基于J6的全液晶儀表安全架構分析

王松

摘要：在當下汽車智能化的大潮流下，針對全液晶儀表日益豐富的功能和系統安全性之間的矛盾，設計硬隔離的雙系統全液晶儀表的安全架構，在滿足炫酷功能的同時，不影響系統的安全性。提高用戶的駕駛體驗

關鍵詞：全液晶儀表; 安全性; Linux; Nucleus

汽車的組合儀表系統，因其包含車速等需要在行車過程中一直關注的信息，是在自動駕駛來臨之前，人車信息交互的重要窗口，所以安全性這一屬性，一直是儀表所追求的一個關鍵指標，但是隨著整車智能化的進度越來越高，越來越多的信息希望通過儀表展示給用戶，而展示的給用戶的手段也原來越智能，有豐富的動畫，炫酷效果。越來越多的功能的融合，給儀表的安全性帶來了極大的挑戰。本論文基于“正確的核做正確事”、“正確的系統處理正確的業務”、“簡單即可靠”等眾多設計原則，設計一個雙系統的全液晶儀表架構。

系統設計

對于整個儀表來講，其包含了眾多功能，有影響行車安全的車速、檔位，報警符號的顯示以及報警提示音的驅動等有功能安全要求的功能，也有多媒體，導航地圖顯示，以及一些人機交互提示的功能安全要求功能，如果整個系統只采用一個域來處理，那就需要講所有的功能部署在高安全性系統上，比如QNX或者Nucleus，但是高安全性的系統封閉性和擴展性均比較差，不利于生態的構建，且日益復雜的功能越來越難以維護，基于以上我們將整個系統分為兩個域RobustDomain和NormalDomain;RobustDomain 為一個高安全性的域，負責實現儀表功能安全相關功能，NormalDomain是一個高性能，高擴展性的域，負責實現儀表非功能安全相關功能。

系統的硬件架構圖如下：

整個系統由MCU和MPU組成。低性能的MCU負責處理整車的總線數據，高性能的MPU負責儀表的圖像渲染和顯示處理。MCU我們選擇NXP的通用MCU S32K144. 為了達到安全性的要求，我們選擇TI J6 這個多核異構的SOC，其內部包含了ASIL-B級別的M4內核和高性能的A15內核，以及防火墻模塊，可以做內核和外設的訪問控制。這些特性是我們設計高安全性儀表的基礎。

基于以上特性，RobustDomain部署在M4和MCU上，NormalDomain部署在A15上。兩者之間通過硬件防火墻做硬隔離。同時通過防火墻使Safety Device 只能被RobustDomain訪問，RobustDomain 和NormalDomain通過基于外設的IPC通訊，如下圖所示：

在這樣的架構下，可以實現在NormalDomain因為某種原因崩潰的時候，受防火墻的限制，并不影響RobustDomain的運行。是一個安全的全液晶儀表架構。

RobustDomain詳細設計

MCU我們采用autosar 架構，負責采集儀表外部開關、傳感器信息和車身CAN 總線上的數據，并將信息解析，通過板上的SPI總線和MPU交互、執行 LCD 屏以及以音頻輸出之外信息輸出（音頻輸出控制、視頻電路工作切換、背光自動調節等） 在車輛行駛過程中，MCU 定時更新里程信息， 將里程信息發送給 MPU 顯示的同時，保存一份數據到外部存儲器中。同時實現基于USD的診斷服務，參與整車的網絡管理，以及整表的低功耗控制。

M4側的OS，采用基于MentorGraphic的Nucleus 操作系統，此系統可滿足ISO26262 ASIL-D的安全等級，支持posix 接口，可以做到快速啟動，是做全液晶儀表的非常好的選擇之一。主要負責和MCU的通訊管理，顯示管理，報警聲音的驅動管理，以及儀表安全相關功能顯示的描畫、對NormalDomain進行健康管理等。

NormalDomain詳細設計

NormalDomain側的操作系統，是采用嵌入式Linux，眾所周知，Linux是目前嵌入式領域應用最廣泛的操作系統，方便深入定制化，支持多種內核開發流程和管理技術，并支持 Qt（HMI程序開發框架）運行環境。儀表的 UI 界面使用可見即可得的 Qt Designer 開發環境。儀表系統對顯示APP 采用 Qt Designer 設計出儀表 UI 界面文件，內部軟件采用 C++、C 混合編程，可以使儀表達到非常炫酷的顯示效果和開機動畫顯示界面。

架構結果驗證

圖一為正常運行時的界面。當觸發linux 的軟件陷阱，使NormalDomain進入崩潰狀態時，系統顯示結果如圖二所示。

結束語

設計了一種基于雙系統的全液晶儀表架構，在實現了良好的人機交互效果的同時，充分兼顧了系統的安全性，提升了整車的智能化水平，為用戶提供更加優質的駕駛體驗。

參考文獻

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