面向集中式電子電氣架構(gòu)的商用車車載國產(chǎn)化中央計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)

王 全, 王海斌, 文健峰, 楊杰君, 孫 煒, 王會(huì)生

(1.中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司, 湖南 株洲 412007;2.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司衡水供電段, 河北 衡水 053000)

隨著電動(dòng)汽車新四化(電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化)的升級(jí)加速,車載ECU單元數(shù)量不斷增加,這給汽車升級(jí)、維護(hù)造成了極大的困難[1-4]。對(duì)此,眾多汽車廠對(duì)汽車電子電氣架構(gòu)進(jìn)行從分布式向集中式發(fā)展的升級(jí)迭代。集中式電子電氣架構(gòu)的核心是控制器,高算力車載中央計(jì)算平臺(tái)是關(guān)鍵。集中式的電子電氣架構(gòu)具有輕量化、高效率、低成本等優(yōu)勢(shì),更切合汽車新四化的發(fā)展路線[5]。

1 需求分析及總體要求

近年來,車載中央計(jì)算平臺(tái)在電動(dòng)乘用車領(lǐng)域的應(yīng)用不斷落地,中央計(jì)算平臺(tái)化、架構(gòu)集中化已經(jīng)進(jìn)入了快速上升期[6]。各頭部車企已采用自研電子電氣架構(gòu)、合作/自主開發(fā)高算力域控制平臺(tái)的模式[7-9],但商用車領(lǐng)域因受限于整車成本、整車廠研發(fā)能力及供應(yīng)商的支持力度,暫無成熟度高的高算力中央計(jì)算平臺(tái)方案[10-12]。

過去,我國汽車用芯片大多數(shù)是國外進(jìn)口,本土芯片所占的比例微乎其微。但隨著國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,高算力國產(chǎn)SoC芯片企業(yè)不斷涌現(xiàn),讓國產(chǎn)化、高算力中央計(jì)算平臺(tái)的研發(fā)和應(yīng)用成為可能[13]。

本文針對(duì)商用車電子電氣架構(gòu)特點(diǎn),構(gòu)建一個(gè)面向集中式電子電氣架構(gòu)的國產(chǎn)化、高算力中央計(jì)算平臺(tái),如圖1所示。中央計(jì)算平臺(tái)作為車輛信息融合與決策控制中心,需外接視覺、雷達(dá)等傳感器實(shí)時(shí)感知車輛外部環(huán)境;需連接整車功能域(智能駕駛域、底盤域、車身域、交互域)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將原本歸屬于各電子控制單元的功能集中到中央計(jì)算域內(nèi),取代傳統(tǒng)的分布式架構(gòu),進(jìn)行信息融合與協(xié)調(diào)控制,實(shí)現(xiàn)集中化管理。總體需求如下:

圖1 中央計(jì)算平臺(tái)總體方案

1) 高算力。能運(yùn)算、處理、分析多個(gè)傳感器數(shù)據(jù),可運(yùn)行主流深度學(xué)習(xí)算法,滿足主流感知、融合、規(guī)控算法的算力需求。

2) 通訊高帶寬、大吞吐、低延時(shí)。保障平臺(tái)和各傳感器、整車各功能域的信息傳遞。

3) 接口多類型、多數(shù)量。智能汽車傳感器種類多、數(shù)量多,接口類型不盡相同。外設(shè)接口資源豐富可減少ECU和轉(zhuǎn)接器件數(shù)量,避免傳感器集成過多導(dǎo)致布線復(fù)雜和凌亂。

4) 低功耗。中央計(jì)算平臺(tái)屬于嵌入式車載計(jì)算平臺(tái),需要低功耗設(shè)計(jì)。

5) 國產(chǎn)化。可以保障中央域控平臺(tái)的供應(yīng)鏈穩(wěn)定,控制系統(tǒng)成本。

2 平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

中央計(jì)算平臺(tái)硬件系統(tǒng)主要包含核心芯片模塊和外設(shè)資源模塊,如圖2所示。

1) 核心芯片模塊包含MCU和SoC。MCU具有高穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性特點(diǎn),主要對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性要求高的整車底盤域、車身域、人機(jī)交互域進(jìn)行管理、監(jiān)控,提高整車能源、信息利用效率,確保整車安全性和可靠性。SoC具有主頻高、計(jì)算能力強(qiáng)等特點(diǎn),通過系統(tǒng)內(nèi)核管理進(jìn)行硬件資源分配,主要用于智能域多傳感器的感知處理、信息融合,執(zhí)行高級(jí)輔助駕駛的規(guī)控算法。

