韓 洋， 孫 燦， 劉兆丹

（北京汽車研究總院有限公司， 北京 101300）

當今社會，隨著車輛智能化技術的不斷革新，跨域集中式中央計算系統(tǒng)的研究和開發(fā)已經(jīng)成為一個新的探討話題。這種系統(tǒng)以控制中心為核心，通過各種傳感器和執(zhí)行機構對整個車身域內(nèi)各種系統(tǒng)進行監(jiān)控和控制，從而實現(xiàn)對整個車輛的智能化掌控。隨著智能交通的發(fā)展和推廣，跨域集中式中央計算系統(tǒng)將會成為載人車輛的主流控制方式，對提高行駛安全性和行車舒適度以及節(jié)約能源等方面都具有重要意義。

1 跨域集中式中央計算系統(tǒng)總體規(guī)劃

特種車輛由于需要執(zhí)行各種不同的任務，使用場景復雜。本系統(tǒng)基于全新的CAN+以太網(wǎng)的混合網(wǎng)電氣架構，采用跨域集中式中央計算單元系統(tǒng)，對車輛電子元件進行一體化操作控制，包含燈光、車窗、座椅、雨刷、車窗、遙控駕駛、懸架調(diào)節(jié)、輪胎自動充放氣等裝置的控制，同時包含CAN總線、TSN以太網(wǎng)接口等多種網(wǎng)絡通信接口[1]。本系統(tǒng)由于集成了多個控制器的功能，減少整車控制器的數(shù)量，提高可靠性，并且支持高實時性以太網(wǎng)接入，大大提高數(shù)據(jù)交互的效率以及相應速度。

2 跨域集中式中央計算系統(tǒng)的設計

2.1 硬件系統(tǒng)設計

2.1.1 系統(tǒng)架構設計

中央計算系統(tǒng)需要實現(xiàn)車身控制、懸架調(diào)節(jié)、自動充放氣、遙控駕駛的相關功能信息采集、計算、控制以及驅動；采用CAN總線、以太網(wǎng)等多種手段進行信息的收集、控制指令的發(fā)送。整體硬件連接架構如圖1所示。

圖1 硬件架構圖

2.1.2 系統(tǒng)核心元器件設計

主控芯片作為系統(tǒng)的核心，需要具備強大的處理能力，以確保對各個子系統(tǒng)的高效監(jiān)控和控制。本系統(tǒng)將TC377作為集成電路主芯片，提供高性能的處理能力、豐富的內(nèi)存資源。采用CAN收發(fā)器TJA1041、TJA1145實現(xiàn)CAN以及CAN-FD總線通信，采用TJA1101百兆以太網(wǎng)卡實現(xiàn)TSN以太網(wǎng)通信，具備CAN+以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互能力。28路數(shù)模采集接口，52路高功率輸出接口，20路低功率輸出接口，具備豐富的信息采集能力以及強大的對外驅動能力。

2.1.3 網(wǎng)絡通信設計

由于中央計算系統(tǒng)需要對不同的傳感器和執(zhí)行機構進行監(jiān)控和控制，因此需要通過網(wǎng)絡通信實現(xiàn)不同設備之間的數(shù)據(jù)交互[2]。本系統(tǒng)利用CAN、CANFD以及TSN以太網(wǎng)接口等多種方式進行網(wǎng)絡通信，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性、實時性。同時，還需要對各網(wǎng)絡進行合理地規(guī)劃和優(yōu)化，以避免數(shù)據(jù)沖突和網(wǎng)絡擁堵等問題。

2.2 軟件設計

2.2.1 軟件架構設計

跨域集中式中央計算系統(tǒng)采用分層架構進行設計，主要分為應用軟件層、中間件層和硬件控制層。應用軟件層負責用戶交互和系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，中間件層實現(xiàn)應用軟件與硬件控制的接口，硬件控制層實現(xiàn)對物理設備的控制。系統(tǒng)軟件架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件架構圖

針對各個模塊的需求，選擇合適的編程語言和軟件開發(fā)工具。針對數(shù)據(jù)通信的模塊使用C或C++語言進行開發(fā)[3]，針對用戶交互的模塊可以選擇Java語言進行開發(fā)。在數(shù)據(jù)結構與算法中，采用隊列、鏈表等數(shù)據(jù)結構來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存、壓縮和解壓等功能。同時，應用合適的算法來滿足各類業(yè)務需求，如PID控制算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等。在系統(tǒng)開發(fā)時，對用戶交互設計進行充分的考慮，采用GUI界面進行交互，提供可配置的控制平臺等。在處理異常時，通過應用軟件層提供的錯誤處理機制來進行異常處理，使用調(diào)試工具來實現(xiàn)對異常的排查和修復。

本系統(tǒng)應用軟件層由3個內(nèi)核組成，即內(nèi)核0、內(nèi)核1和內(nèi)核2。信息交換則采用TC377公共MAP方式來實現(xiàn)，TC377的所有外圍接口都可以被3個內(nèi)核訪問，便于軟件架構和接口驅動的開發(fā)[4]。內(nèi)核0主要處理邏輯任務和休眠喚醒任務，系統(tǒng)在上電后首先進行初始化操作，然后由內(nèi)核0來執(zhí)行模型調(diào)度函數(shù)。內(nèi)核1主要處理鑰匙和胎壓高頻數(shù)據(jù)、低頻天線驅動、IMMO認證、鑰匙接近檢測等任務。而內(nèi)核2則主要用來處理網(wǎng)關任務，如報文路由等功能。通過這種分層軟件架構和內(nèi)核劃分的方式，可以讓系統(tǒng)的各個模塊功能更加清晰、獨立，同時可以提高軟件開發(fā)效率和系統(tǒng)的可維護性。此外，采用TC377公共MAP方式實現(xiàn)信息交換的方式，可以實現(xiàn)3個內(nèi)核之間的高效信息共享，從而更好地實現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制和管理。

