shù)為英飛凌系列芯片；智能座艙域?qū)τ趭蕵?lè)系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)的要求高，使用的芯片大多數(shù)為瑞薩RCAR系列芯片；自動(dòng)駕駛域?qū)τ趥鞲衅魅诤弦约叭斯ぶ悄芩惴ǖ募梢蟾?，使用的芯片大多?shù)為英偉達(dá)系列芯片。文中設(shè)計(jì)及研究應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橹悄茏?，所以選擇瑞薩的RCAR H3芯片作為主芯片。

1 智能座艙及RCAR H3芯片資源

智能座艙目前還沒(méi)有明確的定義，但是智能座艙相較于傳統(tǒng)座艙有更豐富的信息、更友好的人機(jī)交互。目前人們對(duì)于座艙的需求主要體現(xiàn)在信息娛樂(lè)、導(dǎo)航、通信、行車參數(shù)、導(dǎo)航等方面。

根據(jù)智能座艙的需求，RCAR H3芯片擁有40000 DMIPS的處理性能。RCAR H3的芯片資源及其功能應(yīng)用概述見(jiàn)表1。

表1 RCAR H3芯片資源及智能座艙域功能應(yīng)用

由表1可知，RCAR H3的外部資源能夠滿足智能座艙的需求，采用RCAR H3作為智能座艙域控制器的主芯片是合理的。

2 域控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)RCAR H3的芯片資源，結(jié)合整車對(duì)于線束、信號(hào)、通信各方面的要求，對(duì)域控制器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 視頻輸出設(shè)計(jì)

智能座艙域中最重要的功能之一是視頻輸出，主要應(yīng)用于汽車導(dǎo)航顯示屏、后座娛樂(lè)系統(tǒng)、汽車駕駛員輔助系統(tǒng)、車載攝像機(jī)系統(tǒng)等。RCAR H3提供了HDMI、RGB以及LVDS 3種類型的視頻輸出外部接口。

HDMI線束根據(jù)接口的不同可以分為A型接口、C型接口以及D型接口。HDMI接口如圖2所示。

圖2 HDMI接口

RGB的外部接口一般使用VGA接口以及DVI接口，如圖3所示。

圖3 RGB外部接口

LVDS的外部接口一般使用30P/40P通用插座或柔性PCB進(jìn)行短距離傳輸，如圖4所示。

圖4 LVDS外部接口

上述3種接口均無(wú)法滿足整車對(duì)于連接器以及線束的基本要求，所以車載視頻傳輸需要采用串行/解串技術(shù)來(lái)解決上述問(wèn)題。目前視頻串行解串技術(shù)的主流方案為TI的FPD-LINK技術(shù)以及Maxim的GMSL技術(shù)，文中設(shè)計(jì)的域控制器采用FPD-LINK的解決方案，選擇的型號(hào)以及功能見(jiàn)表2。

表2 域控制器串行器選型

通過(guò)對(duì)于視頻信號(hào)的串行解串，可以減少外部信號(hào)線的數(shù)量，同時(shí)可以延長(zhǎng)傳輸距離，更加方便整車對(duì)于視頻相關(guān)器件的布置。視頻輸出系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 視頻輸出系統(tǒng)框圖

2.2 視頻輸入設(shè)計(jì)

智能座艙中的視頻輸入功能也十分廣泛，主要應(yīng)用于后視攝像頭(RVC)、環(huán)視系統(tǒng)(SVS)、攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)(CMS)、前視攝像頭(FC)、駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)(DMS)等。RCAR H3使用3路MIPI接口以及兩路數(shù)字輸入接口，其中兩路數(shù)字輸入接口可以直接使用同軸線以及車規(guī)級(jí)線束、接插件完成視頻傳輸任務(wù)。

傳統(tǒng)的MIPI接口使用的外部連接器與圖4相同，無(wú)法滿足車載線束、連接器的要求。所以MIPI接口的使用，同樣選擇FPD-LINK的解決方案，選擇的型號(hào)為DS90UB954，該芯片的功能為外部FPD-LINK信號(hào)解串為MIPI信號(hào)。視頻輸入系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 視頻輸入系統(tǒng)框圖

2.3 車內(nèi)通信設(shè)計(jì)

智能座艙域作為整車重要的一環(huán)，與整車之間的通信是必不可少的。傳統(tǒng)ECU通過(guò)CAN信號(hào)與整車進(jìn)行信息交互的，而域控制器算力強(qiáng)、資源豐富、功能多樣化的特點(diǎn)導(dǎo)致CAN信號(hào)所能傳輸?shù)男畔?shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足域控制器的要求，所以必須采用車載以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

RCAR H3擁有兩路CAN/CANFD資源，一路千兆以太網(wǎng)資源。根據(jù)域控制器的特點(diǎn)，大量娛樂(lè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的傳輸無(wú)法通過(guò)CAN信號(hào)進(jìn)行傳輸，所以CAN資源在智能座艙域控制器中作為被動(dòng)CAN使用，同時(shí)又由于CAN的實(shí)時(shí)性要求較高，所以將CAN設(shè)備的功能一般設(shè)計(jì)在RCAR H3的R核內(nèi)。