MCU為紫光國芯THA6510芯片,CPU擁有5x300MHz@150 MHz主頻;Flash包含10 MB PFlash,720 KB Dflash;功能安全等級(jí)為ASILD(ISO 26262)。

SoC為黑芝麻華山A1000芯片,CPU包含8xARM Cortex-A55,1.5 GHz,32.4KDMIPS;GPU搭載ARM Mali-450;AI算力58 TOPs (int8);CV算力128GFLOPs@FP32/FP16;功能安全等級(jí)為ASILB(ISO 26262);

2) 中央計(jì)算平臺(tái)的外設(shè)資源接口主要包含以下幾種:符合整車電壓平臺(tái)的電源輸入接口;為車輛設(shè)備提供電源的5 V和12 V輸出電源接口;五類通訊接口,用于和外部感知設(shè)備、車輛各功能域進(jìn)行通訊和系統(tǒng)調(diào)試;多路硬線接口,用于接收硬線信息進(jìn)行高邊驅(qū)動(dòng)、時(shí)間同步等。具體資源參數(shù)如下:

①通訊接口:USB2.0/3.0接口1路;HDMI視頻輸出接口1路;攝像頭接口8路;千兆普通以太網(wǎng)接口1路;千兆車載以太網(wǎng)接口1路;RS485接口1路;RS232接口1路;CAN/CANFD共用接口9路。

②硬線接口:高邊驅(qū)動(dòng)接口9路;數(shù)字輸入接口9路;模擬輸入接口6路;PPS輸出接口3路;PPS輸入接口1路。

③電源接口:硬件喚醒源3路;5 V電源輸出3路;12 V電源輸出1路;9～36 V電源輸入4路;信號(hào)地10路。

為保證用戶在該平臺(tái)上能快速開發(fā)應(yīng)用,本文開發(fā)出了MCU軟件開發(fā)框架和SoC軟件框架。其主要功能是結(jié)合中央計(jì)算平臺(tái)的強(qiáng)大算力,將車載平臺(tái)常用的核心功能模塊和常用基礎(chǔ)軟件組件封裝成外圍接口開放出來,方便用戶快速簡便地接入并使用。

3 開發(fā)框架

3.1 MCU軟件開發(fā)框架

MCU滿足AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn),軟件架構(gòu)主要分為單片機(jī)抽象層、ECU抽象層、服務(wù)層、復(fù)雜驅(qū)動(dòng)層、RTE接口層和應(yīng)用層,如圖3所示。

圖3 AUTOSAR軟件架構(gòu)

單片機(jī)抽象層位于最底層,包含控制芯片相關(guān)的模塊及外設(shè)的硬件驅(qū)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)芯片資源管理及對(duì)外部電氣信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)的訪問;ECU抽象層位于單片機(jī)抽象層之上,完成硬件端口與控制器引腳的映射,實(shí)現(xiàn)由電氣信號(hào)到控制信號(hào)的轉(zhuǎn)變;系統(tǒng)服務(wù)層提供了系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度、協(xié)議管理、故障管理、狀態(tài)管理、文件管理等基礎(chǔ)服務(wù),代表了控制平臺(tái)的運(yùn)行性能,決定了系統(tǒng)的可靠性與實(shí)時(shí)性,是系統(tǒng)正確運(yùn)行與工程調(diào)試的基礎(chǔ);復(fù)雜驅(qū)動(dòng)層主要有單片機(jī)外圍復(fù)雜高低邊驅(qū)動(dòng)和Bootloader;RTE接口層完成模型、算法的輸入輸出參數(shù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的互聯(lián);應(yīng)用層包含若干個(gè)軟件組件,軟件組件間通過端口進(jìn)行交互,每個(gè)軟件組件可以包含多個(gè)運(yùn)行實(shí)體,運(yùn)行實(shí)體中封裝了相關(guān)控制算法,其可由RTE事件觸發(fā)。應(yīng)用層主要是為用戶提供便捷開發(fā)的接口,可采用基于模型的開發(fā)方式進(jìn)行開發(fā)。

為了輔助MCU的開發(fā)、應(yīng)用和測(cè)試,自主開發(fā)設(shè)計(jì)、調(diào)試工具鏈。

1) 監(jiān)控、標(biāo)定軟件如圖4所示。可讀入標(biāo)定數(shù)據(jù)文件,用于對(duì)應(yīng)用層軟件在MCU中運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、圖形化監(jiān)控、數(shù)據(jù)標(biāo)定和保存,以便開發(fā)、測(cè)試和優(yōu)化ECU的控制軟件。

