特種車輛跨域集中式中央計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

韓 洋， 孫 燦， 劉兆丹

（北京汽車研究總院有限公司， 北京 101300）

當(dāng)今社會(huì)，隨著車輛智能化技術(shù)的不斷革新，跨域集中式中央計(jì)算系統(tǒng)的研究和開發(fā)已經(jīng)成為一個(gè)新的探討話題。這種系統(tǒng)以控制中心為核心，通過(guò)各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)整個(gè)車身域內(nèi)各種系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)車輛的智能化掌控。隨著智能交通的發(fā)展和推廣，跨域集中式中央計(jì)算系統(tǒng)將會(huì)成為載人車輛的主流控制方式，對(duì)提高行駛安全性和行車舒適度以及節(jié)約能源等方面都具有重要意義。

1 跨域集中式中央計(jì)算系統(tǒng)總體規(guī)劃

特種車輛由于需要執(zhí)行各種不同的任務(wù)，使用場(chǎng)景復(fù)雜。本系統(tǒng)基于全新的CAN+以太網(wǎng)的混合網(wǎng)電氣架構(gòu)，采用跨域集中式中央計(jì)算單元系統(tǒng)，對(duì)車輛電子元件進(jìn)行一體化操作控制，包含燈光、車窗、座椅、雨刷、車窗、遙控駕駛、懸架調(diào)節(jié)、輪胎自動(dòng)充放氣等裝置的控制，同時(shí)包含CAN總線、TSN以太網(wǎng)接口等多種網(wǎng)絡(luò)通信接口[1]。本系統(tǒng)由于集成了多個(gè)控制器的功能，減少整車控制器的數(shù)量，提高可靠性，并且支持高實(shí)時(shí)性以太網(wǎng)接入，大大提高數(shù)據(jù)交互的效率以及相應(yīng)速度。

2 跨域集中式中央計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

中央計(jì)算系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)車身控制、懸架調(diào)節(jié)、自動(dòng)充放氣、遙控駕駛的相關(guān)功能信息采集、計(jì)算、控制以及驅(qū)動(dòng)；采用CAN總線、以太網(wǎng)等多種手段進(jìn)行信息的收集、控制指令的發(fā)送。整體硬件連接架構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件架構(gòu)圖

2.1.2 系統(tǒng)核心元器件設(shè)計(jì)

主控芯片作為系統(tǒng)的核心，需要具備強(qiáng)大的處理能力，以確保對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的高效監(jiān)控和控制。本系統(tǒng)將TC377作為集成電路主芯片，提供高性能的處理能力、豐富的內(nèi)存資源。采用CAN收發(fā)器TJA1041、TJA1145實(shí)現(xiàn)CAN以及CAN-FD總線通信，采用TJA1101百兆以太網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)TSN以太網(wǎng)通信，具備CAN+以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互能力。28路數(shù)模采集接口，52路高功率輸出接口，20路低功率輸出接口，具備豐富的信息采集能力以及強(qiáng)大的對(duì)外驅(qū)動(dòng)能力。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

由于中央計(jì)算系統(tǒng)需要對(duì)不同的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控和控制，因此需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互[2]。本系統(tǒng)利用CAN、CANFD以及TSN以太網(wǎng)接口等多種方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性。同時(shí)，還需要對(duì)各網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理地規(guī)劃和優(yōu)化，以避免數(shù)據(jù)沖突和網(wǎng)絡(luò)擁堵等問(wèn)題。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

跨域集中式中央計(jì)算系統(tǒng)采用分層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要分為應(yīng)用軟件層、中間件層和硬件控制層。應(yīng)用軟件層負(fù)責(zé)用戶交互和系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，中間件層實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件與硬件控制的接口，硬件控制層實(shí)現(xiàn)對(duì)物理設(shè)備的控制。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

