安徽江淮汽車股份有限公司 李霞 彭宏偉 杜文龍
根據(jù)商用車車載終端的設(shè)計開發(fā)經(jīng)驗,結(jié)合汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展方向,提出了面向智能網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用需求的車載終端開發(fā)及應(yīng)用方案。通過確定車載終端的應(yīng)用場景,識別出具體的功能需求項,從終端硬件選型、軟件開發(fā)、整車網(wǎng)絡(luò)布置、功能驗證及測試幾個方面進行說明,完整呈現(xiàn)了商用車車載終端從開發(fā)到應(yīng)用的全過程,并以某車型終端開發(fā)應(yīng)用為例進行舉例說明。
隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,國內(nèi)汽車的保有量也極大提升,人們也越來越關(guān)注車輛信息和路況信息等,汽車用戶需要一個更加智能、安全、舒適的駕駛環(huán)境。與此同時,80后、90后等青年群體逐漸成為主力用車群體,其對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的依賴性愈加強烈,汽車的智能化、網(wǎng)聯(lián)化程度越來越高,汽車即將成為繼電腦、手機之后最重要的移動終端。目前,汽車80%的創(chuàng)新點來自于汽車電子,汽車技術(shù)研發(fā)的中心也由內(nèi)燃機階段過渡到電子設(shè)備研發(fā)、智能網(wǎng)聯(lián)研發(fā)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用等領(lǐng)域[1]。
智能網(wǎng)聯(lián)汽車通過車載傳感器、控制器和多種執(zhí)行器實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境感知、智能決策、自動控制等多種功能,使車輛與外部物體實現(xiàn)信息共享與控制協(xié)同。作為汽車行業(yè)和信息通信行業(yè)跨界融合的重要載體和典型應(yīng)用,智能網(wǎng)聯(lián)汽車作為汽車發(fā)展的必然方向,也是未來國際汽車市場的重要競爭領(lǐng)域之一,而車載終端作為車輛與外界網(wǎng)絡(luò)之間的連接橋梁,它直接連接了用戶、車輛和云服務(wù),在網(wǎng)聯(lián)化應(yīng)用中具有舉足輕重的作用。
商用車相較于乘用車來說其信息化水平整體偏低,但是商用車的車聯(lián)網(wǎng)功能卻是用戶比較關(guān)注和迫切需求的。同時,隨著重型商用車排放標準升級和整車電子配置逐步增多,車載終端在商用車領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。為了更好地應(yīng)對法規(guī)要求,解決商用車客戶比較關(guān)注的實際使用問題,本文提出面向智能網(wǎng)聯(lián)需求的車載終端設(shè)計方案,通過構(gòu)造一個擴展性強的車載終端CAN網(wǎng)絡(luò)布置方案,使其能夠滿足商用車智能化、信息化的需求,可以快速應(yīng)用于不同系列的車型。
車載終端又稱T-BOX(Telematics Box),是指安裝在汽車上用于控制跟蹤汽車的嵌入式系統(tǒng),包括GPS單元、移動通信電子處理單元、微控制器以及存儲器。車載終端是汽車網(wǎng)聯(lián)化的基礎(chǔ)硬件,是車內(nèi)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)平臺、法規(guī)監(jiān)控平臺、智能交通網(wǎng)等互聯(lián)互通的核心樞紐。2015年以來,國內(nèi)外多家IT公司、互聯(lián)網(wǎng)巨頭和整車企業(yè)紛紛啟動汽車網(wǎng)聯(lián)化項目,跨界合作推動汽車智能互聯(lián)化開發(fā),這些戰(zhàn)略合作既促使車企推進網(wǎng)聯(lián)化開發(fā)進程,亦使互聯(lián)網(wǎng)廠商搶占新的移動入口。大量事實表明,汽車已經(jīng)從傳統(tǒng)的獨立終端開始向互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的一個組成部分、一個移動終端入口轉(zhuǎn)變[2]。