2) 標(biāo)定數(shù)據(jù)管理工具(CDM)。工具可支持對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)文件的管理,圖形化的顯示瀏覽以及修改標(biāo)定參數(shù),可檢測(cè)并解決數(shù)據(jù)集成過程中數(shù)據(jù)地址不一致的情況,以確保監(jiān)控、標(biāo)定軟件數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

3) 數(shù)據(jù)分析工具(MDA)如圖5所示。工具基于監(jiān)控、標(biāo)定軟件保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化數(shù)據(jù)回放和不同格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)出,提供了多種顯示策略和對(duì)比界面,以便更好地抓取整車特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖5 數(shù)據(jù)分析工具

4) 程序燒寫工具。燒寫工具與Bootloader配合,加載Hex文件,支持?jǐn)?shù)據(jù)/程序的燒寫,通過校驗(yàn)機(jī)制保證數(shù)據(jù)/程序的燒寫安全。

3.2 SoC軟件開發(fā)框架

SoC主要用于智能域的信息處理、融合和高級(jí)輔助駕駛的規(guī)控算法,其軟件開發(fā)框架如圖6所示。中央計(jì)算平臺(tái)中SoC的核心功能模塊和常用基礎(chǔ)軟件組件封裝成外圍接口開放出來,可以支持車端、路端及各種邊緣計(jì)算場(chǎng)景,方便快速簡便地接入和使用。

圖6 SoC軟件開發(fā)框架

SoC軟件開發(fā)框架主要包含運(yùn)行在SoC端的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和運(yùn)行在主機(jī)(Host端)的集成開發(fā)環(huán)境。

3.2.1 SoC端

SoC芯片的Linux系統(tǒng)構(gòu)建了實(shí)時(shí)任務(wù)管理、傳感器管理服務(wù)、高精度時(shí)間同步服務(wù)、多傳感器融合服務(wù)和診斷服務(wù)。所有服務(wù)和任務(wù)節(jié)點(diǎn)的通信都基于CyberRT通信中間件,可以在進(jìn)程內(nèi)/進(jìn)程間/異構(gòu)計(jì)算單元間/跨主機(jī)間實(shí)現(xiàn)高性能DDS通信。

1) 實(shí)時(shí)任務(wù)管理。包含基于ADS-COM通訊中間件開發(fā)應(yīng)用時(shí)用到的任務(wù)管理相關(guān)的模塊,包括任務(wù)調(diào)度模塊、任務(wù)狀態(tài)監(jiān)控模塊、任務(wù)調(diào)度看板、任務(wù)調(diào)度配置生成器等。

2) 傳感器管理服務(wù)。用于提供傳感器的統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)獲取、配置等需求的后臺(tái)服務(wù)。傳感器管理服務(wù)主要基于兩個(gè)抽象層:傳感器數(shù)據(jù)抽象層和傳感器硬件抽象層,向上提供統(tǒng)一的傳感器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和接口規(guī)范,向下兼容不同硬件接口和不同協(xié)議的傳感器供應(yīng)商。

3) 高精度時(shí)間同步服務(wù)。提供了GNSS同步(如果板子集成了GPS接收機(jī))、PTP(IEEE 1588V2)、gPTP(IEEE 802.1as)、NTP同步等方式,用戶可以根據(jù)場(chǎng)景需要,通過配置文件即可快速使用時(shí)間同步模塊。

4) 多傳感器融合服務(wù)。將來自不同安裝位置、不同傳感器類型的傳感器信息進(jìn)行融合,利用傳感器的互補(bǔ)特性(位置互補(bǔ)和性能互補(bǔ)),得到更可靠、更精準(zhǔn)、更平滑的融合輸出結(jié)果。感知融合數(shù)據(jù)流示意圖如圖7所示。

圖7 感知融合數(shù)據(jù)流示意圖

5) 診斷服務(wù)。旨在為用戶提供滿足診斷開發(fā)應(yīng)用需求,主要包含的接口如下:①平臺(tái)診斷接口負(fù)責(zé)提供應(yīng)用診斷故障上報(bào)及DID讀寫服務(wù)。②UDS服務(wù)接口負(fù)責(zé)提供UDS配置和各類服務(wù)注冊(cè)功能,用于實(shí)現(xiàn)UDS各類服務(wù)。③DoIP協(xié)議棧接口實(shí)現(xiàn)DoIP通信,用戶可在自己應(yīng)用軟件開發(fā)中調(diào)用平臺(tái)診斷接口,設(shè)計(jì)自己需要上報(bào)的診斷故障、DID讀寫服務(wù)等,也可利用UDS服務(wù)接口和DoIP協(xié)議棧接口完成特定于自己應(yīng)用并滿足ISO 14229和ISO 13400規(guī)范的診斷服務(wù)層開發(fā)。④CyberRT通信中間件是專門面向高級(jí)輔助駕駛的高性能通信組件,其基于集中計(jì)算模型,并且針對(duì)高級(jí)輔助駕駛中的高并發(fā)、低延遲以及高吞吐量需求作了特定優(yōu)化;通信框架是位于操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的軟件層,它使系統(tǒng)的各個(gè)組件能夠更容易通信和共享數(shù)據(jù)。這一層通過解決應(yīng)用程序和系統(tǒng)之間傳遞信息的機(jī)制,簡化了分布式系統(tǒng)的開發(fā)任務(wù)調(diào)度模塊。