針對(duì)各個(gè)模塊的需求，選擇合適的編程語(yǔ)言和軟件開發(fā)工具。針對(duì)數(shù)據(jù)通信的模塊使用C或C++語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)[3]，針對(duì)用戶交互的模塊可以選擇Java語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法中，采用隊(duì)列、鏈表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存、壓縮和解壓等功能。同時(shí)，應(yīng)用合適的算法來(lái)滿足各類業(yè)務(wù)需求，如PID控制算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。在系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，對(duì)用戶交互設(shè)計(jì)進(jìn)行充分的考慮，采用GUI界面進(jìn)行交互，提供可配置的控制平臺(tái)等。在處理異常時(shí)，通過(guò)應(yīng)用軟件層提供的錯(cuò)誤處理機(jī)制來(lái)進(jìn)行異常處理，使用調(diào)試工具來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異常的排查和修復(fù)。

本系統(tǒng)應(yīng)用軟件層由3個(gè)內(nèi)核組成，即內(nèi)核0、內(nèi)核1和內(nèi)核2。信息交換則采用TC377公共MAP方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，TC377的所有外圍接口都可以被3個(gè)內(nèi)核訪問(wèn)，便于軟件架構(gòu)和接口驅(qū)動(dòng)的開發(fā)[4]。內(nèi)核0主要處理邏輯任務(wù)和休眠喚醒任務(wù)，系統(tǒng)在上電后首先進(jìn)行初始化操作，然后由內(nèi)核0來(lái)執(zhí)行模型調(diào)度函數(shù)。內(nèi)核1主要處理鑰匙和胎壓高頻數(shù)據(jù)、低頻天線驅(qū)動(dòng)、IMMO認(rèn)證、鑰匙接近檢測(cè)等任務(wù)。而內(nèi)核2則主要用來(lái)處理網(wǎng)關(guān)任務(wù)，如報(bào)文路由等功能。通過(guò)這種分層軟件架構(gòu)和內(nèi)核劃分的方式，可以讓系統(tǒng)的各個(gè)模塊功能更加清晰、獨(dú)立，同時(shí)可以提高軟件開發(fā)效率和系統(tǒng)的可維護(hù)性。此外，采用TC377公共MAP方式實(shí)現(xiàn)信息交換的方式，可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)內(nèi)核之間的高效信息共享，從而更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制和管理。

2.2.2 車輛信息安全設(shè)計(jì)

在跨域集中式中央計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于采用混合網(wǎng)的架構(gòu)形式，信息安全性是至關(guān)重要的一個(gè)方面。中央計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)從安全入口、系統(tǒng)安全、通信安全、硬件安全4個(gè)方面進(jìn)行信息安全方案設(shè)計(jì)。這4個(gè)方面主要包含安全診斷、安全接入、安全啟動(dòng)、安全存儲(chǔ)、密鑰管理、防火墻、IDS入侵檢測(cè)、車內(nèi)安全通信SECOC、安全加密芯片13個(gè)安全組件。信息安全組件在零部件中主要部署在硬件控制層、中間件層、應(yīng)用層。信息安全架構(gòu)如圖3所示。

圖3 信息安全架構(gòu)圖

2.3 電路設(shè)計(jì)

2.3.1 車燈電路設(shè)計(jì)

車燈是跨域集中式中央計(jì)算系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)功能模塊，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮系統(tǒng)的可靠性、安全性、節(jié)能性等多重因素。首先為電源模塊的設(shè)計(jì)，車燈系統(tǒng)的電源模塊由穩(wěn)壓電源和DC-DC轉(zhuǎn)換器組成，用于將車輛電池提供的電壓轉(zhuǎn)換成適合車燈工作的電壓。在控制模塊設(shè)計(jì)中，包括控制板和跨域集中式中央計(jì)算系統(tǒng)的通信模塊，用于控制車燈狀態(tài)、調(diào)節(jié)車燈亮度、故障檢測(cè)等。車燈系統(tǒng)的燈組模塊由車前燈、車尾燈、輔助照明燈等組成，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮燈組之間的控制聯(lián)動(dòng)、尺寸匹配等因素。

2.3.2 雨刷電路設(shè)計(jì)