2.2.2 車輛信息安全設計

在跨域集中式中央計算系統(tǒng)設計中，由于采用混合網(wǎng)的架構形式，信息安全性是至關重要的一個方面。中央計算系統(tǒng)應從安全入口、系統(tǒng)安全、通信安全、硬件安全4個方面進行信息安全方案設計。這4個方面主要包含安全診斷、安全接入、安全啟動、安全存儲、密鑰管理、防火墻、IDS入侵檢測、車內(nèi)安全通信SECOC、安全加密芯片13個安全組件。信息安全組件在零部件中主要部署在硬件控制層、中間件層、應用層。信息安全架構如圖3所示。

圖3 信息安全架構圖

2.3 電路設計

2.3.1 車燈電路設計

車燈是跨域集中式中央計算系統(tǒng)中非常重要的一個功能模塊，設計時需要考慮系統(tǒng)的可靠性、安全性、節(jié)能性等多重因素。首先為電源模塊的設計，車燈系統(tǒng)的電源模塊由穩(wěn)壓電源和DC-DC轉換器組成，用于將車輛電池提供的電壓轉換成適合車燈工作的電壓。在控制模塊設計中，包括控制板和跨域集中式中央計算系統(tǒng)的通信模塊，用于控制車燈狀態(tài)、調(diào)節(jié)車燈亮度、故障檢測等。車燈系統(tǒng)的燈組模塊由車前燈、車尾燈、輔助照明燈等組成，在設計時考慮燈組之間的控制聯(lián)動、尺寸匹配等因素。

2.3.2 雨刷電路設計

雨刷是跨域集中式中央計算系統(tǒng)的重要組成部分，其電源模塊設計與車燈硬件電路設計類似。雨刷系統(tǒng)的控制模塊包括控制面板、控制電路板、雨刷電機驅動板等，用于實現(xiàn)雨刷的啟?？刂啤⒄{(diào)節(jié)雨刷速度、調(diào)節(jié)雨刷頻率等功能。此外，雨刷硬件電路設計中需結合傳感器實現(xiàn)智能感應，用于實時監(jiān)測雨量、雨滴密度等參數(shù)，從而實現(xiàn)智能化雨刷控制。

2.3.3 開關量檢測電路設計

開關量檢測電路的設計主要是為了檢測一些設備的開關狀態(tài)，常用在車門開關、座椅開關、車窗開關等模塊中，設計時需要考慮以下幾個因素：一是信號源驅動，開關量檢測電路需要與設備的信號源相連接，并需要提供足夠的電流或電壓來驅動信號源，從而實現(xiàn)開關狀態(tài)檢測；二是信號處理，由于開關量檢測電路的輸入信號可能存在波動或干擾，因此需要對信號進行相應的處理，如濾波、放大等；三是信號檢測，開關量檢測電路的設計需要考慮如何判斷信號的高低電平狀態(tài)，一般采用比較器進行信號判斷，并輸出相應的數(shù)字信號?？缬蚣惺街醒胗嬎阆到y(tǒng)中的硬件電路設計需要結合具體的模塊功能進行綜合考慮，實現(xiàn)高效、可靠的系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)傳輸。

2.3.4 車窗電路設計

車窗硬件電路設計中需為車窗電路提供一個穩(wěn)定的電源，采用DC-DC轉換器或普通穩(wěn)壓電源來進行電源的管理，以便向車窗電機提供正常的電壓，以實現(xiàn)車窗的開啟和關閉功能。電源模塊還需要具備過壓保護、低壓保護等功能，以確保電路的安全與可靠性。為了保護整個電路系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，車窗硬件電路設計中還設置相關保護模塊，如過流保護、過壓保護、短路保護等，在車窗電路發(fā)生異常時，能夠及時切斷電源的輸入，以免對主控系統(tǒng)和設備造成損壞。

3 跨域集中式中央計算系統(tǒng)測試

在某車型上安裝本文設計的控制器進行實地測試，車輛靜止狀態(tài)及運行過程中，對于各類傳感器的數(shù)據(jù)采集正常，控制指令發(fā)出正常。測試過程中對燈光、雨刮、遙控、懸架調(diào)節(jié)、輪胎充放氣、休眠等功能進行檢測，對Bootloader刷寫功能進行了極限測試，各項功能運行正常，并且未出現(xiàn)亂序超時情況。測試結果表明，各項功能達到預期標準。

4 結束語

綜合分析跨域集中式中央計算系統(tǒng)的硬件電路和軟件設計，可以發(fā)現(xiàn)這種系統(tǒng)的研究和開發(fā)是一個復雜而又重要的領域。通過設計分層架構，進行內(nèi)核劃分和采用適當?shù)木幊陶Z言和算法等方式，可以實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊之間的協(xié)調(diào)工作，提高其功能性和可靠性。系統(tǒng)硬件電路設計方面需要考慮電源模塊、控制模塊、傳感器模塊等多個方面的因素，并結合各個模塊之間的聯(lián)動進行設計，以確保系統(tǒng)的高效安全運行。在軟件設計中，需要采用適合的算法和數(shù)據(jù)結構，設計可靠的異常處理機制，充分考慮用戶交互性和系統(tǒng)的可維護性等因素，最終實現(xiàn)對整個車輛的智能化控制。