景峰，周逢軍，韓冰，孫帥帥

網(wǎng)聯(lián)分布式驅(qū)動電動汽車整車控制器硬件電路設(shè)計(jì)

景峰1，周逢軍2，韓冰1，孫帥帥2

（1.北京理工新源信息科技有限公司，北京 100081；2.北京理工大學(xué)前沿技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250357）

在設(shè)計(jì)網(wǎng)聯(lián)分布式驅(qū)動電動汽車整車控制器時(shí)，需要同時(shí)兼顧網(wǎng)聯(lián)功能和分布式驅(qū)動控制功能，具有一定的復(fù)雜性。文章提出一種硬件電路的設(shè)計(jì)方案，擴(kuò)展了分布式驅(qū)動新能源電動汽車4G通信和以太網(wǎng)通信的功能，增加了車輛與外界的交互，實(shí)現(xiàn)了車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該方案可為開發(fā)車輛的遠(yuǎn)程控制、智能化、多媒體化以及與外界的互聯(lián)互通等功能，提供技術(shù)支撐。

4G通信；以太網(wǎng)通信；分布式驅(qū)動電動車

引言

分布式驅(qū)動電動汽車是未來電動汽車發(fā)展的重要方向，具有驅(qū)動傳動鏈短、傳動高效、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。智能網(wǎng)聯(lián)汽車通過和周邊車輛、道路、基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行通信，從時(shí)間、空間維度擴(kuò)大了車輛對交通與環(huán)境的感知范圍，能夠提前獲知周邊車輛操作信息、交通控制信息、擁堵預(yù)測信息、視覺盲區(qū)等周邊環(huán)境信息[5-7]。為了充分發(fā)揮分布式驅(qū)動電動汽車和網(wǎng)聯(lián)汽車的優(yōu)勢，本文提出一種把4G通信和以太網(wǎng)通信集成于VCU（Vehicle control unit，整車控制器）的方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)冗余度，降低安裝過程中造成的風(fēng)險(xiǎn)；

（2）實(shí)現(xiàn)車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控；

（3）為實(shí)現(xiàn)車輛與外界的互聯(lián)互通提供支撐：V2V（Vehicle to Vehicle，車與車）、V2I （Vechile to Infrastructure，車與基礎(chǔ)設(shè)施）、V2P（Vehicle to People，車與人）、V2N（Vehicle to Network，車與云）、即V2X（Vehicle to Every- thing，車與任何事物的聯(lián)系）功能；

（4）在此方案基礎(chǔ)上，可通過以太網(wǎng)組建車內(nèi)局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸。

1 硬件的設(shè)計(jì)方法

1.1 系統(tǒng)的架構(gòu)和設(shè)計(jì)方案

VCU 控制器的功能劃分比較細(xì)致，實(shí)現(xiàn)的功能也很豐富，這對方案設(shè)計(jì)帶來一定挑戰(zhàn)。本設(shè)計(jì)方案是在常規(guī)的 VCU 控制板基礎(chǔ)上進(jìn)行迭代升級：（1）通過升級主控 CPU，提高系統(tǒng)的外設(shè)接口，增加系統(tǒng)的算力和處理能力；（2）通過ASCLIN 擴(kuò)展 4G 模組，實(shí)現(xiàn) 4G 網(wǎng)絡(luò)通信功能；（3）通過擴(kuò)展 PHY 接口系統(tǒng)增加以太網(wǎng)通信能力。系統(tǒng)功能框架如圖 1所示：

圖1 系統(tǒng)功能框架圖

下文將分別對控制器設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)部分：CPU 選型、4G通信功能和以太網(wǎng)通信部分進(jìn)行說明，其他常規(guī)接口部分不進(jìn)行特殊說明。

1.2 CPU選型

選擇英飛凌AURIX系列TC275作為整車控制器的主控芯片，TC275是一個(gè)三核微處理器，內(nèi)核最高工作頻率可達(dá) 200 MHz，擁有豐富的外設(shè)接口，如圖2所示，具備傳統(tǒng)VCU 控制板的CAN、CANFD、ASCLIN、高邊驅(qū)動、低邊驅(qū)動、ADC 數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號采集、PWM 輸出等功能。

