基于車載以太網的專用車架構設計

馬 劍，張炳力，黃振峰，袁 帥，劉 輝，劉海娃，馮 章

（1.合肥工業大學 汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230009； 2.陜汽德創未來汽車科技有限公司電器研究所，陜西 西安 713700）

專用車通常個性化需求較多，如果每次接到設計任務后都從頭設計，無疑會產生大量設計工作，增加設計成本，延長車輛交付周期。通常專用車公司對于不同的訂單需求采取的做法是根據車輛用途，選擇不同的車輛底盤，進行改裝從而達到滿足整車設計目標的目的。但是改裝的方法如今已不能很好滿足逐漸變高的功能需求，上裝系統沒有融入整車電氣架構，功能單一且智能化水平較差。本文將基于這一現狀，設計一種基于車載以太網的專用車電氣架構，使上裝系統融入車輛整體架構，為專用車功能更加多樣靈活且智能化提供基礎。

1 電氣架構及車載以太網相關介紹

1.1 電氣架構一般設計流程

電子電氣架構是指集合整車電子電器系統原理開發、網絡開發、功能開發、功能分配等為一體的整車電子電氣解決方案，滿足所有的功能和非功能需求。一般傳統的電子電氣架構開發可以分為需求確認、功能設計、物理架構設計、系統設計、零部件設計。需求設計階段編制整車電子電氣需求表并輸出子系統需求規范。功能設計包括子系統方案設計、功能分配、網絡設計和故障診斷系統開發。 物理設計階段根據功能分配方案繪制電子控制單元原理框圖及線束拓撲圖。系統設計階段設計整車通信矩陣和通信策略，繪制整車原理圖、線束圖。零部件開發設計階段編制零部件技術規范和開發零部件診斷系統。

1.2 車載以太網技術介紹

車載以太網最早于2004 年提出，2008年首次應用到寶馬車型上，同年寶馬聯手Broadcom開展一對非屏蔽雙絞線以太網物理層技術的開發，2015年被電氣電子工程師學會（Institute of Electri- cal and Electronics Engineers, IEEE）標準化。車載以太網物理層通過一對非屏蔽雙絞線實現全雙工通信，數據鏈路層為交換式網絡形式，進行子網劃分，限定廣播域并提供優先級控制，網絡層應用了網際協議（Internet Protocol, IP）技術進行尋址、路由，并進行地址解析，控制主機、路由器之間消息傳遞。傳輸層主要應用傳輸控制協議進行信息傳輸。網絡層動態獲得IP地址、服務器地址。實現高帶寬刷寫和兼容現有診斷，基于IP的可擴展面向服務的中間件實現遠程服務調用。

2 專用車硬件架構設計

2.1 基于車載以太網的硬件架構方案

車載以太網是未來各種架構實現落地的基礎，基于車載以太網技術的電氣架構總體上分為域控架構、中央平臺區域架構以及云計算+中央計算架構。其中域控階段是車載以太網技術應用于車輛電氣系統的初級形態，在此基礎上出現跨域融合，使得域控制器數量進一步減少[1]。到中央平臺+區域控制器模式后，車輛所有控制權收歸中央計算單元，區域控制器負責中央計算單元指令的轉發及執行以及區域內信號的收集與處理。電子電氣架構不同階段特點如表1所示，車載以太網的應用使車輛軟件架構從傳統的信號交互逐漸轉向服務交互。

表1 功能清單

2.2 專用車電子電氣硬件架構方案設計

針對專用車輛特點，結合當前技術成熟度和實現難度，設計一種域控形式的電氣硬件架構，滿足不同功能專用車的功能需求。如圖1所示，該硬件架構主體包括中央網關和三個域控制器。

圖1 域控硬件架構形式

Centrel Gateway為中央網關，CCDC為底盤域控制器（Chassis Control Domain Controller），B&UCDC為車身&上裝域控制器（Body&Upper Control Domain Controller），ICDC為智能駕駛域控制器（Intelligence Control Domain Controller）。粗線表示車載以太網通信，主要用于中央網關與各個域控制器之間的數據量較大的通信，細線表示控制器域網（Controller Area Network, CAN）總線通信形式，主要用于各個域的內部通信。這種架構CAN和以太網并存，大數據傳輸和數據傳輸實時性均得以保證，且由于以太網的小范圍應用使得對網關的處理能力要求較低[2]。

將上裝融入整車電氣架構，使上裝與整車有效融合交互、服務和信息共享。例如在城市水車上，ICDC可以向B&UCDC提供一項障礙物信息的服務，上裝控制器通過該服務了解到車附近有人時，停止上裝中水炮噴射。

3 車載以太網專用車架構開發

專用車架構因為融入了以太網通信架構，設計過程中相較之前架構設計流程出現了面向服務的架構（Service-Oriented Architecture, SOA）設計。面向服務是一種軟件設計方法，有明確的可調用接口，基于中間件和網絡傳輸。服務是一個離散的功能單元，可遠程訪問并獨立執行和更新。應用SOA使得各系統之間互聯互通、軟硬件得以分離且縮短了開發周期。在整車生命周期內，汽車的功能更新更方便，整車架構演變和功能重新分配更便捷，為車端與后端、云端融合提供便利。SOA的應用使架構總體開發流程劃分為以下幾個部分：功能及需求設計、SOA服務設計、軟件架構設計、功能及軟件分配、架構總體設計及網絡設計。

