基于車載以太網(wǎng)的專用車架構(gòu)設(shè)計(jì)

馬 劍，張炳力，黃振峰，袁 帥，劉 輝，劉海娃，馮 章

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

專用車通常個(gè)性化需求較多，如果每次接到設(shè)計(jì)任務(wù)后都從頭設(shè)計(jì)，無(wú)疑會(huì)產(chǎn)生大量設(shè)計(jì)工作，增加設(shè)計(jì)成本，延長(zhǎng)車輛交付周期。通常專用車公司對(duì)于不同的訂單需求采取的做法是根據(jù)車輛用途，選擇不同的車輛底盤(pán)，進(jìn)行改裝從而達(dá)到滿足整車設(shè)計(jì)目標(biāo)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(tǒng)沒(méi)有融入整車電氣架構(gòu)，功能單一且智能化水平較差。本文將基于這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種基于車載以太網(wǎng)的專用車電氣架構(gòu)，使上裝系統(tǒng)融入車輛整體架構(gòu)，為專用車功能更加多樣靈活且智能化提供基礎(chǔ)。

1 電氣架構(gòu)及車載以太網(wǎng)相關(guān)介紹

1.1 電氣架構(gòu)一般設(shè)計(jì)流程

電子電氣架構(gòu)是指集合整車電子電器系統(tǒng)原理開(kāi)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)、功能開(kāi)發(fā)、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(tǒng)的電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)可以分為需求確認(rèn)、功能設(shè)計(jì)、物理架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)。需求設(shè)計(jì)階段編制整車電子電氣需求表并輸出子系統(tǒng)需求規(guī)范。功能設(shè)計(jì)包括子系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、功能分配、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和故障診斷系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。 物理設(shè)計(jì)階段根據(jù)功能分配方案繪制電子控制單元原理框圖及線束拓?fù)鋱D。系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段編制零部件技術(shù)規(guī)范和開(kāi)發(fā)零部件診斷系統(tǒng)。

1.2 車載以太網(wǎng)技術(shù)介紹

車載以太網(wǎng)最早于2004 年提出，2008年首次應(yīng)用到寶馬車型上，同年寶馬聯(lián)手Broadcom開(kāi)展一對(duì)非屏蔽雙絞線以太網(wǎng)物理層技術(shù)的開(kāi)發(fā)，2015年被電氣電子工程師學(xué)會(huì)（Institute of Electri- cal and Electronics Engineers, IEEE）標(biāo)準(zhǔn)化。車載以太網(wǎng)物理層通過(guò)一對(duì)非屏蔽雙絞線實(shí)現(xiàn)全雙工通信，數(shù)據(jù)鏈路層為交換式網(wǎng)絡(luò)形式，進(jìn)行子網(wǎng)劃分，限定廣播域并提供優(yōu)先級(jí)控制，網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用了網(wǎng)際協(xié)議（Internet Protocol, IP）技術(shù)進(jìn)行尋址、路由，并進(jìn)行地址解析，控制主機(jī)、路由器之間消息傳遞。傳輸層主要應(yīng)用傳輸控制協(xié)議進(jìn)行信息傳輸。網(wǎng)絡(luò)層動(dòng)態(tài)獲得IP地址、服務(wù)器地址。實(shí)現(xiàn)高帶寬刷寫(xiě)和兼容現(xiàn)有診斷，基于IP的可擴(kuò)展面向服務(wù)的中間件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用。

2 專用車硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基于車載以太網(wǎng)的硬件架構(gòu)方案

車載以太網(wǎng)是未來(lái)各種架構(gòu)實(shí)現(xiàn)落地的基礎(chǔ)，基于車載以太網(wǎng)技術(shù)的電氣架構(gòu)總體上分為域控架構(gòu)、中央平臺(tái)區(qū)域架構(gòu)以及云計(jì)算+中央計(jì)算架構(gòu)。其中域控階段是車載以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于車輛電氣系統(tǒng)的初級(jí)形態(tài)，在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)跨域融合，使得域控制器數(shù)量進(jìn)一步減少[1]。到中央平臺(tái)+區(qū)域控制器模式后，車輛所有控制權(quán)收歸中央計(jì)算單元，區(qū)域控制器負(fù)責(zé)中央計(jì)算單元指令的轉(zhuǎn)發(fā)及執(zhí)行以及區(qū)域內(nèi)信號(hào)的收集與處理。電子電氣架構(gòu)不同階段特點(diǎn)如表1所示，車載以太網(wǎng)的應(yīng)用使車輛軟件架構(gòu)從傳統(tǒng)的信號(hào)交互逐漸轉(zhuǎn)向服務(wù)交互。