本方案中，所采用的TC275，具有多核調(diào)度、工作頻率高、芯片處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在繼承傳統(tǒng)接口的基礎(chǔ)上，主要通過ASCLIN 擴(kuò)展出4G通信模組AG35，實(shí)現(xiàn)與外界的互聯(lián)互通。由于TC275芯片內(nèi)部集成了MAC（Media Access Control），可通過外接 PHY（Physical Layer Interface）芯片擴(kuò)展出Ethernet 功能，MAC與PHY之間通過RMII（Reduced Media Independent Interface）進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

圖2 TC275 模塊框圖

1.3 4G 通信功能

1.3.1功能劃分

基于實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用，4G通信模組的主要功能是完成與監(jiān)控平臺完成數(shù)據(jù)的交互，功能如下：

（1）將電動汽車的運(yùn)行采集數(shù)據(jù)返回到平臺上，實(shí)現(xiàn)平臺對車輛信息記錄，跟蹤，做大數(shù)據(jù)分析，持續(xù)跟蹤車輛的運(yùn)行狀態(tài)，對一些關(guān)鍵的部件（比如電池包，運(yùn)行軌跡）的關(guān)鍵參數(shù)實(shí)施大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，便于相關(guān)部門和企業(yè)更好地做出決斷；

（2）通過對車輛的持續(xù)監(jiān)控，當(dāng)車輛發(fā)生異常時(shí)，發(fā)出警告信息，減少損失；

（3）實(shí)現(xiàn)對車輛信息的遠(yuǎn)程診斷，升級的功能；

（4）在緊急突然情況下，平臺對車輛發(fā)出警告信息，比如電池溫度過高等。

1.3.2硬件選型

4G通信模組選用移遠(yuǎn)通信生產(chǎn)的AG35 模組，這是一款車規(guī)級的 LTE 通信模塊，最大下行速率150 Mbps和最大上行速率50 Mbps。同時(shí)，它內(nèi)置了多星座高精度GNSS GPS/ GLONASS/BeiDou/Galileo/QZSS 接收機(jī)，在簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時(shí)，大大提升了定位精度與速度，可以滿足功能開發(fā)需求。

1.3.3硬件電路實(shí)現(xiàn)

TC275與AG35模組之間主要是通過ASCLIN接口和一些IO接口，完成TC275與模組之間的控制和數(shù)據(jù)交互，設(shè)計(jì)的主要關(guān)鍵部分如下：

（1）電源。

由于射頻部分在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時(shí)，消耗的電流比較大，峰值電流會達(dá)到 3 A，所以電源部分增加了儲能電容和濾波電容，相應(yīng)的增加 PCB 部分電源線走線的寬度，增加電源的供給，減少電源線波動，如圖 3 所示：

圖3 電源部分

（2）通信接口。

本設(shè)計(jì)中TC275與AG35的通信主要通過ASCLIN 實(shí)現(xiàn)，TC275的電平端的工作電壓為5 V，AG35的接口電壓為1.8 V，所以中間增加了電平轉(zhuǎn)換芯片，如圖4所示：

圖4 電平轉(zhuǎn)換

（3）天線。

圖5 天線電路

AG35 模組包括三個(gè)天線，主天線，分集天線和GNSS 天線，天線部分的要求是阻抗匹配為50 Ω，如圖5所示。

以上部分主要對電源，通信，天線部分做了主要的說明，其他部分如SIM卡座接口電路，控制引腳以及狀態(tài)指示部分沒有做特殊的說明，這些共同構(gòu)成了AG35與TC275之間的通信。

1.4 以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)

1.4.1功能劃分

車載以太網(wǎng)為系統(tǒng)的一個(gè)擴(kuò)展功能，結(jié)合4G通信功能，在車輛的功能擴(kuò)展部分占據(jù)主要的功能，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）車載以太網(wǎng)作為自動駕駛功能的一部分，激光雷達(dá)和車載攝像頭通過以太網(wǎng)傳輸給主控芯片，主控通過數(shù)據(jù)分析和判斷對車輛的運(yùn)行作出判斷。

（2）車載以太網(wǎng)作為汽車域控制部分的一部分，可以通過以太網(wǎng)組建局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)流的交互，特別是車載信息娛樂系統(tǒng)開發(fā)，有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

1.4.2硬件選型

主控芯片TC275內(nèi)部集成了MAC部分，所以只需要給外部接入PHY芯片就可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)同行，PHY芯片選擇使用KSZ8041NLI芯片，該芯片支持10 M/100M自適應(yīng)功能，支持MII（Media Independent Interface）/RMII（Re- duced Media Independent Interface）接口，可以滿足系統(tǒng)要求。

