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本文介紹了向軟件定義車輛的過渡，以及向電動/電子 (E/E) 區(qū)域架構(gòu)的遷移如何解決配電、傳感器和傳動器以及數(shù)據(jù)通信方面的難題。
1 配電挑戰(zhàn)和解決方案
了解新區(qū)域架構(gòu)對汽車配電的影響。
2 智能傳感器和傳動器的挑戰(zhàn)和解決方案
了解物理和邏輯 IO 功能的分離以及對傳感器和傳動器的影響。
3 數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)和解決方案
了解在保持通信安全的情況下所需的數(shù)據(jù)類型組合及其共存性。
引言
在過去幾十年中，電子產(chǎn)品在汽車系統(tǒng)創(chuàng)新中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。新的半導(dǎo)體器件與新穎的特性相結(jié)合，增強了汽車機械系統(tǒng)提供的功能。
雖然半導(dǎo)體解決方案和電子產(chǎn)品在汽車電子產(chǎn)品中繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用，但展望未來，汽車創(chuàng)新的更明顯特征將是軟件創(chuàng)新和整合。軟件架構(gòu)的這種變化是通過開發(fā)相關(guān)硬件和半導(dǎo)體解決方案來實現(xiàn)的。
克服 E/E 架構(gòu)挑戰(zhàn)
當(dāng)今的 E/E 架構(gòu)主要采用域架構(gòu)來組織電子控制單元 (ECU)，并將電纜連接到特定的域（如動力總成域）。相比之下，區(qū)域架構(gòu)會根據(jù)域功能在汽車內(nèi)部的位置或區(qū)域，對多個甚至全部域功能進行分組。
圖 1 展示了對車輛功能進行分組的域和區(qū)域方法，而圖 2 展示了區(qū)域架構(gòu)的更詳細視圖，其中包含稱為車輛計算的中央計算節(jié)點。
圖 1. 域架構(gòu)與區(qū)域架構(gòu)。
圖 2. 汽車中的典型區(qū)域架構(gòu)，其中顯示了傳感器、傳動器、區(qū)域模塊和中央計算節(jié)點。
這種從域架構(gòu)到區(qū)域架構(gòu)的轉(zhuǎn)換將有助于使傳感器和傳動器與中央車輛計算節(jié)點保持獨立。換言之，硬件和軟件更新周期可以不同，傳感器和傳動器設(shè)計可以用于更多個車輛設(shè)計周期。此外，區(qū)域架構(gòu)還將減少 ECU 數(shù)量和電纜長度，從而簡化車輛架構(gòu)和相關(guān)的系統(tǒng)驗證工作。
區(qū)域架構(gòu)讓 OEM 有更大控制權(quán)，包括通過無線更新進行高級軟件維護；固件無線 (FOTA) 更新以及始終開啟的云連接，從而實現(xiàn)新功能并改進自動駕駛等功能。這還將使 OEM 能夠遷移到基于服務(wù)的軟件結(jié)構(gòu)，例如將實時控制環(huán)路轉(zhuǎn)移到區(qū)域模塊。此外，區(qū)域模塊可實現(xiàn)更優(yōu)化的配電拓撲（包括關(guān)閉未使用模塊的電源），這對于電池電動車輛和混合動力電動車輛尤其有利。
盡管利用區(qū)域架構(gòu)有可能實現(xiàn)巨大改進，但在配電、傳感器和傳動器以及數(shù)據(jù)平面拓撲方面仍存在挑戰(zhàn)。配電將使用區(qū)域模塊中的智能保險絲從集中式部署過渡到分散式部署。傳感器和傳動器將變得智能。某些功能（包括控制環(huán)路）將移至區(qū)域模塊，以便增加基于服務(wù)的通信，減少基于信號的通信。最后，數(shù)據(jù)通信將通過速度更高的網(wǎng)絡(luò)進行，新的物理層 (PHY) 傳輸各種數(shù)據(jù)類型。
配電挑戰(zhàn)和解決方案
蓄電池必須為分布在車輛上的大多數(shù) ECU 供電。在域架構(gòu)中，由熔斷型保險絲和繼電器組成的配電盒進行這種配電，如圖 3 所示。
圖 3. 一個典型的配電盒，此配電盒具有熔斷型保險絲和機械繼電器。
