一種新型智能車載單元OBU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與量產(chǎn)

張亮　周濤濤　涂振益　彭振文　劉強(qiáng)生

摘 要：OBU（On Board Unit），即車載單元[1]。在智能網(wǎng)聯(lián)車路系統(tǒng)中，OBU使不同廠商車輛，以及路側(cè)單元RSU（Road Side Unit）[1]互聯(lián)互通。本文設(shè)計(jì)了一種新型OBU系統(tǒng)，融合了5G通信、C-V2X通信（Cellular Vehicle to Everything，V2X）[2]和GNSS定位、硬件加密等功能。針對客戶需求和OBU系統(tǒng)架構(gòu)，對軟硬件子單元進(jìn)行了詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)，經(jīng)落地優(yōu)化、批量生產(chǎn)，成功大規(guī)模應(yīng)用于城市公交系統(tǒng)與車路協(xié)同項(xiàng)目中。

關(guān)鍵詞：車路協(xié)同 OBU系統(tǒng) 5G C-V2X 加密

1 引言

在智慧交通和車路協(xié)同的大趨勢引領(lǐng)下，隨著C-V2X新型車用無線通信技術(shù)的成熟，汽車網(wǎng)聯(lián)化需求飛速增長。C-V2X是基于4G/5G等蜂窩網(wǎng)通信技術(shù)演進(jìn)形成的新型車用無線通信技術(shù)，當(dāng)前 C-V2X主要包含車、人、交通路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)[2]。由車載終端OBU與路側(cè)設(shè)備RSU、蜂窩基站、云端平臺(tái)等組成車路協(xié)同系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)路況與危險(xiǎn)預(yù)警等業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2 OBU終端系統(tǒng)原理

OBU終端系統(tǒng)原理架構(gòu)如圖１所示，系統(tǒng)融合5G、C-V2X、GNSS、WIFI、BLE（低功耗藍(lán)牙）技術(shù)于一體、與車載網(wǎng)絡(luò)總線包括汽車CAN總線、以太網(wǎng)、音視頻、RS232和RS4855等通信。OBU采集定位、車輛狀態(tài)和路況等信息，將這些信息由V2X模塊實(shí)時(shí)發(fā)送給路側(cè)單元RSU，RSU與控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。此外，OBU還將信息發(fā)送給同一RSU服務(wù)范圍內(nèi)的其他OBU。RSU將控制中心返回的電子地圖、路況、限速預(yù)警、調(diào)度等信息發(fā)送給各個(gè)OBU，與OBU連接的屏上實(shí)時(shí)顯示附近區(qū)域電子地圖、調(diào)度等信息。司機(jī)根據(jù)這些信息選擇最優(yōu)路線，避開堵車或者危險(xiǎn)區(qū)域。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件框架

如圖2所示，OBU終端硬件總體構(gòu)成主要有電源系統(tǒng)、主控制器、通信模塊、單片機(jī)、CAN控制器、車載以太網(wǎng)模塊、加密模塊、存儲(chǔ)模塊、慣導(dǎo)和陀螺儀模塊等，其中通信模塊包含5G、CV2X、GNSS、WiFi、BLE和音視頻。硬件系統(tǒng)提供豐富的對外接口，主要包括音視頻、RS232、RS485和GPIO等。由于系統(tǒng)硬件包含內(nèi)容較多，下文只對重點(diǎn)單元進(jìn)行介紹。

3.2 各模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)電源

根據(jù)車輛電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)與客戶需求，本系統(tǒng)電源輸入采用標(biāo)準(zhǔn)24V，試驗(yàn)電壓波動(dòng)范圍為18～32V，反接電壓為28V，過電壓為36V [3]。系統(tǒng)電源采用自恢復(fù)保險(xiǎn)絲防止過流，采用TVS抑制瞬態(tài)高壓；在低壓側(cè)采用NMOS管防反接，防護(hù)器件后端接共模電感、X電容和Y電容、LC吸收電路抑制EMI輻射和干擾。

為了滿足硬件各個(gè)模塊的供電需求，負(fù)載電源均采用DC-DC和LDO結(jié)合的降壓方式。DC-DC負(fù)責(zé)大電流高壓模塊供電、LDO負(fù)責(zé)小電流低壓模塊供電。

