基于異構(gòu)處理器的新能源汽車車載終端的研究與設(shè)計

劉佳，徐洋，戈學(xué)凱

重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院，重慶 400065

0 引言

近年來，汽車電子電氣架構(gòu)的逐步面向標(biāo)準(zhǔn)化、融合化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化等方向發(fā)展。其中，新能源汽車的網(wǎng)聯(lián)化是通過新能源汽車所搭載的車載終端實現(xiàn)的[1-2]。新能源汽車車身數(shù)據(jù)具有體量大和實時性強等特點，使傳統(tǒng)汽車的車載終端設(shè)計思路不適用于新能源汽車。伴隨著新能源技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，新能源汽車面臨新的車身安全問題，例如電池管理系統(tǒng)的安全問題[3-4]。因此，我國制定并發(fā)布了關(guān)于新能源汽車入市的白皮書。根據(jù)白皮書相關(guān)條例，新能源汽車入市必須安裝車載終端，通過車載終端實現(xiàn)新能源汽車整車生命周期的管理和監(jiān)控。因此，針對新能源汽車車載終端的研究是很有必要的。本文提供了一種基于異構(gòu)處理器的方案[5-6]來設(shè)計新能源汽車車載終端。

1 新能源汽車車載終端整體框架

新能源汽車車載終端可以看作是一個多網(wǎng)絡(luò)之間信息交互融合的系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體上可以分為三個部分：應(yīng)用承接層(車載終端)、網(wǎng)絡(luò)傳輸層(無線通信模塊)、應(yīng)用層(監(jiān)控中心/企業(yè)平臺)。具體工作流程如下：車載終端通過控制器局域網(wǎng)總線（controller area network，CAN）實時獲取車身數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對車速、電池電量、電壓、電流、單體溫度等一系列數(shù)據(jù)的監(jiān)測[7-8]。車載終端通過定位模塊實時獲取位置信息。最后，將獲取的數(shù)據(jù)按照傳輸協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式或者私有數(shù)據(jù)幀格式進行加密封包后通過無線通信模塊上傳到遠程服務(wù)器[9-10]。新能源汽車車載終端的作用就是實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交互[11-12]。新能源汽車車載終端系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 新能源汽車車載終端系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 新能源汽車車載終端硬件框架

本設(shè)計采用ST公司異構(gòu)處理器STM32MP157作為核心處理器。該異構(gòu)處理器內(nèi)部集成了Cortex-A7核心和Cortex-M4核心。Cortex-A7核心主頻高達650 MHz，Cortex-M4核心主頻高達209 MHz，內(nèi)部集成了豐富的片上外設(shè)硬件資源。通過ST公司推出的STM32CubeIDE軟件配置工具，可以自由分配不同硬件外設(shè)到不同核心，提高硬件資源分配和設(shè)計的靈活性。在不同的核心上，可以運行不同的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)不同的軟件運行環(huán)境，實現(xiàn)更復(fù)雜的軟件功能。

系統(tǒng)硬件設(shè)計方案采用“核心板+功能底板”的設(shè)計模式，根據(jù)實際設(shè)計需求，分配不同硬件外設(shè)資源到不同核心，將系統(tǒng)硬件設(shè)計分為三個部分，即：微處理器側(cè)(MPU side)、微控制器側(cè)(MCU side)和公共側(cè)(common side)。

微處理器側(cè)作為本設(shè)計中的應(yīng)用核心，主要圍繞異構(gòu)處理器STM32MP157內(nèi)部Cortex-A7核心進行設(shè)計，分配DDR控制器、eMMC控制器、兩路 IIC、兩路USBH和GPIO引腳等硬件外設(shè)資源。DDR控制器外接512MB DDR3內(nèi)存；eMMC 控制器外接8GB eMMC Flash。一路IIC用于控制電源管理芯片，另一路IIC和USBH1外接STUSB 1600芯片構(gòu)成USB OTG電路。USBH2 外接USB Hub芯片F(xiàn)E2.1進行USB接口擴展，其中一路用作MINI PCIe接口[13]，用于外接4G通信模塊和SIM 卡，剩下的預(yù)留4路作為USB擴展接口。GPIO引腳外接按鍵和Led，用作用戶按鍵和指示燈。

微控制器側(cè)作為本設(shè)計中的實時核心，主要圍繞異構(gòu)處理器STM32MP157內(nèi)部Cortex-M4核心進行設(shè)計，分配內(nèi)部外設(shè)RETRAM、SRAM 1/2/3/4和兩路FDCAN。RETRAM用于存放Cortex-M4核心中斷向量表，SRAM 1一般用于存放Cortex-M4固件代碼段，SRAM 2用于存放Cortex-M4固件數(shù)據(jù)段，SRAM 3/4作為共享內(nèi)存使用。兩路FDCAN外接CAN收發(fā)器芯片SN65HV230，采用DB9物理接口方式引出[14]。

