智能駕駛硬件計算平臺及CAN通信軟件設計

李升凱 吳長水

摘 ?要：為了給智能駕駛功能軟件提供高算力、實時性強、接口豐富的軟硬件解決方案，以實現超聲波和視覺融合泊車為硬件平臺開發目標，選取TI的TDA系列作為平臺系統級芯片，選取英飛凌的TC277芯片作為實時控制芯片，設計了一款智能駕駛計算平臺。所設計的硬件平臺成功實現了12路超聲波雷達、四路廣角攝像頭的數據采集，支持CAN、車載以太網、LIN通信。基于此硬件平臺，按照AUTOSAR標準開發了計算平臺與汽車底盤域控制器的高速CAN通信軟件，可實現多報文周期性穩定收發，滿足通信需求。本文所開發的智能駕駛計算平臺為后續相關開發提供了基礎。

關鍵詞：智能駕駛;計算平臺;TC277芯片;CAN通信;AUTOSAR

中圖分類號：TP393 ? ? 文獻標識碼：A

Intelligent Driving Hardware Computing Platform and

CAN Communication Software Design

LI Shengkai， WU Changshui

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China）

1443828638@qq.com; yantz_wu@163.com

Abstract： In order to provide software and hardware solutions with high computing power， strong real-time performance and rich interfaces for intelligent driving function software， this paper proposes to design an intelligent driving computing platform， which aims to realize the hardware platform development goal of parking with ultrasonic and visual fusion. TI's TDA （Texas Instruments' TDA） series is selected as the platform system-level chip， and Infineon's TC277 chip is used as a real-time control chip. The proposed hardware platform successfully realizes data acquisition of 12-channel ultrasonic radar and four-channel wide-angle camera， and it supports CAN （Controller Area Network）， vehicle Ethernet， LIN （Local Interconnect Network） communication. Based on this hardware platform， the high-speed CAN communication software between the computing platform and the vehicle chassis domain controller is developed based on AUTOSAR standard， which realizes the periodic and stable sending and receiving of multiple messages， and meets the communication requirements. The proposed intelligent driving computing platform provides the basis for the follow-up related development.

Keywords： intelligent driving; computing platform; TC277 chip; CAN communication; AUTOSAR

1 ? 引言（Introduction）

隨著智能駕駛的迅速發展，軟件定義汽車的時代已經到來。傳統汽車的分布式電子電氣架構已不能滿足軟件快速更新迭代的要求，汽車電子電氣架構由分布式向集中式發展，形成了以域為單位的計算及控制單元，大大簡化了汽車以往復雜的內部電子電氣架構[1]。

在此背景下，全球各大傳統車企、新勢力車企、零部件供應商、半導體供應商及軟件公司開始投身于智能駕駛的開發。而智能駕駛計算平臺作為智能駕駛領域的“大腦”，對其軟硬件進行開發具有戰略意義。智能駕駛計算平臺是結合車輛線控平臺和大量多類型傳感器的核心，須具有多接口類型的特點。多傳感器數據融合、人工智能算法等技術對計算平臺的接口及算力都有著更高的要求，因此目前智能駕駛計算平臺都采用異構多核芯片作為核心處理器[2]。市面上已量產的計算平臺采用的核心處理器主要分為三個流派，即以英偉達、特斯拉、高通為代表的CPU+GPU+ASIC架構，以Mobileye、華為、地平線等為代表的CPU+ASIC架構，以百度、Waymo為代表的CPU+FPGA架構。本文以實現自動泊車功能為目標，選取TI的TDA2P及英飛凌的TC277為主控芯片，設計了一款高性能智能駕駛計算平臺，并按照AUTOSAR標準開發了CAN通信軟件，可實現基本的數據收發，為國內智能駕駛計算平臺的開發提供了參考方案。