本系統(tǒng)備用電源采用安全性極高的鎳氫電池組。針對現(xiàn)有鎳氫電池充電技術(shù)速度慢、負(fù)載適應(yīng)性差、異常狀態(tài)響應(yīng)遲緩等缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)了一種專用恒流充電電路，即采用可調(diào)節(jié)充電電流和電壓的恒流充電方式給電池充電，具體由單片機(jī)控制開關(guān)電路和I2C總線來分別調(diào)節(jié)充電電流和電壓值。通過比較器比較充電電壓與參考電壓，當(dāng)充電電壓大于參考電壓時(shí)，比較器輸出高電平給開關(guān)管，從而控制降壓芯片關(guān)閉充電，以此確保電池在充電過程中發(fā)生意外及時(shí)斷電。同時(shí)，單片機(jī)實(shí)時(shí)采集電池溫度和電壓，當(dāng)有異常情況發(fā)生時(shí)及時(shí)關(guān)閉充電。

3.2.2 主控制器

系統(tǒng)主控制器硬件采用模塊化核心板設(shè)計(jì)，主芯采用恩智浦高性能車規(guī)級處理器IMX8QXP，內(nèi)置4核Cortex-A35，最高主頻1.2GHz。核心板對外接口主要包括：PCIE5.0、USB3.0、CAN 接口、千兆車載以太網(wǎng)接口、音視頻接口等。主控制器IMX8QXP上運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)各模塊、外設(shè)的數(shù)據(jù)交互、存儲(chǔ)、系統(tǒng)固件升級等。

3.2.3 通信模組

通信模組選用移遠(yuǎn)AG550，主要完成5G通信、GNSS定位數(shù)據(jù)解析與高精度差分定位協(xié)議解析、V2X 數(shù)據(jù)收發(fā)和加密、以太網(wǎng)通信、業(yè)務(wù)邏輯運(yùn)算、CAN總線車輛數(shù)據(jù)獲取、FOTA固件升級、電話語音、九軸慣導(dǎo)和陀螺儀傳感器驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)解析等。為了滿足車內(nèi)通信應(yīng)用場景，OBU系統(tǒng)還提供了WIFI、BLE連接，手機(jī)APP用戶通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程車輛診斷和控制，通過BLE實(shí)現(xiàn)汽車數(shù)字鑰匙。

3.2.4 CAN收發(fā)器

局域網(wǎng)絡(luò)控制器簡稱為CAN，主要負(fù)責(zé)車載故障診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作。

如車輛剎車狀態(tài)、轉(zhuǎn)向燈狀態(tài)、危險(xiǎn)信號(hào)燈狀態(tài)、速度、方向盤轉(zhuǎn)角等。CAN 收發(fā)器選用型號(hào)為TJA1042T，符合 ISO11898 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[3]。收發(fā)器電路采用了共模濾波器、匹配電阻、ESD保護(hù)等措施以提升信號(hào)完整性和抗干擾性能。

3.2.5 硬件加密

硬件加密已經(jīng)成為V2X通信不可或缺的重要一環(huán)。系統(tǒng)采用加密模塊XDSM3276，對V2X通信等進(jìn)行加密，通過SPI總線掛在主控制器上。模塊支持國密SM2算法，內(nèi)部儲(chǔ)存空間用于保存關(guān)鍵信息和秘鑰。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件總體框架

如圖3所示，系統(tǒng)軟件包含硬件適配層、系統(tǒng)組件、服務(wù)層和應(yīng)用層。硬件適配層包含操作系統(tǒng)相關(guān)接口和硬件外設(shè)接口驅(qū)動(dòng)；系統(tǒng)組件包含GNSS定位、V2X、網(wǎng)絡(luò)、車身數(shù)據(jù)獲取與控制、安全等各個(gè)模塊；服務(wù)層包含系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、V2X危險(xiǎn)檢測等應(yīng)用算法、OTA固件升級等各種服務(wù)；應(yīng)用層包含車路協(xié)同17個(gè)應(yīng)用場景具體實(shí)現(xiàn)[2]、TBOX、智驅(qū)、節(jié)油及相關(guān)服務(wù)。

4.2 通信協(xié)議

系統(tǒng)通信協(xié)議采用輕量級的數(shù)據(jù)交換格式規(guī)范JSON[2]。系統(tǒng)內(nèi)部各模塊間通信消息類型分為請求、響應(yīng)和通知。系統(tǒng)定義了四個(gè)模塊角色，分別為上位機(jī)診斷軟件HDU、電源管理控制器PMU、系統(tǒng)主控制器MCU、C-V2X處理器CVU。

4.3 各模塊設(shè)計(jì)

（1）主控制單元（MCU）： MCU負(fù)責(zé)不同模塊之間的通信。針對不同模塊之間的接口分別開啟單獨(dú)線程接收其命令，并對其進(jìn)行解析，然后分發(fā)給目的設(shè)備。MCU與HDU和PMU均采用串口進(jìn)行通信，創(chuàng)建不同的線程來接收處理HDU和PMU發(fā)送的命令；MCU與CVU采用網(wǎng)絡(luò)socket進(jìn)行通信。CVU發(fā)送的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后將自組包的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)譯成json格式，再調(diào)用指定函數(shù)對其解析。