隨著智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)進程的加速推進,車載終端也成為各個廠商的標配。目前車載終端的安裝形式分為前裝和后裝兩種,前裝主要以T-BOX的形態(tài)布置在整車電氣架構(gòu)中,后裝則通過OBD接口連接衍生設(shè)備的形式實現(xiàn)。相比于后裝,前裝擁有更加全面的整車原始數(shù)據(jù)信息,便于挖掘和滿足客戶更加多變的使用需求,有利于產(chǎn)品標準化的開發(fā)[3]。因此,在商用車市場中,車載終端的前裝形式逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位,成為提升車輛智能化、網(wǎng)聯(lián)化的重要手段之一。
為滿足車輛互聯(lián)的需求,車載終端的設(shè)計側(cè)重點與傳統(tǒng)的控制器有所差異,一般遵循的設(shè)計原則有如下幾點:
2.1 準確性
網(wǎng)聯(lián)汽車的整車原始數(shù)據(jù)需要通過車載終端從CAN總線獲取,并按照特定的傳輸協(xié)議進行取值、換算、排列、填充之后,再上傳至平臺服務(wù)器,從原始數(shù)據(jù)到平臺可識別的數(shù)據(jù)流之間經(jīng)過了較多的計算環(huán)節(jié),因此確保數(shù)據(jù)真實準確的上報是車載終端設(shè)計開發(fā)的第一要素。
2.2 可靠性
車載終端內(nèi)置定位模塊、通信模塊、wifi模塊以及多種I/O接口,設(shè)備工作時會受到GPS信號強弱、網(wǎng)絡(luò)信號強弱和SIM卡流量限制等多重影響,因此在功能開發(fā)設(shè)計時,必須要考慮多種失效情況,確保終端工作的可靠性。
2.3 可擴展性
為滿足用戶不斷更新變化的網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用需求,車聯(lián)網(wǎng)平臺基本上以每月一次的頻率在進行升級更新,與之對應(yīng)的車載終端也是整車中升級更新最為頻繁的控制器,功能可擴展性也是終端設(shè)計開發(fā)的重要原則。
2.4 高性能
因為涉及到后期的車機互聯(lián)、人車互聯(lián)、車車互聯(lián)等對通信實時性要求較高的需求,所以盡可能地提高系統(tǒng)的處理速度和通信速度就顯得尤為重要。在選擇通信模塊時盡可能選擇4G,甚至是5G模組,避免造成通信延時。
2.5 低功耗
商用車的單日工作時長要遠遠超過乘用車,因此功耗問題也是商用車電子單元設(shè)計開發(fā)著重考慮的指標之一。車載終端作為長時間運行的控制器,在車輛使用過程中是連續(xù)不間斷的工作,一般在內(nèi)部元器件選型時會考慮選擇低功耗的芯片,確保產(chǎn)品滿足低功耗的要求。
目前,依托于整車廠的正向開發(fā)能力和CAN總線的高度集成應(yīng)用,車載終端的功能得到了較大的拓展,除了車輛位置信息查詢、數(shù)據(jù)采集和上傳這類基礎(chǔ)功能之外,還涵蓋了遠程診斷、遠程控制、無線接入等拓展功能。在滿足法規(guī)要求的同時,結(jié)合商用車客戶的實際使用需求,尤其是諸如車輛定位、路線監(jiān)控、狀態(tài)體檢、油耗分析、債權(quán)防控等較為強烈的需求,設(shè)計的商用車車載終端應(yīng)具備如下功能項:
a.車輛位置查詢:可以遠程查詢車輛整車信息、衛(wèi)星定位信息,支持盲區(qū)位置信息補傳。
b.狀態(tài)信息查詢:由車載終端上傳車輛狀態(tài)信息,主要包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、里程信息、油耗信息等,數(shù)據(jù)更新速率可以按需調(diào)節(jié)。
c.遠程車控:該功能包括遠程尋車、解鎖閉鎖、升降窗等,遠程尋車時終端發(fā)送指令控制車輛閃燈或鳴笛的方式告知車主。