2 計算平臺硬件設計（Computing platform hardware design）

2.1 ? 開發目標

本文旨在開發一款基于視覺傳感器和雷達傳感器結合的智能駕駛計算平臺，可支持多種ADAS（Advanced Driver Assistance System）功能、部分智能網聯功能（L2+），實現包括主動安全系統、環視系統及自動泊車輔助系統的功能。主動安全系統采用前視攝像頭和毫米波雷達作為感知層方案，環視系統采用環視攝像頭方案，自動泊車輔助系統采用超聲波和環視攝像頭融合方案。本計算平臺開發的功能如下：

（1）與車上其他控制器進行CAN/ETH通信，以實現數據的交互。

（2）具備多路車載攝像頭采集接口，以實現多角度圖像采集與處理。

（3）能夠進行視頻圖像數據的輸出，以實現人機交互。

（4）能夠實現與12路超聲波雷達的數據交互。

（5）能夠實現與組合導航系統（IMU、RTK、GNSS高精度接收機）進行數據交互。

（6）能夠實現與一路毫米波雷達進行數據交互。

（7）具備以太網接口，以實現與計算平臺外部進行通信。

（8）支持兩路LIN總線通信。

2.2 ? 芯片選型

文本采用德州儀器的TDA2P視覺處理芯片進行復雜算法的執行及大量數據的計算，其采用多核異構的設計架構，既有助于視覺加速的EVE單元，又有助于數字信號處理的DSP，更重要的是其具備十分完善的基于嵌入式系統車載視覺系統技術開發的應用軟件[3]，為開發者提供完備的系統開發工具及必備的應用軟件。采用英飛凌TC277芯片作為計算平臺的控制芯片，該芯片具有三個處理核心，支持四路CAN通信、車載以太網通信、LIN通信，滿足開發目標。此外為滿足大量的數據處理需求，計算平臺采用NXP公司的SJA1105五端口以太網交換機方案，實現了計算平臺內部的高速通信，同時對外提供兩路100 Mbits/s及一路千兆RJ45接口。

2.3 ? 硬件電路架構

本文按照開發目標在完成芯片選型后設計了計算平臺的硬件架構，如圖1所示，以兩塊主控芯片為核心模塊設計了數據采集、數據通信、顯示、存儲等各個子模塊。

其中各處理器的主要任務如下：

（1）TDA2P負責完成自動泊車的數據融合、規劃決策等算法運行、四路廣角攝像頭數據采集、組合定位系統數據采集及運行Linux等復雜操作系統。

（2）TC277負責完成控制算法、12路超聲波雷達數據采集、與底盤域進行CAN通信等對實時性要求較高的任務。

在顯示模塊的設計中，設計了一路HDMI接口用來進行攝像頭的調試，留有一路視頻輸出接口用于連接汽車中控大屏顯示環視影像。在存儲模塊設計中，主要包含存儲ROM及運行RAM的設計。由于TDA2P[4]支持多種方式啟動，本文分別設計了eMMC及TF卡作為存儲ROM。SOC芯片需運行復雜操作系統Linux、自動泊車的感知和規劃決策算法，并采集處理大量攝像頭數據，所以需外接大容量運行內存。本文對滿足泊車功能所需的運行內存進行充分驗證，最終得出結論，系統至少需提供1.1 GB的運行空間，才能保證泊車功能的正常運行。基于此，本文設計平臺的運行內存為2 GB，選用MICRON公司的DDR3L-MT41K256M16TW芯片。TC277支持四路CAN通信，本文將四路都引出接口，一路用于和底盤域通信，其他幾路用于診斷、標定及硬件在環測試。主控芯片通信方案按照冗余原則進行設計，采用了SPI、UART及車載以太網通信方式，為軟件冗余設計提供了選擇。

如圖2所示為本文開發的智能駕駛計算平臺實物，基于此硬件平臺進行CAN軟件設計并測試。

3 ?CAN通信軟件設計（CAN communication software design）

3.1 ? CAN通信模塊軟件架構

按照AUTOSAR分層思想，本平臺開發所涉及的CAN通信模塊各層分布如圖3所示，CAN Driver位于微控制器通信抽象層，CAN Interface位于通信硬件抽象層，PDU Router與AUTOSAR COM位于通信服務層，OSEK OS位于系統服務層，在通信模塊中負責提供周期調度服務[5]。