表1 功能清單

2.2 專用車電子電氣硬件架構(gòu)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)專用車輛特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)成熟度和實(shí)現(xiàn)難度，設(shè)計(jì)一種域控形式的電氣硬件架構(gòu)，滿足不同功能專用車的功能需求。如圖1所示，該硬件架構(gòu)主體包括中央網(wǎng)關(guān)和三個(gè)域控制器。

圖1 域控硬件架構(gòu)形式

Centrel Gateway為中央網(wǎng)關(guān)，CCDC為底盤(pán)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(wǎng)通信，主要用于中央網(wǎng)關(guān)與各個(gè)域控制器之間的數(shù)據(jù)量較大的通信，細(xì)線表示控制器域網(wǎng)（Controller Area Network, CAN）總線通信形式，主要用于各個(gè)域的內(nèi)部通信。這種架構(gòu)CAN和以太網(wǎng)并存，大數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性均得以保證，且由于以太網(wǎng)的小范圍應(yīng)用使得對(duì)網(wǎng)關(guān)的處理能力要求較低[2]。

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

3 車載以太網(wǎng)專用車架構(gòu)開(kāi)發(fā)

專用車架構(gòu)因?yàn)槿谌肓艘蕴W(wǎng)通信架構(gòu)，設(shè)計(jì)過(guò)程中相較之前架構(gòu)設(shè)計(jì)流程出現(xiàn)了面向服務(wù)的架構(gòu)（Service-Oriented Architecture, SOA）設(shè)計(jì)。面向服務(wù)是一種軟件設(shè)計(jì)方法，有明確的可調(diào)用接口，基于中間件和網(wǎng)絡(luò)傳輸。服務(wù)是一個(gè)離散的功能單元，可遠(yuǎn)程訪問(wèn)并獨(dú)立執(zhí)行和更新。應(yīng)用SOA使得各系統(tǒng)之間互聯(lián)互通、軟硬件得以分離且縮短了開(kāi)發(fā)周期。在整車生命周期內(nèi)，汽車的功能更新更方便，整車架構(gòu)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(yīng)用使架構(gòu)總體開(kāi)發(fā)流程劃分為以下幾個(gè)部分：功能及需求設(shè)計(jì)、SOA服務(wù)設(shè)計(jì)、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能及軟件分配、架構(gòu)總體設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

功能及需求設(shè)計(jì)分為需求設(shè)計(jì)和功能規(guī)范編制。需求設(shè)計(jì)輸出的主要內(nèi)容為功能清單，對(duì)功能及其子功能，功能特性等進(jìn)行描述，表2為上裝的部分功能清單。

表2 功能清單

功能規(guī)范的編制主要輸出內(nèi)容為相關(guān)功能的設(shè)計(jì)規(guī)范文檔，包括相關(guān)功能策略、提示需求、功能的使能條件與觸發(fā)條件。

SOA服務(wù)設(shè)計(jì)階段主要分為服務(wù)及服務(wù)接口定義，服務(wù)設(shè)計(jì)及建模。服務(wù)及服務(wù)接口定義應(yīng)能夠滿足提出的功能及需求。分為基礎(chǔ)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)，基礎(chǔ)服務(wù)指具有特殊任務(wù)的子功能，有助于實(shí)現(xiàn)功能。如聲音識(shí)別、服務(wù)注冊(cè)?；A(chǔ)服務(wù)可被多個(gè)其他服務(wù)調(diào)用，一般不調(diào)用其他服務(wù)。應(yīng)用服務(wù)指直接實(shí)現(xiàn)功能的服務(wù)。表3為專用車部分的服務(wù)定義列表，定義內(nèi)容包括服務(wù)名稱、服務(wù)ID、服務(wù)描述。

表3 服務(wù)定義

服務(wù)設(shè)計(jì)及建模主要是對(duì)已定義服務(wù)進(jìn)一步做詳細(xì)設(shè)計(jì)，如表4所示，對(duì)服務(wù)的提供者、使用者、關(guān)聯(lián)服務(wù)、子功能進(jìn)行定義。

表4 服務(wù)設(shè)計(jì)及建模

服務(wù)接口主要分為控制設(shè)置類和狀態(tài)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(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，F(xiàn)F-Method接口是不需要Server端給出響應(yīng)，RR-Method需要Server端給出響應(yīng)。Event接口指Client端訂閱一個(gè)服務(wù)，Server端發(fā)布該服務(wù)。Field接口分為Setter/Getter和Notifier。

上裝系統(tǒng)上裝信息服務(wù)的接口具體內(nèi)容定義如表5所示，具體定義了各項(xiàng)服務(wù)接口包含的內(nèi)容、接口形式以及接口之間的關(guān)系。