3.2.2 Host端

Host端提供了運(yùn)行于主機(jī)端的交叉編譯環(huán)境和高級(jí)輔助駕駛的開發(fā)調(diào)試工具;用于車路協(xié)同路側(cè)場(chǎng)景的多傳感器標(biāo)定工具;數(shù)據(jù)錄制、回放、可視化、實(shí)時(shí)分析的數(shù)據(jù)編排工具;任務(wù)調(diào)度、資源監(jiān)控與可視化的流程編排工具;多傳感器融合算法調(diào)試、驗(yàn)證和可視化的傳感器融合集成開發(fā)平臺(tái)。Host端主要包含的工具箱詳解如下:

1) 數(shù)據(jù)監(jiān)控可視化工具。面向使用CyberRT通信框架protobuf數(shù)據(jù)格式的場(chǎng)景設(shè)置,其整合的功能包括protobuf數(shù)據(jù)通信的自定義監(jiān)聽,protobuf數(shù)據(jù)的自定義錄制,數(shù)據(jù)包的自定義播放,數(shù)據(jù)包的詳情顯示,數(shù)據(jù)包的自定義分割以及融合數(shù)據(jù)的可視化。

2) Http-Server工具。通過把Http-Server集成到開發(fā)的程序中,瀏覽器端server就可以通過Http協(xié)議和應(yīng)用進(jìn)行交互,Http-Server還支持通過WebSoCket協(xié)議來主動(dòng)推送消息到瀏覽器端。

3) 設(shè)備管理工具。可在接入SoC上運(yùn)行一個(gè)agent進(jìn)程,在局域網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)上部署一個(gè)server端,agent進(jìn)程啟動(dòng)后會(huì)主動(dòng)和server建立連接。我們通過登錄server端的網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)SSH遠(yuǎn)程連接,數(shù)據(jù)的上傳、下載,CPU消耗繪圖,多賬號(hào)設(shè)備管理和操作日志。

4) 多傳感器融合集成工具。可實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的感知融合顯示,驗(yàn)證融合算法效果。方便開發(fā)人員可視化可控化進(jìn)行融合效果的輸出與數(shù)據(jù)檢驗(yàn)。

5) 平臺(tái)代碼生成工具。可快速生成基于CyberRT的源碼,具體是用戶按C++規(guī)則及CyberRT規(guī)則填寫json文件,然后將Component模塊按照用戶的需求輸出目標(biāo)源碼。

6) 平臺(tái)可視化工具。可以監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)及點(diǎn)云數(shù)據(jù)并可視化。

7) 平臺(tái)查詢工具。可以快速羅列用戶開發(fā)的應(yīng)用,方便開發(fā)者快速了解及使用此設(shè)備下可用的工具。

8) CyberRT工具。集成了CyberRT工具箱,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)監(jiān)控、節(jié)點(diǎn)、話題、服務(wù)信息輸出。

9) 日志工具。可實(shí)現(xiàn)SoC日志收集和可視化。

4 結(jié)束語

本文對(duì)面向集中式電子電氣架構(gòu)的中央計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行了需求分析,設(shè)計(jì)了以黑芝麻A1000 SoC和紫光芯能THA6510 MCU為主芯片的國產(chǎn)化中央計(jì)算平臺(tái)硬件方案和軟件開發(fā)框架。該方案滿足集中式電子電氣架構(gòu)高算力、多接口、高帶寬、低功耗的特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)面向集中式電子電氣架構(gòu)的中央計(jì)算平臺(tái)的快速集成。國產(chǎn)化方案可以穩(wěn)定中央計(jì)算平臺(tái)供應(yīng)鏈,控制系統(tǒng)成本,為我國企業(yè)提供技術(shù)積累、產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)和市場(chǎng)需求支撐等方面的幫助,以促進(jìn)其他車載芯片的國產(chǎn)化。