【導讀】汽車“四化”發展方向是汽車工業未來的發展趨勢

，其中包含自動駕駛
、網聯化、donglixitongdianqihuahegongxiangyidonghua。suizhezhinengjiashijishuduiyuzhengchezhinenghuachengduyaoqiudebuduantisheng，duiqizhengchedekongzhinengliyaoqiuyedafutisheng
，zheyiguochengtuidongzhengchedianzidianqijiagouzhujiancongfenbushijiagouxiangjizhongshizhuanyongyukongzhiqijiagoujinxingbuduanyanjinhefazhan，yibiantigonggengjiagaosu、安全
、可ke靠kao的de電dian子zi架jia構gou。這zhe一yi過guo程cheng中zhong，不bu僅jin要yao求qiu智zhi能neng駕jia駛shi功gong能neng能neng夠gou運yun行xing在zai具ju有you高gao性xing能neng軟ruan件jian到dao硬ying件jian集ji成cheng的de專zhuan用yong中zhong央yang域yu控kong製zhi器qi上shang，同tong時shi也ye要yao求qiu整zheng車che控kong製zhi這zhe塊kuai也ye需xu要yao運yun行xing於yu穩wen定ding性xing、可靠性極高的中央與控製器上，這樣的中央域控製器不僅需要充當對於整個車身控製的終端，也需要執行包含中央網關
、動力、底盤等各域的綜合控製係統端。這也是實現後續作為麵向服務開發的前置條件。

本文將針對整車中央域控單元VDC從硬件、軟件設計兩個方麵進行詳細的方案設計介紹，以方便對整體控製能力進行詳述。

1.整車域控硬件設計方案介紹

整車域控VDC的設計包含整機設計，具體硬件方案，視頻輸入/輸出
，通信鏈路、供電終端、存儲終端。

1
、硬件總體設計

從整個整車域控設計思路上講，需要考慮MCU和MPU在整車域控中需要達到一定的功能安全等級前提下，滿足對整車域控的控製能力輸出。此外，設置通用接口GPIO用於對整車其他域控的輸出指令控製（如油門開度、製動開關、輸入喚醒
、輸出喚醒等）。設置CAN、ETH、LIN接口用於通信連接分別傳輸不同的數據類型
；設置基礎時鍾晶振用於上下電時鍾同步；設置雙路供電電源用於考慮整車域控整體不會因為供電故障導致的失效。

從cong上shang圖tu可ke以yi看kan出chu，整zheng車che域yu控kong從cong功gong能neng角jiao度du上shang講jiang就jiu是shi一yi個ge多duo維wei度du的de準zhun集ji中zhong式shi中zhong央yang處chu理li單dan元yuan，不bu僅jin需xu要yao執zhi行xing包bao含han低di階jie行xing泊bo車che控kong製zhi功gong能neng，還hai需xu要yao執zhi行xing對dui整zheng個ge底di盤pan係xi統tong的de整zheng體ti控kong製zhi，同tong時shi也ye需xu要yao承cheng擔dan中zhong央yang網wang關guan的de通tong信xin路lu由you轉zhuan發fa等deng功gong能neng。因yin此ci
，在zai設she計ji過guo程cheng各ge種zhong需xu要yao將jiang各ge種zhong不bu同tong功gong能neng性xing能neng的de芯xin片pian能neng力li充chong分fen調tiao動dong起qi來lai，比bi如ru考kao慮lv實shi現xian低di階jie行xing泊bo一yi體ti控kong製zhi能neng力li，可ke以yi采cai用yong雙shuangTDA4VM或雙J3這類中度算力芯片進行搭載。而考慮到實現中央網關功能，則可以考慮利用常見的網關芯片DRA821等。同時為了從終端控製上增強其功能安全特性，也可以在執行對整車控製輸出端口，加入典型的高安全等級MCU芯片，如英飛淩的TC397或華為的麒麟係列。

高配版本的VDC需要考慮一部分功能為智駕功能預留。因此整車域控的設計過程將比傳統的簡單ECU複雜許多。典型的硬件端口設計思路參照如下圖所示。

從cong配pei置zhi整zheng車che智zhi駕jia係xi統tong的de角jiao度du出chu發fa，整zheng車che域yu控kong考kao慮lv了le在zai一yi些xie關guan鍵jian設she計ji環huan節jie上shang考kao慮lv對dui智zhi駕jia域yu控kong做zuo協xie同tong控kong製zhi。一yi些xie主zhu機ji廠chang的de方fang案an是shi將jiang智zhi駕jia係xi統tong的de冗rong餘yu控kong製zhi放fang到dao整zheng車che域yu控kong端duan，比bi如ru設she計ji將jiang算suan力li要yao求qiu不bu高gao的de單dan獨du前qian視shi攝she像xiang頭tou接jie入ru整zheng車che域yu控kongVDC；同時也將隻存在邏輯算力的毫米波雷達，超聲波雷達數據通過CANFD協議連接至整車域控端。這裏主要可以起到兩方麵的作用：