d.車輛體檢:車載終端按照既定的診斷協(xié)議對車輛上的其他控制器進行故障診斷,需具備“云診斷”和“端診斷”兩種方式,同時終端應(yīng)具備內(nèi)部存儲故障記錄的功能。
e.遠程升級:支持車載終端自升級,由云平臺通過終端對其他控制器進行遠程升級,支持異常存儲機制,存儲空間不小于8G。
f.債權(quán)防控:對于通過金融方案購置的車輛,貸款機構(gòu)或車輛有權(quán)人會監(jiān)控車輛的運營狀態(tài),若發(fā)生逾期還款或者偏離既定行駛路線的情況,可以通過TSP平臺發(fā)送提醒信息,通知車主及時還款。
g.平臺接入:車載終端應(yīng)具備多路APN功能,可以同時接入多個平臺,以滿足法規(guī)監(jiān)控平臺的接入需求和車聯(lián)網(wǎng)平臺的接入功能。
h.車載網(wǎng)絡(luò):支持作為整車wifi熱點發(fā)送端,可以滿足多臺設(shè)備同時接入互聯(lián)網(wǎng),可更改wifi開關(guān)狀態(tài)、名稱和密碼。
i.用車報告:支持燃油消耗記錄、駕駛行為分析、行駛路線回放等。
j.法規(guī)監(jiān)控:支持各項法規(guī)和標準要求的數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控功能,如GB 32960提出的電動汽車遠程監(jiān)管服務(wù)、GB 17691提出的重型柴油車排放監(jiān)管要求等。
車載終端需求確認之后,就進入功能開發(fā)階段,整個開發(fā)流程包括硬件選型和軟件開發(fā)。
4.1 硬件選型
典型的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示,主要由全網(wǎng)通通信模組LTE、微處理芯片、I/O接口、3軸傳感器、wifi及USB等功能模塊組成。

圖1 車載終端典型硬件框圖
主要模塊功能簡介如下:
a.MCU主要完成系統(tǒng)的電源管理、外部中斷處理、通信模塊復(fù)位及初始化等工作。
b.LTE模塊是全網(wǎng)通通信模塊,該模塊一般會采用經(jīng)過加密的嵌入式 linux 系統(tǒng),保證數(shù)據(jù)通信的安全性,要求可支持中國聯(lián)通和中國移動的2G、3G、4G的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),支持中國電信的4 G,支持GPS/Beidou/Glonass。預(yù)留兩路 SDIO以作存儲及WIFI等外設(shè)的擴展。同時,高速USB2.0 接口用以滿足 AVN 連接需求。
c.GPS是定位模塊,可以通過快速獲取位置信息,實時展現(xiàn)車輛地圖位置、行駛速度、行動軌跡、轉(zhuǎn)向角度等信息,要求支持GPS和北斗雙模定位。
d.Battery是電池模塊,主要是在車輛掉電情況下給車載終端持續(xù)供電,用于緊急救援和道路救援等工況。
e.Flash是一種長壽命非易失性存儲器,又稱閃存,在斷電情況下仍然能保存數(shù)據(jù),車載終端通常用Flash來保存各項設(shè)置信息和內(nèi)部操作系統(tǒng)等。
f.G Sensor 采用3軸加速度計,是智能化的重力感應(yīng)系統(tǒng),用來采集終端的姿態(tài)信息。
g.I/O接口中包括電源模塊、CAN通信模塊、Wifi模塊、藍牙模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊等。
4.2 軟件開發(fā)
按照網(wǎng)絡(luò)層次劃分,車載終端的軟件開發(fā)可以分為應(yīng)用層、運行框架、動態(tài)庫、硬件驅(qū)動層。具體軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 車載終端軟件架構(gòu)
車載終端作為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,擁有很多外部訪問點,并與車輛的CAN網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通,將面臨網(wǎng)絡(luò)攻擊、信息泄露等安全威脅,具有較高的安全風險。因此,車載終端的軟件開發(fā)在實現(xiàn)功能的同時必須系統(tǒng)考慮網(wǎng)絡(luò)安全防護措施。常用的安全防護體系包括如下:
a.密碼模塊:可以采用軟硬件結(jié)合型或者純軟件型兩種密碼型式,建議使用主流的國際密碼算法或者國密算法。
b.安全啟動:利用信用證形式對啟動序列進行檢查,保證啟動程序完整準確,防止啟動流程被篡改。
c.系統(tǒng)防護:對系統(tǒng)資源采用訪問控制策略,防止非授權(quán)進程使用系統(tǒng)資源,避免越權(quán)攻擊的風險。
d.接入點安全:對藍牙、wifi等接入點的訪問進行控制,防止非法數(shù)據(jù)請求和訪問請求進入系統(tǒng)。
e.通信監(jiān)控:與平臺服務(wù)互聯(lián)的時候,設(shè)備需帶有統(tǒng)一的身份認證密鑰或者密碼證書機制,確保數(shù)據(jù)準確可靠。
車載終端作為車輛電子控制單元之一,需要接入整車的CAN網(wǎng)絡(luò)來獲取大量需要的原始信號數(shù)據(jù),如何快速適應(yīng)不同車型的CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),也是車載終端開發(fā)應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。商用車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)隨著電氣配置的不同會有較大的變化。配置較低的車型一般采用單網(wǎng)段拓撲形式,配置較豐富的車型考慮網(wǎng)絡(luò)負載率的要求可以分為雙網(wǎng)段或多網(wǎng)段兩種拓撲形式,典型商用車CAN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 典型商用車CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖
對于采用單網(wǎng)段拓撲形式的車型來說,車載終端的CAN網(wǎng)絡(luò)布置相對較為簡單,因為需求的原始信號數(shù)據(jù)都來源于一個網(wǎng)段,終端僅需使用一路CAN通訊接口并接入總線,即可獲得所需的數(shù)據(jù),同時也可以下發(fā)相關(guān)控制指令。
對于采用雙網(wǎng)段或多網(wǎng)段拓撲形式的車型來說,由于總線網(wǎng)絡(luò)分為兩段,終端需求的原始信號數(shù)據(jù)可能來源于不同的網(wǎng)段,如果仍然采用一路CAN通訊接口接入整車總線,隨著終端的持續(xù)更新,網(wǎng)關(guān)路由會隨之頻繁修改,總線上因網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)很多無用報文會導(dǎo)致負載率偏高。例如:終端會從車身段采集車門狀態(tài)、燈光狀態(tài)、轉(zhuǎn)向狀態(tài)等,也會從動力段采集排放信號、制動信號、變速信號等,還會從網(wǎng)關(guān)診斷CAN實現(xiàn)遠程升級信號傳輸。為了將終端更新對整車的影響降到最低,同時具備良好的可擴展性,可采用多路CAN通訊接口接入多個網(wǎng)段,分別實現(xiàn)不同的功能。不同網(wǎng)絡(luò)拓撲形式下,車載終端的CAN網(wǎng)絡(luò)布置形式如下圖4所示。

圖4 車載終端的CAN網(wǎng)絡(luò)布置形式
每一項系統(tǒng)專業(yè)的開發(fā)過程都需要全面系統(tǒng)的驗證測試來支撐,車載終端的開發(fā)也不例外,其主要的測試內(nèi)容包括以下幾方面:
a.基礎(chǔ)功能測試。車載終端首先作為整車上的一個控制器,需要滿足基本的功能,如CAN通訊功能、診斷功能、網(wǎng)絡(luò)管理功能等。此類基礎(chǔ)功能測試可以按照通用的規(guī)范進行測試。