根據(jù)圖1的集中式架構(gòu)可知一個(gè)域控制器需要獲取多個(gè)ECU的外部信息，ECU與控制器之間采用星型拓?fù)滏溄樱蚩刂破鞔藭r(shí)充當(dāng)了交換機(jī)的角色，僅一路千兆以太網(wǎng)網(wǎng)卡無(wú)法實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的功能，所以此處需要設(shè)計(jì)增加一個(gè)車載交換機(jī)芯片以滿足上述要求。文中采用Marvell的88Q5050方案來(lái)完成車載交換機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)，88Q5050是一個(gè)通過(guò)AEC-Q100認(rèn)證并擁有總共8路千兆或百兆以太網(wǎng)接口的交換機(jī)芯片。RCAR H3芯片的網(wǎng)卡采用RGMII接口,可以用于千兆網(wǎng)絡(luò)通信，將RCAR H3與88Q5050進(jìn)行結(jié)合，可以完成智能座艙域控制器作為網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)的任務(wù)。車載以太網(wǎng)的系統(tǒng)框圖如圖7所示。

圖7 車載以太網(wǎng)系統(tǒng)框圖

2.4 電源管理設(shè)計(jì)

域控制器的功能強(qiáng)大，其功耗也隨之增大所以必須使用外部低功耗MCU對(duì)域控制器主芯片進(jìn)行電源管理的邏輯設(shè)計(jì)，在整車信號(hào)喚醒之前，智能座艙域控制器不應(yīng)該被喚醒，直到車內(nèi)整車信號(hào)被喚醒之后，低功耗MCU對(duì)智能座艙的電源管理芯片(PMIC進(jìn)行控制)，完成智能座艙域控制器的喚醒及啟動(dòng)工作。電源管理部分的系統(tǒng)框圖如圖8所示。

圖8 電源管理系統(tǒng)框圖

3 域控制器軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

域控制器的軟件設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)ECU要復(fù)雜得多，其軟件架構(gòu)也與傳統(tǒng)ECU之間存在較大差距。文中設(shè)計(jì)的域控制器的軟件架構(gòu)采用Hypervisor技術(shù)，在一個(gè)控制器上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)客戶機(jī)，其中一個(gè)是Android客戶機(jī)，主要完成娛樂(lè)及導(dǎo)航相關(guān)任務(wù)；另一個(gè)是集成了AUTOSAR Adaptive的Linux操作系統(tǒng)，主要完成與整車以及各個(gè)ECU之間安全通信相關(guān)的任務(wù)。域控制器軟件架構(gòu)如圖9所示。

圖9 域控制器軟件架構(gòu)

根據(jù)第2節(jié)中對(duì)智能座艙域系統(tǒng)關(guān)鍵部分，以及車載音頻總線(A2B)的設(shè)計(jì),車載GNSS模組的集成、車載藍(lán)牙/Wi-Fi模組的集成、車載域控制器的外部接口的選型等，完成了基于RCAR H3的智能座艙域控制器的設(shè)計(jì)與制造。同時(shí)，在完成了軟件的設(shè)計(jì)與集成工作之后，該域控制器能夠正常工作并實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航、通信等功能。基于RCAR H3的智能座艙域控制器實(shí)物及實(shí)現(xiàn)如圖10所示。

圖10 智能座艙域控制器實(shí)物及實(shí)現(xiàn)

4 結(jié)論

域控制器的研發(fā)及使用是大勢(shì)所趨，文中根據(jù)智能座艙域的應(yīng)用特征，提出并設(shè)計(jì)了一款基于RCAR H3的智能座艙域控制器并根據(jù)車載控制器的特點(diǎn)及要求做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

在智能座艙域領(lǐng)域中，汽車導(dǎo)航顯示屏、后座娛樂(lè)系統(tǒng)、后視攝像頭(RVC)、環(huán)視系統(tǒng)(SVS)等應(yīng)用是最為重要且基本的，必須對(duì)視頻輸入輸出的系統(tǒng)解決方案做出合理的設(shè)計(jì)以滿足用戶良好的客戶體驗(yàn)。智能座艙域控制器作為整車領(lǐng)域中的一部分，還必須要完成車內(nèi)通信的設(shè)計(jì)，由于域控制器的數(shù)據(jù)量大，所以采用車載以太網(wǎng)進(jìn)行通信，而CAN通信在域控制器中大多設(shè)計(jì)為被動(dòng)CAN。由于采用了功能強(qiáng)大的域控制器，所以其功耗也隨之增大，必須對(duì)域控制器進(jìn)行合理的電源管理才能夠保證整車不會(huì)虧電。

區(qū)別于傳統(tǒng)ECU，域控制器硬件的冗余設(shè)計(jì)也保證了在軟件上能夠設(shè)計(jì)得更為復(fù)雜，特別是對(duì)于Hypervisor的使用，能夠讓域控制器更好地發(fā)揮其性能。