其一，是省功耗的運行低版本ADAS係xi統tong
，比bi如ru在zai長chang續xu航hang模mo式shi或huo跛bo行xing回hui家jia這zhe類lei整zheng車che運yun行xing狀zhuang態tai下xia

，還hai可ke以yi基ji本ben保bao留liu一yi些xie智zhi駕jia係xi統tong功gong能neng，比bi如ru可ke以yi部bu分fen承cheng載zai保bao留liu行xing車che安an全quan輔fu助zhu性xing功gong能nengAEB

、FCTA/B

、RCTA/B，泊車報警輔助功能。

其(qi)二(er)，是(shi)當(dang)主(zhu)智(zhi)駕(jia)域(yu)控(kong)失(shi)效(xiao)時(shi)，整(zheng)車(che)域(yu)控(kong)檢(jian)測(ce)到(dao)對(dui)應(ying)的(de)失(shi)效(xiao)狀(zhuang)態(tai)後(hou)接(jie)管(guan)控(kong)製(zhi)車(che)輛(liang)，啟(qi)動(dong)整(zheng)車(che)域(yu)控(kong)的(de)基(ji)礎(chu)視(shi)覺(jiao)感(gan)知(zhi)
，並(bing)結(jie)合(he)雷(lei)達(da)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)軌(gui)跡(ji)規(gui)劃(hua)和(he)車(che)輛(liang)控(kong)製(zhi)，將(jiang)車(che)輛(liang)刹(sha)停(ting)至(zhi)安(an)全(quan)狀(zhuang)態(tai)。

2、硬件結構設計

對於整車域控板間設計來說
，考慮到其尺寸大小限製，同時可以考慮自身硬件級別的失效降級策略，可以將整車域控設計成雙層板模式（主板和副板）。兩層板間通過一定通信機製進行板間通信，當其中一個板子失效或出現問題時

，可以啟動另一塊板子進行信息處理。   此(ci)外(wai)，對(dui)於(yu)硬(ying)件(jian)結(jie)構(gou)設(she)計(ji)來(lai)說(shuo)，通(tong)常(chang)比(bi)較(jiao)關(guan)注(zhu)整(zheng)個(ge)域(yu)控(kong)的(de)散(san)熱(re)設(she)計(ji)。業(ye)界(jie)對(dui)於(yu)整(zheng)車(che)域(yu)控(kong)的(de)散(san)熱(re)來(lai)說(shuo)，通(tong)常(chang)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)風(feng)冷(leng)對(dui)流(liu)散(san)熱(re)為(wei)主(zhu)。通(tong)常(chang)
，整(zheng)車(che)域(yu)控(kong)的(de)雙(shuang)層(ceng)板(ban)子(zi)采(cai)用(yong)一(yi)定(ding)的(de)隔(ge)熱(re)設(she)計(ji)，對(dui)於(yu)熱(re)設(she)計(ji)來(lai)說(shuo)也(ye)無(wu)需(xu)考(kao)慮(lv)其(qi)中(zhong)一(yi)塊(kuai)板(ban)子(zi)的(de)發(fa)熱(re)對(dui)另(ling)一(yi)塊(kuai)板(ban)子(zi)的(de)散(san)熱(re)影(ying)響(xiang)。一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)
，整(zheng)車(che)域(yu)控(kong)製(zhi)器(qi)通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)風(feng)冷(leng)散(san)熱(re)。整(zheng)個(ge)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)和(he)通(tong)風(feng)程(cheng)度(du)對(dui)其(qi)會(hui)產(chan)生(sheng)較(jiao)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)。如(ru)下(xia)公(gong)式(shi)表(biao)示(shi)了(le)芯(xin)片(pian)結(jie)溫(wen)的(de)影(ying)響(xiang)要(yao)素(su)。