b.平臺聯(lián)調(diào)測試。作為車輛與網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)節(jié)點,終端肩負車輛與互聯(lián)平臺之間的信息交互任務(wù)。除了基礎(chǔ)功能之外,終端與平臺之間的信息交互功能也是驗證測試的重要環(huán)節(jié)。平臺聯(lián)調(diào)需要采用實車測試的形式,將完成基礎(chǔ)功能測試的終端裝配到整車上,按照平臺接入?yún)f(xié)議進行聯(lián)調(diào)測試。測試內(nèi)容一般包括:車輛登入、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)補傳、指令下發(fā)、車輛登出等。為了驗證終端功能可靠性,聯(lián)調(diào)測試還會分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試,其中動態(tài)測試一般選取高速、國道、省道、隧道、山區(qū)等的多種路況進行驗證。
c.法規(guī)過標檢測。為了滿足法規(guī)標準對車輛的遠程監(jiān)控要求,商用車的車載終端一般會兼顧法規(guī)要求并滿足法規(guī)平臺的接入功能。一些法規(guī)要求項需要進行過標過檢測試,由管理機構(gòu)出具測試合格報告,以此作為車輛公告認證的條件之一。例如GB 32960《電動汽車遠程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》的法規(guī)要求,就需要車載終端按照要求與北理工的管理平臺進行過標檢測,終端需要按照標準要求的數(shù)據(jù)格式,采集車輛總線上的的原始數(shù)據(jù),并解析、重組和填充之后上傳至管理平臺,檢測時也會分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試等。
以某重型商用車的車載終端開發(fā)應(yīng)用為例,功能需求定位為滿足車聯(lián)網(wǎng)需求,支持遠程車控、債權(quán)防控等功能,同時可以滿足法規(guī)監(jiān)控要求。按照功能需求完成車載終端的硬件選型,整體硬件系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 車載終端硬件系統(tǒng)選型
具體硬件選型如下:
a.MCU選擇STM32F305系列芯片,該系列芯片是專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的ARM架構(gòu)微處理芯片,結(jié)合平臺設(shè)計理念,開發(fā)人員可以通過選擇產(chǎn)品可重新優(yōu)化功能、存儲器、性能和引腳數(shù)量,以最小的硬件變化來適應(yīng)個性化的應(yīng)用需求,滿足車載終端頻繁優(yōu)化、快速迭代的使用需求。
b.4G 模塊采用 Telit LE920系列,是成熟的OPEN CPU模塊,無線通信M2M模塊采用兩種最先進的技術(shù)HSPA和LTE,是專為汽車應(yīng)用和其他惡劣應(yīng)用環(huán)境設(shè)計開發(fā)的模塊。模塊采用高通方案和經(jīng)過加密的嵌入式linux系統(tǒng),主頻1.2GHz,可以保證數(shù)據(jù)通信的高效性和安全性。支持中國聯(lián)通和中國移動的2G、3G、4G的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),支持中國電信的4 G,支持GPS/Beidou/Glonass,預(yù)留兩路SDIO以作存儲及WIFI等外設(shè)的擴展。
c.MIC、WiFi、USB等模塊均采用通用的高速接口與4G模塊連接,確保可以滿足各項功能需求。
軟件采用模塊化設(shè)計的思路,終端軟件部分主要分為硬件驅(qū)動、中間層各模塊、公用數(shù)據(jù)池、交互應(yīng)用模塊四大部分。具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 車載終端軟件模塊結(jié)構(gòu)示意圖