公共側(cè)主要圍繞異構(gòu)處理器STM31MP157內(nèi)部Cortex-A7核心和Cortex-M4核心的啟動、調(diào)試、串口終端和核間通信進項設(shè)計，分配啟動BOOT引腳、Debug JTAG引腳、串口UART4引腳、內(nèi)部外設(shè)硬件信號量（hardware semaphore，HSEM）和內(nèi)部外設(shè)核間通信控制器（Inter-processor communication controller，IPCC）。BOOT 0/1/2引腳外接撥碼開關(guān)，用來選擇異構(gòu)處理器STM32MP157的啟動方式。JTAG引腳外接JLINK/SWD卡座，用來在線硬件調(diào)試異構(gòu)處理器STM32MP157。串口引腳用作調(diào)試信息打印和終端功能。內(nèi)部外設(shè)硬件信號量和核間通信控制器用來實現(xiàn)異構(gòu)處理器STM32MP157內(nèi)部不同核心之間的數(shù)據(jù)交換。新能源汽車車載終端系統(tǒng)硬件設(shè)計框如圖2所示。

圖2 新能源汽車車載終端系統(tǒng)硬件設(shè)計框

3 新能源汽車車載終端核間通信軟硬件實現(xiàn)基礎(chǔ)

本章節(jié)主要介紹異構(gòu)處理器STM32MP157內(nèi)部不同核心之間數(shù)據(jù)交互的軟硬件實現(xiàn)基礎(chǔ)，分為硬件部分和軟件部分來介紹。

核間通信硬件部分通過異構(gòu)處理器STM32MP158處理內(nèi)部硬件資源，即通過IPCC、HSEM和共享內(nèi)存協(xié)同完成。其中，PCC提供Cortex-A7核心和Cortex-M4核心之間數(shù)據(jù)傳輸通道，HSEM提供Cortex-A7核心和Cortex-M4核心硬件資源技術(shù)和硬件鎖，共享內(nèi)存用于完成Cortex-A7核心和Cortex-M4核心之間的數(shù)據(jù)交換。

核間通信軟件部分采用OpenAMP開源軟件框架。該框架由RemoteProcess、RPMsg、Virt-IO及Proxy四部分組件組成。該框架將異構(gòu)處理器STM32MP157內(nèi)部不同核心劃分為主核心和從核心，本設(shè)計將車載終端中Cortex-A7作為主核心，Cortex-M4作為從核心。通過在主核心上運行Remote-Process組件，實現(xiàn)對從核心的運行環(huán)境進行生命周期管理，實現(xiàn)啟動、關(guān)閉和加載可執(zhí)行文件到從核心內(nèi)存空間，并完成后續(xù)主從核心之間通信，相關(guān)組件為RP-msg和Virt-IO。RP-msg組件作用于主從核心，是基于Virt-IO組件的進一步抽象，提供核間通信服務(wù)，實現(xiàn)異構(gòu)多核處理器I核間通信的通道。Virt-IO組件作用于主從核心，是對上述IPCC、HSEM和共享內(nèi)存等硬件資源的抽象，作為核間通信的軟件抽象層。Proxy組件在本設(shè)計中并未用到，因此不做介紹。

在調(diào)用RPMsg框架中的相關(guān)API來發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要指定RPMsg端點、發(fā)送的用戶數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的長度以及源地址或者目的地址等，使用起來不是很方便，也不是很靈活，于是基于RPMsg框架，OpenAMP庫提供了虛擬串口的實現(xiàn)方式，即將RPMsg再經(jīng)過一層封裝，最后抽象出虛擬串口。因此，本設(shè)計最終基于虛擬串口來實現(xiàn)異構(gòu)處理器內(nèi)部Cortex-A7核心和Cortex-M4核心的數(shù)據(jù)通信，其核間通信的完整實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 新能源汽車基于虛擬串口實現(xiàn)異核通信

4 新能源汽車車載終端軟件框架

本設(shè)計車載終端軟件部分圍繞微處理器側(cè)和微控制器側(cè)兩部分展開，主要介紹微處理器側(cè)和微控制器側(cè)的軟件流程設(shè)計。

微處理器側(cè)圍繞異構(gòu)處理器STM32MP157內(nèi)部Cortex-A7核心進行軟件流程設(shè)計，在Cortex-A7核心上運行Linux系統(tǒng)，基于Linux系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)編程和應(yīng)用編程[15-16]。網(wǎng)絡(luò)編程部分，本設(shè)計車載終端采用C/S架構(gòu)，即客戶端（client）和服務(wù)器端（server）。本設(shè)計中本系統(tǒng)工作在client模式下，通過創(chuàng)建TCP socket方式，連接上server，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能[17-18]。應(yīng)用編程部分主要分為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)上傳3部分。其中，數(shù)據(jù)獲取部分，通過讀取字符驅(qū)動設(shè)備“ttyRPMSG”來獲取Cortex-M4核心傳輸過來的CAN報文數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理部分，本設(shè)計中設(shè)計了二進制數(shù)據(jù)格式(原數(shù)據(jù)格式)和JSON數(shù)據(jù)格式兩種解析方式實現(xiàn)對CAN報文的解析。數(shù)據(jù)上傳部分通過建立的TCP socket通信，將數(shù)據(jù)上傳到指定服務(wù)器。新能源汽車車載終端微處理器側(cè)軟件設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 新能源汽車車載終端微處理器側(cè)軟件設(shè)計流程