配電盒中的熔斷型保險絲具有不同的時間-電流特性 (TCC)，以便支持汽車中不同類型的線束和負載。該盒位于車輛中一個可觸及的位置，方便輕松更換保險絲。
雖然圖 3 顯示配電盒中沒有半導(dǎo)體器件，但 OEM 正在使用半導(dǎo)體器件升級這些配電盒；繼電器被半導(dǎo)體高側(cè)開關(guān)取代，輸入/輸出控制線路被控制器局域網(wǎng) (CAN) 和本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN) 收發(fā)器等通信接口取代。
使用基于半導(dǎo)體的配電盒的原因有多個方面：增強診斷、故障保護、可復(fù)位保險絲、小尺寸設(shè)計和減輕線束重量。隨著 OEM 部署區(qū)域架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計人員正在重新思考配電問題，并考慮兩個額外的注意事項：配電分散化以及用半導(dǎo)體保險絲代替熔斷型保險絲。
配電分散化
區(qū)域架構(gòu)使用區(qū)域網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)分發(fā)到區(qū)域中的智能傳感器、傳動器和 ECU，并整合數(shù)據(jù)以用于與中央計算模塊進行通信。這些區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)還可以為該區(qū)域中的模塊分配電力。例如，如果將單個電源線束從電池鋪設(shè)到區(qū)域，則該區(qū)域中的區(qū)域模塊將向該區(qū)域中的模塊分配電力。圖 2 也闡明了這一概念，其中區(qū)域模塊向該區(qū)域中的模塊分配電力。也就是說，區(qū)域模塊包括分配電力所需的相關(guān)保險絲和繼電器。
與集中式配電所需的線束長度相比，這種配電方法的優(yōu)勢在于，從電池到每個區(qū)域的電源線束長度會縮短。這會直接轉(zhuǎn)化為更低的重量和成本。
分散式配電的挑戰(zhàn)之一是設(shè)計能在任何區(qū)域工作的配電箱，而不管該區(qū)域的負載如何，這種配電箱不僅有助于降低設(shè)計成本，還可以減輕庫存管理。通過使用包括半導(dǎo)體微控制器 (MCU)、高側(cè)開關(guān)和收發(fā)器在內(nèi)的智能配電盒，可以使用軟件來配置硬件以匹配該區(qū)域中的負載。
用半導(dǎo)體保險絲替代熔斷型保險絲
標(biāo)準(zhǔn)熔斷型保險絲會在遇到大電流時熔斷，以此中斷電流流動。圖 4 中顯示的 TCC 曲線描述了這種熔斷行為。區(qū)域架構(gòu)如何為完全由軟件定義的車輛鋪平道路 4 October 2024
圖 4. Littlefuse 微保險絲的 TCC 曲線。
許多因素都會影響保險絲特性，例如接觸電阻、空氣溫度和電流瞬變。由于這些因素，系統(tǒng)設(shè)計人員會根據(jù)標(biāo)稱工作電流、工作溫度范圍、浪涌電流和電流瞬態(tài)形狀來降低保險絲的標(biāo)稱熔點 I2t（安培平方秒）額定值。例如，將保險絲的額定電流降低 25% 可防止保險絲出現(xiàn)干擾性熔斷。
選擇基于保險絲的降額電流意味著線束中的電流會根據(jù)保險絲的溫度條件而變化。線束設(shè)計人員可能必須選擇不太理想的線束測量儀表，以便在特定溫度條件下傳遞保險絲允許的更高電流。
進一步優(yōu)化線束的一種方法是使用具有 I2t 特性的半導(dǎo)體高側(cè)開關(guān)集成電路 (IC)。典型的高側(cè)開關(guān)具有過流保護功能；也就是說，當(dāng)電流超過特定閾值時，高側(cè)開關(guān)會鉗制電流或自行打開，從而保護下游線束和負載。通過向高側(cè)開關(guān)添加 I2t 特性，開關(guān)會根據(jù)流經(jīng)的電流（更具體地說是電流的平方）在不同的時間打開。使用基于 I2t 的半導(dǎo)體高側(cè)開關(guān)可減少保險絲特性的變化，從而實現(xiàn)更優(yōu)化的線束測量儀表，這有助于進一步減輕線束的重量。
智能傳感器和傳動器的挑戰(zhàn)和解決方案