功能及需求設計分為需求設計和功能規范編制。需求設計輸出的主要內容為功能清單，對功能及其子功能，功能特性等進行描述，表2為上裝的部分功能清單。

表2 功能清單

功能規范的編制主要輸出內容為相關功能的設計規范文檔，包括相關功能策略、提示需求、功能的使能條件與觸發條件。

SOA服務設計階段主要分為服務及服務接口定義，服務設計及建模。服務及服務接口定義應能夠滿足提出的功能及需求。分為基礎服務和應用服務，基礎服務指具有特殊任務的子功能，有助于實現功能。如聲音識別、服務注冊。基礎服務可被多個其他服務調用，一般不調用其他服務。應用服務指直接實現功能的服務。表3為專用車部分的服務定義列表，定義內容包括服務名稱、服務ID、服務描述。

表3 服務定義

服務設計及建模主要是對已定義服務進一步做詳細設計，如表4所示，對服務的提供者、使用者、關聯服務、子功能進行定義。

表4 服務設計及建模

服務接口主要分為控制設置類和狀態反饋類兩大類，包含Method、Event、Field三類接口。

Method接口首先由Client端向Server端發送請求報文，FF-Method接口是不需要Server端給出響應，RR-Method需要Server端給出響應。Event接口指Client端訂閱一個服務，Server端發布該服務。Field接口分為Setter/Getter和Notifier。

上裝系統上裝信息服務的接口具體內容定義如表5所示，具體定義了各項服務接口包含的內容、接口形式以及接口之間的關系。

表5 上裝信息服務接口

可以看出專用車上裝信息服務的服務方是B&UCDC，消費方是ICDC和CCDC，該服務的接口基于SOME/IP協議中的EVENT機制，該服務所包含信息共同組成了一個事件組。

上裝信息服務的交互序列圖如圖2所示，車輛ON擋上電后，服務使用方通過SOME/IP協議確認所需要的服務的狀態，收到服務提供方響應后，對該項服務所包含的事件組進行訂閱，訂閱成功后，服務提供方向服務使用方發送服務中包含的信息[3]。

圖2 上裝信息服務交互序列圖

軟件架構設計內容包括應用層軟件架構設計、整車軟件組件（Soft Ware Component, SWC）分解、屬性定義及接口設計、應用層軟件需求設計，生成各個部分的軟件組件發送接收端口連接表。功能及軟件分配主要建立軟硬件映射關系以及輸出功能分配表。功能分配表將功能及其功能特性，對應的服務、邏輯功能模塊、處理器、硬 件進行對應。軟硬件映射關系建立主要是將SWC與網絡環境及硬件處理器進行綁定。架構總體設計及網絡設計進行電氣原理圖，網絡關系映射設計。軟件工程師和系統工程師將根據劃分進行系統開發、應用層軟件開發等工作[4]。

4 基于工具鏈的專用車架構設計

基于車載以太網的SOA架構設計工具鏈主要以PREEvision為主體，圖3為SOA架構開發實現工具鏈設計流程示意圖，完成需求設計、軟件架構設計、通信設計，使用CANdelastudio進行診斷相關設計，將軟件架構設計輸出物數據庫文件導入CANoe，使用CAPL語言以及Panel功能進行仿真。通信設計生成ARXML后導入Davinci工具中進行接口配置，隨后在Modeling tools中進行AUTOSAR 相關配置并生成代碼，生成診斷描述（CANdela Diagnostic Descriptions, CDD）文件后，導入Davinci 工具中進行配置并生成代碼。在集成開發環境（Integrated Development Environ- ment, IDE）軟件中對代碼進行編譯并導出可刷寫軟件，刷寫進控制器中[5]。

圖3 設計實現工具鏈

在PREEvision中服務及軟件架構設計時對服務、接口參數等進行定義。將上裝信息服務等在頁面中進行定義。服務的分配與部署設計界面對 服務進行部署分配，在PREEvision中通信設計、序列化設計以及服務發現設計界面對上裝控制器及其他節點的硬件地址、服務間的交互序列、地址信息等進行配置。將設計生成的數據庫文件導入CANoe或其他仿真軟件中進行全架構仿真或剩余總線仿真，檢驗在PREEvision中進行的通信設計、功能邏輯等[6]，如圖4所示。

圖4 CANoe通信仿真及邏輯驗證

5 總結

本文提出的專用車域控架構基于車載以太網通信技術，結合傳統CAN通信技術進行設計，這種形式對處于分布式電子電氣架構的汽車廠商來說更加容易接受。將專用車上裝系統融入整車架構，使上裝和車輛其他系統互聯互通，互相服務，專用車智能化水平有效提升。隨著車輛上硬件和軟件的進一步整合，汽車廠商軟件水平的進一步提升，電氣架構將逐漸向域控融合，中央計算平臺+區域控制器的形式發展，車輛功能將更加靈活多樣，迭代速度將進一步加快，電子電氣架構和軟件對于汽車的意義將更加重大。