芯片結溫=環境溫度+熱阻*功耗

因此，整個散熱過程大部分受製於環境溫度影響
，其中就需要充分考慮熱對流的影響。散熱設計基本原理：自然散熱以輻射為主、風冷以對流為主。熱量傳遞主要是3種方式：傳導、對流、輻射。其中熱傳導主要是指分子之間的傳遞，主要是指盒子或模塊內部的熱擴散。主要涉及的傳輸鏈路為器件——>PCB——>外(wai)殼(ke)體(ti)。自(zi)然(ran)對(dui)流(liu)主(zhu)要(yao)是(shi)指(zhi)流(liu)體(ti)混(hun)合(he)作(zuo)用(yong)的(de)熱(re)傳(chuan)遞(di)，包(bao)含(han)盒(he)子(zi)或(huo)模(mo)塊(kuai)與(yu)外(wai)部(bu)環(huan)境(jing)的(de)熱(re)傳(chuan)遞(di)。熱(re)輻(fu)射(she)主(zhu)要(yao)是(shi)物(wu)體(ti)溫(wen)度(du)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)磁(ci)波(bo)傳(chuan)遞(di)能(neng)量(liang)。涉(she)及(ji)盒(he)子(zi)或(huo)模(mo)塊(kuai)與(yu)外(wai)部(bu)環(huan)境(jing)的(de)熱(re)傳(chuan)遞(di)。如(ru)上(shang)自(zi)然(ran)對(dui)流(liu)和(he)熱(re)輻(fu)射(she)的(de)傳(chuan)輸(shu)鏈(lian)路(lu)都(dou)為(wei)外(wai)殼(ke)體(ti)——>環境。

如下圖表示了一種典型的新能源車的散熱設計流程圖。

對於整車域控製器而言
，由於其承載的相關聯ECU終(zhong)端(duan)是(shi)比(bi)較(jiao)多(duo)的(de)，就(jiu)有(you)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)計(ji)算(suan)過(guo)程(cheng)中(zhong)較(jiao)大(da)的(de)熱(re)能(neng)，在(zai)做(zuo)硬(ying)件(jian)設(she)計(ji)中(zhong)
，其(qi)熱(re)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)將(jiang)顯(xian)得(de)尤(you)為(wei)重(zhong)要(yao)。可(ke)以(yi)將(jiang)整(zheng)車(che)域(yu)控(kong)製(zhi)器(qi)布(bu)置(zhi)在(zai)通(tong)風(feng)且(qie)空(kong)氣(qi)對(dui)流(liu)較(jiao)好(hao)的(de)環(huan)境(jing)中(zhong)，這(zhe)裏(li)需(xu)要(yao)充(chong)分(fen)考(kao)慮(lv)其(qi)風(feng)道(dao)設(she)計(ji)出(chu)口(kou)是(shi)否(fou)存(cun)在(zai)熱(re)風(feng)回(hui)灌(guan)的(de)現(xian)象(xiang)。

舉個之前研發設計較為失敗的粒子說明如何對散熱設計才能取得較好的散熱效果。

ruxiatusuoshi，dangshejizhengchekongzhiqidefengdaochaoxiangyibian，eranzhuangweizhiruguoweiyuyigexiangduijiaoweifengbidehuanjingzhong，qiechufengkouyibianjiaoweikaojinmibibianjie
，namejiuhenkenengqiyoukongzhiqishuchuderefengbeizudangfandanhuilai。zheyangfandanhuilaiderekongqiyoujiangzhongxinjinrurufengkouchu，zheyangjiubukenengqidaohenhaodesanre。

因此在散熱設計中需要從安裝位置（安裝位置不僅考慮通風性，還需要考慮出風口是否有足夠的風道距離使其充分接觸更多的冷空氣來降溫）、風道設計、控製器整體尺寸、功能降級（由係統工程師根據需要設定降級溫度閾值，當超過某個值時降級全功能為部分功能。比如按照環境最高使用溫度為85°，那麼超過80°時，就將控製功能降級為僅存儲功能）等方麵進行全方位考慮。若溫度規格降低
，則整機尺寸可進一步降低（按照玻爾茲曼定律進行計算）。軟件方麵也可以增加動態溫度-功耗控製措施。

當然最重要還是在選定布置位置時候選擇最合適的布置位置

，考慮痛風性
、密閉溫度限值等因素。當然也有部分有條件的情況下也可以考慮采用水冷措施，當然設計複雜度和成本也是較高。

3、硬件通信設計

VDC作為一種典型的中央網關，既要能支持CAN通信路由，也要能支持以太網通信路由。一般情況下
，CAN通信由於其穩定性、安全性及成熟性。通常用來作為整車控製的信號協議類型
，而Ethernet則是更多的承載智能終端數據通信，比如雲端通信
、智能駕駛數據顯示等。