區(qū)域 E/E 架構(gòu)會顯著影響車輛邊界（即所謂的邊緣）的感應(yīng)和驅(qū)動功能。在域架構(gòu)中，通常由靠近傳感器或傳動器的專用 ECU 執(zhí)行這些功能。新特性和功能通常會產(chǎn)生新的 ECU，每個 ECU 都具有專用的電池電源和網(wǎng)絡(luò)線路，從而進一步增加線束的復(fù)雜性。通過將多個 ECU 的邏輯輸入/輸出 (I/O) 功能合并到區(qū)域模塊中，并保持傳感器和傳動器的位置，引入?yún)^(qū)域模塊可以極大地降低線束的復(fù)雜性。這會將物理和邏輯 I/O 功能分離開，如圖 5 所示，從而帶來了新的挑戰(zhàn)并需要新的解決方案。
圖 5. 邏輯與物理 I/O 功能的分離有助于從域架構(gòu)過渡到區(qū)域架構(gòu)。
區(qū)域模塊 – 新的微控制器要求
在單個區(qū)域模塊中集成不同的邏輯 I/O 功能（包括控制環(huán)路），意味著該模塊要滿足每個 I/O 功能的各項要求，從而產(chǎn)生這些針對 MCU 的特定要求：
- 高實時性能
- 大量的程序和數(shù)據(jù)存儲器
- 通過虛擬化為具有不同汽車安全完整性級別的功能提供混合重要性支持
- 面向主干的高速通信接口
- 多個低端通信外設(shè)（例如 CAN FD 或 LIN）實例，用于連接智能傳感器和執(zhí)行器
為了滿足這一多樣化的要求，MCU 需要支持區(qū)域模塊驅(qū)動的要求。同時，TI 提供具有足夠?qū)崟r功能的異構(gòu)片上系統(tǒng) (SoC)，例如 DRA821 或 AM2x 嵌入式處理器，此類 SoC 可以在經(jīng)過優(yōu)化的區(qū)域 MCU 推出之前彌合這一差距。
智能傳感器和執(zhí)行器
邏輯和物理 I/O 功能的分離會影響傳感器和執(zhí)行器。專為調(diào)節(jié)傳感器信號和驅(qū)動執(zhí)行器設(shè)計的 IC 需要增強局部智能和通信功能。局部智能可保持電路狀態(tài)，并可運行后臺診斷以檢測傳感器或執(zhí)行器故障。集成的通信接口至少包括一個協(xié)議處理程序（例如 LIN 響應(yīng)器實現(xiàn)），或者更簡單版本的 CAN FD 數(shù)據(jù)鏈路層，例如 CAN FD Light，它旨在消除邊緣節(jié)點中對 MCU 的需求。此類集成將使智能 IC 能夠自主控制傳感器或執(zhí)行器，并創(chuàng)建一個成本和尺寸經(jīng)過優(yōu)化的解決方案，該解決方案可集成到傳感器或執(zhí)行器外殼中，如圖 6 (a) 所示。
圖 6. 驅(qū)動器實現(xiàn)示例：集成在封閉外殼中的智能驅(qū)動器 (a)；用于復(fù)合執(zhí)行器解決方案的小型 ECU (b)；通過區(qū)域模塊控制的簡單執(zhí)行器 (c)。
對于更復(fù)雜的傳感器（例如雷達衛(wèi)星）或復(fù)合執(zhí)行器（例如具有各種電機的座椅控制單元），基于小型 ECU 的經(jīng)典方法可能仍然是極其高效的解決方案（請參閱圖 6 (b)）。此外，區(qū)域模塊的專用信號線（請參閱 圖 6 (c)）可以直接控制非常簡單的傳感器或執(zhí)行器。
根據(jù)控制和感應(yīng)信號的數(shù)量、傳感器和執(zhí)行器復(fù)雜性以及安裝限制等方面的因素，設(shè)計人員可以選擇這些解決方案中的任何一種。此外，CAN 局部聯(lián)網(wǎng)等通信協(xié)議可以通過選擇性地僅在需要時喚醒 MCU，使其在更長時間內(nèi)保持低功耗模式，從而減少執(zhí)行器模塊的功耗。
數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)和解決方案
區(qū)域拓撲需要更加注重網(wǎng)絡(luò)連接；因此，外設(shè)組件快速互連 (PCIe)、CAN XL 和千兆位以太網(wǎng)等高帶寬接口的發(fā)展勢頭強勁。正確的物理層 (PHY) 可以滿足帶寬要求。