雨刷是跨域集中式中央計(jì)算系統(tǒng)的重要組成部分，其電源模塊設(shè)計(jì)與車燈硬件電路設(shè)計(jì)類似。雨刷系統(tǒng)的控制模塊包括控制面板、控制電路板、雨刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)板等，用于實(shí)現(xiàn)雨刷的啟?？刂啤⒄{(diào)節(jié)雨刷速度、調(diào)節(jié)雨刷頻率等功能。此外，雨刷硬件電路設(shè)計(jì)中需結(jié)合傳感器實(shí)現(xiàn)智能感應(yīng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雨量、雨滴密度等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)智能化雨刷控制。

2.3.3 開關(guān)量檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

開關(guān)量檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)主要是為了檢測(cè)一些設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，常用在車門開關(guān)、座椅開關(guān)、車窗開關(guān)等模塊中，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下幾個(gè)因素：一是信號(hào)源驅(qū)動(dòng)，開關(guān)量檢測(cè)電路需要與設(shè)備的信號(hào)源相連接，并需要提供足夠的電流或電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)源，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)；二是信號(hào)處理，由于開關(guān)量檢測(cè)電路的輸入信號(hào)可能存在波動(dòng)或干擾，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，如濾波、放大等；三是信號(hào)檢測(cè)，開關(guān)量檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)需要考慮如何判斷信號(hào)的高低電平狀態(tài)，一般采用比較器進(jìn)行信號(hào)判斷，并輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)?？缬蚣惺街醒胗?jì)算系統(tǒng)中的硬件電路設(shè)計(jì)需要結(jié)合具體的模塊功能進(jìn)行綜合考慮，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)傳輸。

2.3.4 車窗電路設(shè)計(jì)

車窗硬件電路設(shè)計(jì)中需為車窗電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電源，采用DC-DC轉(zhuǎn)換器或普通穩(wěn)壓電源來(lái)進(jìn)行電源的管理，以便向車窗電機(jī)提供正常的電壓，以實(shí)現(xiàn)車窗的開啟和關(guān)閉功能。電源模塊還需要具備過(guò)壓保護(hù)、低壓保護(hù)等功能，以確保電路的安全與可靠性。為了保護(hù)整個(gè)電路系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，車窗硬件電路設(shè)計(jì)中還設(shè)置相關(guān)保護(hù)模塊，如過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、短路保護(hù)等，在車窗電路發(fā)生異常時(shí)，能夠及時(shí)切斷電源的輸入，以免對(duì)主控系統(tǒng)和設(shè)備造成損壞。

3 跨域集中式中央計(jì)算系統(tǒng)測(cè)試

在某車型上安裝本文設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，車輛靜止?fàn)顟B(tài)及運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)于各類傳感器的數(shù)據(jù)采集正常，控制指令發(fā)出正常。測(cè)試過(guò)程中對(duì)燈光、雨刮、遙控、懸架調(diào)節(jié)、輪胎充放氣、休眠等功能進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)Bootloader刷寫功能進(jìn)行了極限測(cè)試，各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，并且未出現(xiàn)亂序超時(shí)情況。測(cè)試結(jié)果表明，各項(xiàng)功能達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合分析跨域集中式中央計(jì)算系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)這種系統(tǒng)的研究和開發(fā)是一個(gè)復(fù)雜而又重要的領(lǐng)域。通過(guò)設(shè)計(jì)分層架構(gòu)，進(jìn)行內(nèi)核劃分和采用適當(dāng)?shù)木幊陶Z(yǔ)言和算法等方式，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊之間的協(xié)調(diào)工作，提高其功能性和可靠性。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方面需要考慮電源模塊、控制模塊、傳感器模塊等多個(gè)方面的因素，并結(jié)合各個(gè)模塊之間的聯(lián)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的高效安全運(yùn)行。在軟件設(shè)計(jì)中，需要采用適合的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)可靠的異常處理機(jī)制，充分考慮用戶交互性和系統(tǒng)的可維護(hù)性等因素，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)車輛的智能化控制。