設she計ji整zheng車che域yu控kong製zhi器qi需xu要yao支zhi持chi多duo路lu以yi太tai通tong信xin，從cong考kao慮lv縮suo小xiao域yu控kong板ban子zi尺chi寸cun的de角jiao度du出chu發fa考kao慮lv
，通tong常chang將jiang幾ji種zhong不bu同tong的de芯xin片pian布bu置zhi於yu不bu同tong的de板ban層ceng。本ben設she計ji的de過guo程cheng考kao慮lv行xing泊bo車che低di階jie控kong製zhi過guo程cheng中zhong
，兩liang大da重zhong點dian發fa熱re芯xin片pian可ke能neng產chan生sheng較jiao大da的de發fa熱re量liang，因yin此ci
，分fen別bie將jiang兩liang個geMPU放在主板和副板上。此外，MCU放在主板上。主板和副板通過以太網Ethernet Switch連接至外部以太網通信端，整個Ethernet Switch的控製和配置由MCU完成。以太網Switch可以直接連出多路1000BASE-T1以及100BASE-TX接口。同時Switch還通過SGMII口和外擴PHY相連，可以引出多路1000BASE-T1口。對於實際通信連接過程中可以充分考慮通過多合一連接器進行信息合並，同時設計過程中充分考慮欠壓監測、過溫檢測以及SQI的讀取能力。

設計VDC時還需要使用關聯ECU通信所需的N路CAN通信且兼容CAN-FD
，CAN-FD接口電路采用標準CAN接口電路，支持ESD防護和終端匹配，每路CAN通信需要對應的終端匹配電阻
，並預留一定大小的共模電感，選擇性的根據EMC實測結果進行貼片。最重要的是支持任意幀CAN喚醒功能。

當然，對於一個標準的中央網關來說，還需要支持一定數量的LIN通信，並支持LIN喚醒，通信速率為1~20Kbps。默認為MASTER模式，通過電阻與二極管上拉配置，也可以根據具體需求配置成從模式，接口設計需要設計成ESD防護電路。

2.整車域控軟件框架及部署介紹

整車域控的軟件部署主要分為幾個方麵車控相關SWC、網關相關SWC、智駕係統SWC。其部署原則為對實時性要求較高功能部署在實時核
，運算需求較高放在運算核，對功能安全要求較高的功能部署在鎖步核。

以如上圖中的整車域控架構為例。MCU部署動力控製、底盤控製
、通訊管理、本地診斷、電性能以及設備抽象等軟件模塊。對應的算力主要是CPU邏輯算力，一般滿足10K DMIPS即可。同時MCU需要承擔整個VDC網絡喚醒、診斷功能
、電源管理相關功能。

1
、網絡管理功能

作為整車控製的終極大boss，VDC需要承擔整個網絡管理功能
，其中網絡管理涉及網絡管理狀態機設計，網絡喚醒設計。

網絡管理狀態機中包含為整車域控設計各種工作模式。比如休眠（僅支持休眠喚醒狀態）
、待機（極低功耗）、準備（輕睡眠）
、正常功耗（全功耗）、異常狀態（故障檢測）下的功耗等。各類不同的工作狀態需要通過設置不同的跳轉條件進行切換。

而對於網絡管理中重要的喚醒功能而言，其需要支持不同的喚醒源，主要需要包含CAN
、LIN
、硬線、以太網。結合上麵的附圖說明喚醒過程。首先
，四種喚醒源需要首先將SBC（一種包含電源、通信、監控診斷、安全監控等特性以及GPIO的獨立芯片）喚醒，隨即便可立即喚醒MCU。當MCU被喚醒後，可以對以太網Switch進行初始化配置確保以太網可以進行有效通信，這類初始化過程主要包括寄存器使能

、收發路徑綁定等。隨後，MCU可以通過控製其他MPU的芯片供電來控製其餘MPU的喚醒。

2、網絡診斷功能

整個VDC域控的診斷過程包含遠程診斷、近端診斷和OTA診斷。這三類診斷模型在構建診斷通道時
，需要首先將VDC接入到車端網絡中，實現兩種診斷模式DoIP和DoCAN。通常，DoIP部署在MPU上
，DoCAN部署在MCU上。通過VDC協議棧部署DoIP網關建立鏈路（包含支持DoIP-DoIP
，DoIP-DoCAN雙向診斷路由），部署DHCP客戶端。