圖 7 是一個典型區(qū)域模塊的方框圖，其中包含高速通信鏈路。鑒于不同的吞吐量需求，以及為了向區(qū)域模塊和中央計算之間的流量組合提供帶寬，千兆位以太網(wǎng)和 PCIe 或 CAN XL 可能至關(guān)重要。在多種情況下，為遠距離電纜連接部署 PCIe 重定時器或轉(zhuǎn)接驅(qū)動器器件是有利的。CAN XL 能夠與現(xiàn)有 CAN 網(wǎng)絡(luò)兼容，同時無需更復(fù)雜的組網(wǎng)軟件即可提供高達 20Mbps 的速度。對于與傳感器和執(zhí)行器之間的區(qū)域模塊連接，可能需要帶寬要求更低，因此成本更低的總線系統(tǒng)（例如 LIN）。業(yè)界普遍的做法是提供一條具有標(biāo)準(zhǔn)化軟件控制功能的標(biāo)準(zhǔn)化總線，以采用一種完全基于服務(wù)和軟件的方法。
圖 7. 具有通信接口的區(qū)域模塊方框圖。
為了使所有鏈路都適應(yīng)未來需求，網(wǎng)絡(luò)拓撲可保障備用帶寬，尤其是區(qū)域模塊和中央計算之間的備用帶寬，從而在維護現(xiàn)有和已驗證硬件的同時實現(xiàn)軟件升級。
數(shù)據(jù)類型
面向未來還意味著實現(xiàn)完全自主駕駛（最高 5 級）；因此，該架構(gòu)包括可用性、彈性和安全標(biāo)準(zhǔn)。實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信彈性和結(jié)構(gòu)冗余的一種方法是通過環(huán)形拓撲，實現(xiàn)多播協(xié)議和數(shù)據(jù)有效性檢查。
在軟件方面，分布式區(qū)域拓撲必須處理差異很大的數(shù)據(jù)包類型組合，以適應(yīng)從簡短控制消息到高吞吐量傳感器和信息娛樂數(shù)據(jù)的各種數(shù)據(jù)。此外，所有這些流量類型在延遲、抖動、同步和錯誤率要求方面都不盡相同。簡而言之，它們的服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 需求各不相同。
數(shù)據(jù)的時間敏感性
為了適應(yīng)不同的延遲或 QoS 要求，基于以太網(wǎng)的時間敏感型網(wǎng)絡(luò) (TSN) 是一個不錯的選擇，但這種部署需要進行大量微調(diào)；較舊的 MCU 和處理器甚至不能在硬件中完全支持此功能。PHY IC 級或開關(guān)支持可能會有所幫助，尤其是在時間同步方面。
在許多情況下，在單個 SoC 中集成多個以太網(wǎng)端口可以成為節(jié)省布板空間和成本的一大優(yōu)勢。
對于音頻應(yīng)用，許多信息娛樂架構(gòu)已經(jīng)使用音頻視頻橋接 (AVB)，對于這種情況，時間同步非常重要（請參閱技術(shù)文章使用時鐘發(fā)生器優(yōu)化適用于汽車應(yīng)用的 eAVB）。AVB 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)過驗證，但在域架構(gòu)中部署時，它們不受許多并發(fā)問題的影響。隨著向區(qū)域架構(gòu)（該架構(gòu)將所有類型的數(shù)據(jù)流量結(jié)合在一起）轉(zhuǎn)移，較新的 TSN 特性變得越來越重要。
表 1 列出了一些可能與區(qū)域架構(gòu)實現(xiàn)相關(guān)的電氣電子工程師協(xié)會 (IEEE) TSN 標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)詳細信息，請參閱白皮書“面向工業(yè)自動化的時間敏感型網(wǎng)絡(luò)”。
表 1. 適用于汽車實時應(yīng)用的一些相關(guān) TSN 標(biāo)準(zhǔn)。
對于音頻用例，延遲目標(biāo)沒有動力總成或底盤控制用例那么嚴格（毫秒與微秒）。但是，即使在通過同一網(wǎng)絡(luò)路由大量元數(shù)據(jù)或配置數(shù)據(jù)流量或大量 ADAS 傳感器數(shù)據(jù)時，也不能違反音頻延遲要求 – 不能丟棄數(shù)據(jù)包。這就是仲裁和微調(diào)現(xiàn)有 TSN 參數(shù)非常重要的原因。一個眾所周知的參數(shù)是時間感知型整形 (TAS)，它在 TI 的 Processor SDK 中提供，被稱為調(diào)度流量增強 (EST) 分流。無論并行傳輸多少其他數(shù)據(jù)（如 ADAS 傳感器數(shù)據(jù)），TAS 都可保障在預(yù)定義的時間段后傳輸較低帶寬流量。理想情況下，將 TSN 硬件開關(guān)集成在 TI 的處理器（如 DRA821）中，可提供全面的軟件靈活性，同時硬件加速器可針對數(shù)據(jù)包處理以及轉(zhuǎn)發(fā)或主動丟棄數(shù)據(jù)包提供支持。