（2）GNSS 定位模塊：GNSS定位為車輛提供基礎(chǔ)和高精度差分定位服務(wù)。涉及協(xié)議有NMEA0183、Ntrip Client和RTCM等。如圖4所示，GNSS硬件定位模塊提供基本定位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)內(nèi)開啟GNSS守護(hù)進(jìn)程負(fù)責(zé)與硬件定位模組進(jìn)行通信。定位模組信息以NMEA0183協(xié)議輸出，系統(tǒng)通過UBX協(xié)議對定位模組進(jìn)行相關(guān)參數(shù)配置。解析出基本定位信息后再將其注入V2X模塊，提供定位服務(wù)。

（3）CAN數(shù)據(jù)獲取與車輛控制： CAN數(shù)據(jù)傳輸是基于J1939協(xié)議，系統(tǒng)主控制器首先創(chuàng)建CAN通道，建立與車輛CAN總線之間的通信，接收CAN上的數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，解析后的數(shù)據(jù)通過socket傳給CVU，最終送給V2X進(jìn)行處理；主控制器同時(shí)接收CVU傳輸過來的車輛數(shù)據(jù)命令，解析完成后通過CAN 接口發(fā)給車輛CAN總線，實(shí)現(xiàn)對車輛的控制。

（4）V2X協(xié)議棧：V2X協(xié)議棧包含接入層接口、網(wǎng)絡(luò)層和消息層協(xié)議實(shí)現(xiàn)，其框架如圖5所示，接入層接口即Uu和PC5接口，由模組廠商提供相應(yīng)的SDK接口來初始化、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層包含數(shù)據(jù)子層和管理子層，數(shù)據(jù)子層主要包括適配層、IP和UDP/TCP 以及專用短消息協(xié)議；管理子層主要完成系統(tǒng)配置及維護(hù)。消息層位于應(yīng)用層內(nèi)部，向下對接網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)子層，向上支持用戶應(yīng)用。

5 系統(tǒng)測試

OBU在研發(fā)和量產(chǎn)階段行了大量測試，包括信號(hào)完整性、射頻性能、V2X內(nèi)外場測試、PC5接口的sidelink測試、功耗測試、可靠性測試。其中可靠性測試包括EMC、安規(guī)、高低溫、振動(dòng)、防塵防水等測試。測試結(jié)果均符合指標(biāo)要求。

6 量產(chǎn)出廠流程及測試

量產(chǎn)是整個(gè)產(chǎn)品落地應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，經(jīng)過多次小批量試產(chǎn)，總結(jié)設(shè)計(jì)出了一套高效的量產(chǎn)流程。整個(gè)過程采用精細(xì)化管理，以控制不良率。

如圖6所示量產(chǎn)出廠流程。生產(chǎn)準(zhǔn)備包括：物料準(zhǔn)備，測試軟件、工裝治具開發(fā)、核心板和車載以太網(wǎng)芯片程序燒錄等。貼片生產(chǎn)是指將相應(yīng)的元器件物料貼裝在PCB板上，貼完后通過光學(xué)設(shè)備對PCBA進(jìn)行質(zhì)量檢測。檢測完畢后，對PCBA半成品進(jìn)行通信模組固件燒錄。燒錄完成后對PCBA半成品進(jìn)行全面的功能和性能測試，通過測試的產(chǎn)品，將測試信息寫入到被測半成品內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)，電腦自動(dòng)打印二維碼，二維碼包含的信息有：生產(chǎn)測試信息、出廠編號(hào)、通信模組SN碼和IMEI碼。待組裝完成后將之前打印的二維碼貼于產(chǎn)品外殼，用掃碼槍掃描二維碼，便可查看該產(chǎn)品的相關(guān)信息。最后，整機(jī)產(chǎn)品全部進(jìn)行老化測試后方可出廠。

7 結(jié)束語

本文從客戶需求和實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種新型OBU系統(tǒng)，融合了C-V2X等多種通信技術(shù)和硬件加密技術(shù)，成功大規(guī)模應(yīng)用于城市公交系統(tǒng)、車路協(xié)同試點(diǎn)道路等多個(gè)場景，大大加速了智慧交通，無人駕駛的產(chǎn)業(yè)落地進(jìn)程。系統(tǒng)后續(xù)將進(jìn)一步對接車身雷達(dá)傳感系統(tǒng)，形成一套更加智能的無人駕駛輔助系統(tǒng)。

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