對於診斷來說一般需要根據如下不同的診斷接入場景設置相應的接入仲裁管理機製。這些診斷場景包括針對本地診斷、遠程診斷、產線EOL下的OBD接入

，針對OTA場景下的車內虛擬上位機接入。這三類OBD接入子場景通常情況下是不做具體區分的，而僅僅通過優先級判斷可以在某一個固定的時刻激活其中一條鏈路。

對於OBD接入
，優先級最高；車內上位機接入，優先級中；車雲接入，優先級最低。當然，如果有兩類接入診斷源輸入時

，通常需要由VDC進行有效的仲裁才能確保其功能多的正常響應。仲裁原則為：兩個診斷業務優先級相同時，遵循先到先得、pingdenghuchideyuanze，danggaoyouxianjizhenduanjierudiyouxianjizhenduanyewushi，xuyaohuanmantuichudiyouxianjizhenduan
，xiangyingdegaoyouxianjizhenduanjieru。dangdiyouxianjizhenduanjierugaoyouxianjizhenduanshi

，xuyaofoudingxiangyinggaidiyouxianjizhenduanyewu，bingyuanlufanhuiluyou。

3
、網關路由功能

針對VDC控製器在中央網關這一方麵的作用而言
，需要充分考慮其信號路由和協議轉換方麵的要求。其中

，協議轉換包括ETH數據轉換成LIN/CAN數據、CAN報文間互轉、ETH報文互轉、CAN診斷報文轉換成LIN/ETH診斷報文、ETH診斷報文轉換成 LIN/ETH診斷報文。

VDC的網關路由功能模塊通常是在一個專有的網關芯片（如前所述DRA821）上進行的，整個通信路由架構參照如下圖所示。

整個VDC的PDUR Router模塊功能包含單播、多播、網關1對多、多對一、多對多等多種方式的路由模塊功能。期間
，PDUR Router 需要執行PDU接收到本地模塊（I-PDU從下接收發送至上層）
、PDU從本地模塊傳輸（I-PDU從上接收發送至下層）、PDU網關（從接口模塊和傳輸協議模塊接收I-PDU並傳輸至其他通信接口模塊）這三種功能。從而確保路由功能的有效性。

4、低階智駕功能

duiyuzhengcheyukonglaijiang，zaishejiguochengzhongtongchanghuiliandaizuoweizhijiayukongdedijiebanben，huozheyeyoubufenchexingzaizuopeizhifenxishi，zhijiejiangdipeihuocidipeidezhijiagongnengyizhidaozhengcheyukongzhongjinxing。zheshizhengcheyukongjiuxiangdangyuyigebase版本的行泊一體控製器，需要承擔部分低階行泊車控製功能。因此，對於在VDC中zhong植zhi入ru不bu同tong處chu理li能neng力li的de芯xin片pian單dan元yuan時shi
，盡jin量liang選xuan擇ze具ju備bei集ji成cheng式shi運yun算suan能neng力li的de超chao異yi構gou芯xin片pian。既ji能neng滿man足zu對dui行xing車che功gong能neng的de感gan知zhi需xu求qiu，也ye能neng滿man足zu對dui泊bo車che感gan知zhi能neng力li需xu求qiu。這zhe裏li推tui薦jian的de中zhong等deng算suan力li的de集ji成cheng式shi超chao異yi構gou芯xin片pian。可ke以yi采cai用yong目mu前qian國guo內nei正zheng火huo的deJ3/J5
，也可以考慮TI係列芯片TDA4VM即可。

同時，在對傳感器的接入上需要充分考慮其所連接的智駕傳感器單元。當然，由於VDC的算力不算多，因此
，可能不能接入過多超算力的傳感器（比如多組高分辨率攝像頭、原始點雲的毫米波雷達和激光雷達）。

從保證基礎L2級及以下功能的角度上講，需要接入包含前視攝像頭（注意這裏主要是前寬視攝像頭），1個毫米波雷達以確保能夠實現1R1V的基礎L2傳感器配置。此外，考慮泊車輔助係統控製，整個VDC也需要將泊車相關的傳感器，環視+chaoshengbojieru。dangran，kaolvdaoruguozhishishixiandijiebochefuzhugongneng

，qihuanshishexiangtoudefenbianlvkeyibubixianggaojiequanzidongjiashigongnengduiqi，caiyongshaodifenbianlvyeke。

來源：焉知智能汽車 ，作者Jessie

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