特種車輛跨域集中式中央計算系統的設計

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的研究和開發已經成為一個新的探討話題。這種系統以控制中心為核心，通過各種傳感器和執行機構對整個車身域內各種系統進行監控和控制，從而實現對整個車輛的智能化掌控。隨著智能交通的發展和推廣，跨域集中式中央計算系統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總體規劃

特種車輛由于需要執行各種不同的任務，使用場景復雜。本系統基于全新的CAN+以太網的混合網電氣架構，采用跨域集中式中央計算單元系統，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、懸架調節、輪胎自動充放氣等裝置的控制，同時包含CAN總線、TSN以太網接口等多種網絡通信接口[1]。本系統由于集成了多個控制器的功能，減少整車控制器的數量，提高可靠性，并且支持高實時性以太網接入，大大提高數據交互的效率以及相應速度。

2 跨域集中式中央計算系統的設計

2.1 硬件系統設計

2.1.1 系統架構設計

中央計算系統需要實現車身控制、懸架調節、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、以太網等多種手段進行信息的收集、控制指令的發送。整體硬件連接架構如圖1所示。

圖1 硬件架構圖

2.1.2 系統核心元器件設計

主控芯片作為系統的核心，需要具備強大的處理能力，以確保對各個子系統的高效監控和控制。本系統將TC377作為集成電路主芯片，提供高性能的處理能力、豐富的內存資源。采用CAN收發器TJA1041、TJA1145實現CAN以及CAN-FD總線通信，采用TJA1101百兆以太網卡實現TSN以太網通信，具備CAN+以太網的數據交互能力。28路數模采集接口，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 網絡通信設計

由于中央計算系統需要對不同的傳感器和執行機構進行監控和控制，因此需要通過網絡通信實現不同設備之間的數據交互[2]。本系統利用CAN、CANFD以及TSN以太網接口等多種方式進行網絡通信，以確保數據傳輸的可靠性、穩定性、實時性。同時，還需要對各網絡進行合理地規劃和優化，以避免數據沖突和網絡擁堵等問題。

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功能的實現，中間件層實現應用軟件與硬件控制的接口，硬件控制層實現對物理設備的控制。系統軟件架構如圖2所示。

圖2 系統軟件架構圖

針對各個模塊的需求，選擇合適的編程語言和軟件開發工具。針對數據通信的模塊使用C或C++語言進行開發[3]，針對用戶交互的模塊可以選擇Java語言進行開發。在數據結構與算法中，采用隊列、鏈表等數據結構來實現數據的緩存、壓縮和解壓等功能。同時，應用合適的算法來滿足各類業務需求，如PID控制算法、人工神經網絡等。在系統開發時，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，使用調試工具來實現對異常的排查和修復。

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

2.2.2 車輛信息安全設計

在跨域集中式中央計算系統設計中，由于采用混合網的架構形式，信息安全性是至關重要的一個方面。中央計算系統應從安全入口、系統安全、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中非常重要的一個功能模塊，設計時需要考慮系統的可靠性、安全性、節能性等多重因素。首先為電源模塊的設計，車燈系統的電源模塊由穩壓電源和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的通信模塊，用于控制車燈狀態、調節車燈亮度、故障檢測等。車燈系統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，用于實現雨刷的啟停控制、調節雨刷速度、調節雨刷頻率等功能。此外，雨刷硬件電路設計中需結合傳感器實現智能感應，用于實時監測雨量、雨滴密度等參數，從而實現智能化雨刷控制。

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，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，從而實現開關狀態檢測；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，一般采用比較器進行信號判斷，并輸出相應的數字信號。跨域集中式中央計算系統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，實現高效、可靠的系統控制和數據傳輸。

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定的電源，采用DC-DC轉換器或普通穩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的安全性和穩定性，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，在車窗電路發生異常時，能夠及時切斷電源的輸入，以免對主控系統和設備造成損壞。

3 跨域集中式中央計算系統測試

在某車型上安裝本文設計的控制器進行實地測試，車輛靜止狀態及運行過程中，對于各類傳感器的數據采集正常，控制指令發出正常。測試過程中對燈光、雨刮、遙控、懸架調節、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的硬件電路和軟件設計，可以發現這種系統的研究和開發是一個復雜而又重要的領域。通過設計分層架構，進行內核劃分和采用適當的編程語言和算法等方式，可以實現系統各模塊之間的協調工作，提高其功能性和可靠性。系統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動進行設計，以確保系統的高效安全運行。在軟件設計中，需要采用適合的算法和數據結構，設計可靠的異常處理機制，充分考慮用戶交互性和系統的可維護性等因素，最終實現對整個車輛的智能化控制。