1.4.3硬件電路實(shí)現(xiàn)

主控芯片TC275與PHY芯片KSZ8041NLI之間通過 RMII連接，輸出部分由隔離變壓器連接RJ45輸出，下面主要分析幾個(gè)特殊部分：

（1）RMII接口部分電路。

RMII接口部分電路主要包括信號線如表1所示，為了增加信號的抗干擾性，在進(jìn)行PCB布線時(shí)，對特殊信號線進(jìn)行著重處理。

表1 特殊信號處理

組號信號線名稱注意事項(xiàng) 1MDC,MDIO信號線做等長處理 2TX_EN,TXD0,TXD1信號線做等長處理 3CSR_DV,RXD0,RXD1信號線做等長處理 4REFCLK注意對時(shí)鐘線的保護(hù)

原理圖部分如下圖6所示。

（2）輸出接口部分。

輸出接口部分采用1:1的隔離變壓器連接到RJ45座，如圖7所示，在進(jìn)行PCB布線時(shí)，特別處理了差分信號（TX_P，TX_N，RX_P，RX_N）線的阻抗，調(diào)整為100 Ω。另外，外殼的接地與PCB板的地信號進(jìn)行了隔離。

圖6 外接phy芯片

圖7 帶隔離變壓器的 RJ45 座

以上主要介紹了RMII接口，輸出接口部分，外加電源部分，配置接口共同實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)通信功能。

1.5 PCB 板的整體設(shè)計(jì)

成品PCB板如下圖8所示?？紤]到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性，以及PCB板的尺寸要求，本設(shè)計(jì)在實(shí)際的layout中，做了以下的處理。

圖8 成品PCB板

電路板選用了6層的板，分為頂層、地平面層、電源層，信號層，地平面及底層，增加PCB板的密度，減少PCB的尺寸，增加了電源層，參考層提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。

（1）在具體布線時(shí)，系統(tǒng)的模擬地和數(shù)字地分開布線，單點(diǎn)連接。

（2）干擾性，輻射性強(qiáng)的信號（天線，晶振）遠(yuǎn)離其他信號線。

（3）大功率器件的布局，遠(yuǎn)離靈敏信號線，盡量布局到 PCB 板的邊緣位置。

2 軟件驗(yàn)證

整車控制器的軟件框架分為三個(gè)部分應(yīng)用層，中間層和底層驅(qū)動部分。

（1）應(yīng)用層是整車控制策略部分，基于MATLAB/ Simulink開發(fā)，經(jīng)過編譯生成C代碼。

（2）中間層為應(yīng)用層和底層驅(qū)動的接口部分，通過封裝中間層代碼部分為Simulink Library 來實(shí)現(xiàn)，由C代碼實(shí)現(xiàn)。

（3）底層驅(qū)動MCAL（Microcontroller Abstraction Layer）部分由EBTresos Studio軟件生成底層的C代碼，符合 AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）架構(gòu)的接口部分。

整個(gè)系統(tǒng)的代碼集成部分，在TASKING中進(jìn)行集成、編譯，生成目標(biāo)hex文件下載到PCB板中進(jìn)行調(diào)試。

在進(jìn)行軟件功能驗(yàn)證時(shí)，通過應(yīng)用層通過接口層調(diào)用底層函數(shù)驗(yàn)證系統(tǒng)的功能，驗(yàn)證了4G通信功能和以太網(wǎng)通信功能，為策略層的實(shí)現(xiàn)提供接口函數(shù)。

2.1 4G功能的實(shí)現(xiàn)

4G通信功能實(shí)現(xiàn)主要通過《GB/T32960.3—2016》來驗(yàn)證。VCU 通過采集車輛的信息，然后發(fā)送到監(jiān)控平臺上。流程如圖9所示。

圖9 4G測試流程圖

軟件實(shí)現(xiàn)了開機(jī)自檢，然后登錄監(jiān)控平臺，將采集到的數(shù)據(jù)（車輛的狀態(tài)、充電狀態(tài)、運(yùn)行模式、車速等）。通過報(bào)文將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控平臺。

軟件部分的實(shí)現(xiàn)通過AT指令與AG35模組完成通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。圖10為上報(bào)的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)解析。