硬件驅(qū)動模塊負責采集硬件電路的輸入信號給中間層模塊,并接收中間層模塊的命令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為硬件驅(qū)動信號,驅(qū)動對應(yīng)的硬件電路。中間層各模塊負責對各硬件驅(qū)動的數(shù)據(jù)進行打包/解包,進行簡單的加工處理,并存放到公用數(shù)據(jù)池里面,供其他交互應(yīng)用模塊使用,也實時接收公用數(shù)據(jù)池中的命令數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)化后下發(fā)給硬件驅(qū)動模塊執(zhí)行。交互應(yīng)用模塊通過公用數(shù)據(jù)池獲取各項數(shù)據(jù),按照功能需求進行處理,同時將執(zhí)行命令打包放到數(shù)據(jù)池,供中間層模塊獲取并下發(fā)。例如,CAN模塊:接收CAN總線數(shù)據(jù),提取出我們需要的信息,包括里程信息、車燈狀態(tài)、燃油信息(瞬時油耗)、ACC狀態(tài)、車門狀態(tài)、車窗狀態(tài)等車身狀態(tài)信息,存儲到公用數(shù)據(jù)池中,由交互應(yīng)用模塊獲取后按照既定協(xié)議解析、組包并上傳到對應(yīng)平臺服務(wù)器。若平臺有相關(guān)指令下發(fā),則通過交互應(yīng)用模塊將命令數(shù)據(jù)放到公用數(shù)據(jù)池,CAN模塊獲取到命令數(shù)據(jù)后,解析并下發(fā)命令到硬件驅(qū)動模塊進行指令執(zhí)行,如遠程尋車指令、遠程車門開關(guān)指令、遠程空調(diào)開關(guān)指令等。
因為應(yīng)用車型的配置高低差異較大,車載終端在整車網(wǎng)絡(luò)上的布置也有所不同,所以本文選取兩個配置的車型進行應(yīng)用說明。其中一款為低配車型,采用單網(wǎng)段拓撲形式,另外一款為高配車型,因為配置功能較多,采用帶網(wǎng)關(guān)的多網(wǎng)段拓撲形式。兩款車型的車載終端CAN網(wǎng)絡(luò)布置形式分別如圖7、8所示。

圖7 低配車型車載終端CAN網(wǎng)絡(luò)布置

圖8 高配車型車載終端CAN網(wǎng)絡(luò)布置
完成功能開發(fā)之后的終端進行如下的驗證測試:
a.基礎(chǔ)功能測試:主要完成車載終端通訊功能、診斷功能、熱點功能等。通訊功能測試采用CANoe軟件和示波器等輔助工具進行,主要檢測終端的信號一致和物理層特性,部分測試數(shù)據(jù)如圖9a所示。
b.平臺聯(lián)調(diào)測試:該型車載終端接入公司車聯(lián)網(wǎng)平臺、遠程升級平臺和法規(guī)監(jiān)控平臺,按照平臺協(xié)議逐一接入測試。對于支持APP遠程操作的功能,需要結(jié)合APP和平臺服務(wù)完成綜合測試。終端以接入法規(guī)監(jiān)控平臺測試為例,通過實車測試的形式進行發(fā)動機排放數(shù)據(jù)上傳測試,平臺接收數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖9 部分測試數(shù)據(jù)
車載終端作為車輛與外界互聯(lián)的載體,在具備汽車電子單元穩(wěn)定性、可靠性等特性外,還帶有互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)特有的直面用戶需求、快速升級迭代等基因。因此,終端在設(shè)計開發(fā)及應(yīng)用的過程中,除了滿足現(xiàn)有的汽車電子單元相關(guān)開發(fā)標準、設(shè)計指南和企業(yè)規(guī)范等,還需要滿足智能化、網(wǎng)聯(lián)化相關(guān)的協(xié)議規(guī)范和標準,軟硬件在設(shè)計之初就需要預(yù)留足夠的升級空間,應(yīng)對日益升級的使用需求。

圖10 平臺接收的發(fā)動機排放數(shù)據(jù)
總之,在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)滲透到我們生活方方面面的今天,如何將互聯(lián)網(wǎng)的信息化和汽車系統(tǒng)相結(jié)合,使其更加智能化、實用化、人性化,將是車載終端系統(tǒng)進一步發(fā)展的主要方向。