微控制器側(cè)主要圍繞異構(gòu)處理器STM32MP157內(nèi)部Cortex-M4核心進行軟件流程設(shè)計，在Cortex-M4核心上運行裸機程序。本設(shè)計中將其分為4部分：核間通信功能初始化及配置、兩路FDCAN的初始化及配置、核間數(shù)據(jù)通信及兩路FDCAN中斷處理。通過STM32CubeIDE軟件內(nèi)嵌的STM32CubeMX圖形化配置工具，進行核間通信功能初始化及配置，包括公共側(cè)內(nèi)部外設(shè)核間通信控制器在微處理器側(cè)的初始化和配置、軟件通信框架OpenAMP的初始化及虛擬串口的初始化和注冊。新能源汽車車載終端微控制器側(cè)軟件設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 新能源汽車車載終端微控制器側(cè)軟件設(shè)計流程

5 新能源汽車車載終端板卡設(shè)計及測試部分

本設(shè)計新能源汽車車載終端采用Altium Designer軟件進行硬件板卡設(shè)計，分為元器件庫制作、原理圖設(shè)計和PCB設(shè)計。按照文中第2章所提及的“核心板+功能底板”的設(shè)計模式，功能底板采用4層PCB設(shè)計，支持4G/5G網(wǎng)絡(luò)模塊，提供兩路FDCAN接口，預(yù)留4路USB作為擴展接口，增強擴展性，方便后續(xù)升級。功能底板繪制主要分為電源電路設(shè)計、OTG電路設(shè)計、MINI PCIe電路設(shè)計、SIM卡電路設(shè)計、FDCAN電路設(shè)計、USB Hub電路設(shè)計及啟動和調(diào)試接口電路設(shè)計。新能源汽車車載終端功能底板設(shè)計如圖6所示。

圖6 新能源汽車車載終端功能底板設(shè)計

新能源汽車車載終端功能底板焊接元器件后實物布局如圖7所示。

圖7 新能源汽車車載終端實物布局

為驗證本設(shè)計中新能源汽車車載終端的功能及穩(wěn)定性，搭建模擬硬件測試環(huán)境，進行測試與驗證。測試平臺主要由上位機測試軟件、CAN總線診斷工具盒及本文所設(shè)計的新能源汽車車載終端組成，主要分為原始二進制數(shù)據(jù)格式上傳測試和JSON數(shù)據(jù)上傳格式測試。

選取電池管理系統(tǒng)(BMS)控制單元一幀數(shù)據(jù)和電機控制器(VCU)控制單元一幀數(shù)據(jù)進行測試。其中，選取的BMS控制單元數(shù)據(jù)幀和VCU控制單元數(shù)據(jù)幀的各項參數(shù)見1。

表1 模擬測試數(shù)據(jù)幀用例

原始二進制數(shù)據(jù)格式上傳測試：上位機軟件對BMS控制單元數(shù)據(jù)幀和VCU控制單元數(shù)據(jù)幀分別按照各自周期進行1000次發(fā)送測試，即總共發(fā)送2000幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)由4字節(jié)CAN ID和8節(jié)數(shù)據(jù)組成，共24000字節(jié)數(shù)據(jù)。通過對服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)上傳成功率能達到100%，能完整接收到上位機發(fā)送的每一幀測試數(shù)據(jù)。導(dǎo)出服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)時由于測試數(shù)據(jù)太大，只截取導(dǎo)出數(shù)據(jù)開始、中間及結(jié)尾部分作為展示，如圖8所示。

圖8 原始二進制數(shù)據(jù)格式上傳測試結(jié)果

在相同測試環(huán)境下，進行JSON數(shù)據(jù)格式上傳測試：選擇BMS控制單元數(shù)據(jù)幀進行500次模擬測試，模擬測試中，通過車載終端調(diào)試串口打印Cortex-M4核心向Cortex-A7核心發(fā)送數(shù)據(jù)幀次數(shù)，通過自行編寫的服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)，選取所接收 JSON 數(shù)據(jù)最后3次的截圖，結(jié)果如圖9所示。

圖9 采取JSON數(shù)據(jù)格式上傳測試結(jié)果

6 結(jié)論

本文以異構(gòu)處理器STM32MP157為核心，采用“核心板+功能底板”的設(shè)計模式，設(shè)計了一款新能源汽車車載終端。根據(jù)實際開發(fā)需求，將異構(gòu)處理器劃分為微處理器端和微控制器端。針對功能底板進行了硬件設(shè)計，針對核心板進行軟件開發(fā)，并將設(shè)計的新能源汽車車載終端十五搭建硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，進行模擬功能測試。測試結(jié)果表明，本文中設(shè)計的新能源汽車車載終端能夠有效、可靠地將模擬測試數(shù)據(jù)按照指定格式發(fā)送至測試服務(wù)器，完成預(yù)期功能。