通信安全
除延遲和抖動等物理網(wǎng)絡(luò)屬性外，區(qū)域架構(gòu)還需要安全的通信路徑。互聯(lián)網(wǎng)上常見的基于以太網(wǎng)的攻擊方法和工具很大程度上同樣適用于道路車輛。當(dāng)汽車網(wǎng)絡(luò)受到安全威脅時，無法實現(xiàn)可信的通信，將 I/O 與計算分離的整個概念將不起作用。
出于這些原因，從整體上探討網(wǎng)絡(luò)安全主題非常重要。除了數(shù)據(jù)完整性、真實性和機密性這些核心功能外，整個產(chǎn)品開發(fā)和生命周期還離不開安全意識和文化。與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 26262 功能安全標(biāo)準(zhǔn)類似，ISO/汽車工程師協(xié)會 ISO/SAE 21434 是汽車網(wǎng)絡(luò)安全工程的新標(biāo)準(zhǔn)。此外，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會頒布了兩項新條例，規(guī)定如何管理車輛網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險，以及如何檢測和應(yīng)對車隊中的安全事件。
不可能簡單地針對如此多樣的數(shù)據(jù)類型增加安全性；通信效率同樣至關(guān)重要。使用 IPsec 保護互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)包的經(jīng)典方法適用于消耗較少網(wǎng)絡(luò)帶寬的控制和傳感器數(shù)據(jù)。要流式傳輸音頻數(shù)據(jù)或視覺/雷達傳感器數(shù)據(jù)，需要連續(xù)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)包流，至少要通過身份驗證來確保這些數(shù)據(jù)包的安全。但在軟件中執(zhí)行此操作會導(dǎo)致大量開銷，消耗重要的處理器資源。
克服瓶頸需要新的更低級別加密和身份驗證。MACsec 就是一個示例，它可以應(yīng)用于以太網(wǎng)協(xié)議的 1 級或 2 級，并集成到以太網(wǎng)媒體訪問控制 IP 或以太網(wǎng) PHY 中，以進行線速身份驗證和/或負載加密。
結(jié)語
區(qū)域架構(gòu)要求需要新的解決方案來克服配電、傳感器和執(zhí)行器以及數(shù)據(jù)通信方面的挑戰(zhàn)。
區(qū)域架構(gòu)如何為完全由軟件定義的車輛鋪平道路 9 October 2024通過向分散式智能保險絲過渡、更多地使用智能執(zhí)行器和傳感器，以及支持非常分散的數(shù)據(jù)類型組合的更高帶寬接口，或許能解決區(qū)域架構(gòu)實現(xiàn)中明顯的設(shè)計問題。
這些解決方案不會同時出現(xiàn)，而是在不斷地發(fā)展演變，并隨著時間的推移在商機成熟時引入變化，盡可能降低因太早推出而被束之高閣的風(fēng)險。車身域及其許多分布式執(zhí)行器和傳感器 將是最先移至區(qū)域架構(gòu)的一些域。將 ADAS 或動力總成和底盤控制轉(zhuǎn)換到區(qū)域架構(gòu)可能尚需時日。
區(qū)域架構(gòu)的最終目標(biāo)是完全實現(xiàn)軟件定義的車輛，即，將傳感器、執(zhí)行器、區(qū)域模塊和數(shù)據(jù)鏈路的理想標(biāo)準(zhǔn)化組件組合在一起。考慮到這一目標(biāo)，許多不同領(lǐng)域中的各種創(chuàng)意正在以整體方式進行整合，從而在未來幾十年實現(xiàn)基于軟件的創(chuàng)新。