圖10 平臺數(shù)據(jù)解析

通過以上測試，可以看到 4G 模組已經(jīng)可以正常運(yùn)行。

2.2 以太網(wǎng)功能驗(yàn)證

以太網(wǎng)部分功能的驗(yàn)證主要通過PC機(jī)與硬件PCB板互聯(lián)測試完成的。測試的流程圖如圖11所示。

圖11 網(wǎng)絡(luò)測試流程圖

軟件在完成開機(jī)自檢后，等待ARP（Address Resolution Protocol）尋址，返回ARP報(bào)文，然后等待PC端發(fā)送UDP（User Datagram Protocol）報(bào)文，當(dāng)收到 PC 端的報(bào)文后，將接收的報(bào)文逆序后回傳給PC。測試結(jié)果如圖12所示。

通過以上測試驗(yàn)證了以太網(wǎng)模塊可正常運(yùn)行。

圖12 網(wǎng)絡(luò)測試報(bào)文

3 設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)和不足

本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了整車控制器與外界的通信，實(shí)現(xiàn)了與外界的互聯(lián)互通，為車輛的控制增加了新的功能接口。

3.1 本控制器方案的優(yōu)點(diǎn)

3.1.1取代了TBOX方案

避免了后續(xù)二次組裝過程中，增加對車輛的破壞，節(jié)省了后續(xù)的二次組裝和調(diào)試，減少了生產(chǎn)加工的難度和危險(xiǎn)系數(shù)。

3.1.2擴(kuò)展了車輛與外界的交互能力

由于增加4G通信接口部分，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對車輛的訪問，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，甚至危險(xiǎn)必要情況下的遠(yuǎn)程操作。

3.1.3增加了數(shù)據(jù)的交互能力

通過以太網(wǎng)的接入，彌補(bǔ)了CAN線通信時(shí)的帶寬問題，以太網(wǎng)部分可以實(shí)現(xiàn)100 M的數(shù)據(jù)交互，減少了CAN的負(fù)載率，為后續(xù)的車載娛樂，域控制交互提供了接口。

3.2 系統(tǒng)的不足

目前新的方案已經(jīng)逐步成熟，處于原理開發(fā)到實(shí)踐應(yīng)用階段，但存在以下不足：

3.2.1硬件需要進(jìn)一步完善

硬件部分雖然可以正常運(yùn)行和調(diào)試，但是對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證和調(diào)試，相關(guān)的EMC 測試部分也需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2.2軟件功能也需要改進(jìn)

軟件部分目前只是合并了原來車載VCU的基本控制方案和外部 TBOX的功能，其他的功能還需要進(jìn)一步的拓展，實(shí)現(xiàn)與外界更好的互聯(lián)互通，提供更多的應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)更多的功能。

4 結(jié)論

為了更好地實(shí)現(xiàn)分布式驅(qū)動電動車的控制和功能拓展，實(shí)現(xiàn)車輛與外界的交互，豐富車輛的功能，提升車輛駕駛過程的舒適度和可靠性。本方案提出了網(wǎng)聯(lián)分布式驅(qū)動電動汽車整車控制器電路設(shè)計(jì)方案和應(yīng)用場景，后期將專注于硬件功能的完善、場景算法的開發(fā)和測試工作。

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The Hardware Circuit Design for the Vehicle Controller Unit of the Networked Distributed Drive Electric Vehicle

JING Feng1, ZHOU Fengjun2, HAN Bing1, SUN Shuaishuai2

( 1.Beijing Science of Technology Xinyuan Information Technology Co., Ltd., Beijing 100081;2.Institute of Frontier Technology of Beijing University of Technology, Shandong Jinan 250357 )

When designing a networked distributed drive electric vehicle controller, it is necessary to take into account both the networked functions and the distributed drive control functions at the same time, which has a certain degree of complexity. This paper proposes a hardware circuit design scheme, which expands the functions of 4G communication and Ethernet communication for distributed driving new energy electric vehicles, increases the interaction between the vehicle and the outside world, and realizes the remote monitoring of the vehicle. The solution can provide a technical support for the implementation of the remote control, intelligence, multimedia, realization and interconnection with the outside world of the subsequent development of the vehicle.

4G communication; Ethernet communication; Distributed drive electric vehicle

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.002

U495; U469.7

B

1671-7988(2021)21-07-06

U495；U469.7

B

1671-7988(2021)21-07-06

景峰（1986—），男，本科，工程師，就職于北京理工新源信息科技有限公司，研究方向：分布式驅(qū)動電控技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。