表5 上裝信息服務(wù)接口

可以看出專用車上裝信息服務(wù)的服務(wù)方是B&UCDC，消費(fèi)方是ICDC和CCDC，該服務(wù)的接口基于SOME/IP協(xié)議中的EVENT機(jī)制，該服務(wù)所包含信息共同組成了一個(gè)事件組。

上裝信息服務(wù)的交互序列圖如圖2所示，車輛ON擋上電后，服務(wù)使用方通過(guò)SOME/IP協(xié)議確認(rèn)所需要的服務(wù)的狀態(tài)，收到服務(wù)提供方響應(yīng)后，對(duì)該項(xiàng)服務(wù)所包含的事件組進(jìn)行訂閱，訂閱成功后，服務(wù)提供方向服務(wù)使用方發(fā)送服務(wù)中包含的信息[3]。

圖2 上裝信息服務(wù)交互序列圖

軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括應(yīng)用層軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、整車軟件組件（Soft Ware Component, SWC）分解、屬性定義及接口設(shè)計(jì)、應(yīng)用層軟件需求設(shè)計(jì)，生成各個(gè)部分的軟件組件發(fā)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(guān)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(duì)應(yīng)的服務(wù)、邏輯功能模塊、處理器、硬 件進(jìn)行對(duì)應(yīng)。軟硬件映射關(guān)系建立主要是將SWC與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及硬件處理器進(jìn)行綁定。架構(gòu)總體設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)進(jìn)行電氣原理圖，網(wǎng)絡(luò)關(guān)系映射設(shè)計(jì)。軟件工程師和系統(tǒng)工程師將根據(jù)劃分進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、應(yīng)用層軟件開(kāi)發(fā)等工作[4]。

4 基于工具鏈的專用車架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于車載以太網(wǎng)的SOA架構(gòu)設(shè)計(jì)工具鏈主要以PREEvision為主體，圖3為SOA架構(gòu)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)工具鏈設(shè)計(jì)流程示意圖，完成需求設(shè)計(jì)、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、通信設(shè)計(jì)，使用CANdelastudio進(jìn)行診斷相關(guān)設(shè)計(jì)，將軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)輸出物數(shù)據(jù)庫(kù)文件導(dǎo)入CANoe，使用CAPL語(yǔ)言以及Panel功能進(jìn)行仿真。通信設(shè)計(jì)生成ARXML后導(dǎo)入Davinci工具中進(jìn)行接口配置，隨后在Modeling tools中進(jìn)行AUTOSAR 相關(guān)配置并生成代碼，生成診斷描述（CANdela Diagnostic Descriptions, CDD）文件后，導(dǎo)入Davinci 工具中進(jìn)行配置并生成代碼。在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（Integrated Development Environ- ment, IDE）軟件中對(duì)代碼進(jìn)行編譯并導(dǎo)出可刷寫(xiě)軟件，刷寫(xiě)進(jìn)控制器中[5]。

圖3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具鏈

在PREEvision中服務(wù)及軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)服務(wù)、接口參數(shù)等進(jìn)行定義。將上裝信息服務(wù)等在頁(yè)面中進(jìn)行定義。服務(wù)的分配與部署設(shè)計(jì)界面對(duì) 服務(wù)進(jìn)行部署分配，在PREEvision中通信設(shè)計(jì)、序列化設(shè)計(jì)以及服務(wù)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)界面對(duì)上裝控制器及其他節(jié)點(diǎn)的硬件地址、服務(wù)間的交互序列、地址信息等進(jìn)行配置。將設(shè)計(jì)生成的數(shù)據(jù)庫(kù)文件導(dǎo)入CANoe或其他仿真軟件中進(jìn)行全架構(gòu)仿真或剩余總線仿真，檢驗(yàn)在PREEvision中進(jìn)行的通信設(shè)計(jì)、功能邏輯等[6]，如圖4所示。

圖4 CANoe通信仿真及邏輯驗(yàn)證

5 總結(jié)

本文提出的專用車域控架構(gòu)基于車載以太網(wǎng)通信技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)CAN通信技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種形式對(duì)處于分布式電子電氣架構(gòu)的汽車廠商來(lái)說(shuō)更加容易接受。將專用車上裝系統(tǒng)融入整車架構(gòu)，使上裝和車輛其他系統(tǒng)互聯(lián)互通，互相服務(wù)，專用車智能化水平有效提升。隨著車輛上硬件和軟件的進(jìn)一步整合，汽車廠商軟件水平的進(jìn)一步提升，電氣架構(gòu)將逐漸向域控融合，中央計(jì)算平臺(tái)+區(qū)域控制器的形式發(fā)展，車輛功能將更加靈活多樣，迭代速度將進(jìn)一步加快，電子電氣架構(gòu)和軟件對(duì)于汽車的意義將更加重大。