CAN Driver位于通信功能模塊最底層，是訪問CAN硬件資源的唯一接口，主要負責設置通道的位速率、位定時參數及CAN控制器的工作模式，設定數據的存放位置，訪問CAN模塊相關寄存器等[6]。

CAN Interface將硬件資源抽象化，使得軟硬件分離，其上層模塊必須經過CAN Interface處理才能訪問硬件[7]。

PDU Router主要起到過渡兼容的作用，根據I-PDU標識符實現其上層與下層不同模塊之間信息的路由。此外，PDU Router還可提供網關功能，使得不同總線之間進行通信。本文按照AUTOSAR標準開發通信模塊，目前僅限于與底盤域控制器進行CAN通信，所以PDU Router僅于COM層交互。

AUTOSAR COM主要起到信號接口與數據網關的作用，負責發送上層的信號組，解析從下層接收的數據并通知上層[8]。

3.2 ? CAN底層收發過程實現

在CAN發送模塊初始化后，具體的發送判斷邏輯如圖4所示。首先設置發送狀態為CAN_OK，CPU判斷發送請求標志位TXRQ是否為零，如果TXRQ置位則說明之前的報文因CAN總線繁忙或離線等問題未被發送，此時CPU需要將發送狀態設置為CAN_BUSY。反之，TXRQ為零說明此時對應的報文對象處于可發送報文狀態，CPU首先需清除報文有效狀態位MSGVAL，Multican停止對報文對象的寫訪問，此時CPU可重新配置報文對象，不受Multican的干擾。接下來將要發送報文的報文數據、ID、DLC、IDE等信息賦值給報文對象控制寄存器，此時CPU將對應報文對象的新數據標志位NEWDAT置位以表明報文對象內容為新。設置完報文對象后要將報文有效狀態位MSGVAL置位才能實現報文的發送，最后將發送請求控制位TXRQ置位實現報文的發送。因存在總線忙碌或斷線的可能，本文設置發送等待次數最多為三次，最終將CAN幀的發送狀態通過回調函數返回給CAN接口層再向上層通知，實現報文可靠發送。

如圖5所示，當接收到新的CAN幀后接收掛起位RXPND被硬件置位進入中斷程序，首先CPU需軟件復位接收掛起位RXPND，接著判斷新數據標志位NEWDAT是否置位，如果NEWDAT未置位表明此時查詢的報文對象無數據更新，將返回接收狀態為Recv_Empty;而如果NEWDAT置位則表明此報文對象接收到新的數據，接下來讀取此報文對象的數據（數據場、報文ID、報文長度碼DLC）到接收緩沖區，為了降低報文丟失的概率緩存報文對象的狀態用于后續的數據一致性判斷。由于在讀取數據的過程中存在數據被再次開始更新的可能，使得最終讀取到的接收緩沖區的數據是新舊數據的組合，這樣會導致數據不一致，所以Multican具有保持其與CPU之間數據一致性的機制，通過聯合判斷NEWDAT和RXUPD狀態位可有效解決數據不一致的問題。在讀取數據后，要判斷接受更新狀態位RXUPD是否置位，如果置位表明此時發生了數據更新，需返回接收狀態為報文丟失Msg_Lost;而如果RXUPD未發生置位，則表明剛剛讀取到的接收緩沖區的數據有效，再檢查報文丟失標志位MSGLST是否為零，如果MSGLST為零表明報文順利接收，如果MSGLST置位表明報文數據丟失。最終將CAN幀的接收狀態通過回調函數返回給CAN接口層再向上層通知，實現報文可靠接收。

4 ?計算平臺CAN收發功能測試（CAN transceiver function test of computing platform）

此處采用虹科公司的CAN卡PCAN-USB對CAN通信電路及CAN通信軟件進行功能測試。如圖6所示為設備的實物圖，此設備通過USB接口將PC連接到CAN網絡，可用于監控CAN網絡[9]，發送、保存、過濾CAN報文，且價格較Vector工具鏈更低，滿足本文測試CAN網絡的需求。

本文定義收發報文各五條，如圖7所示定義了各報文的ID、發送報文內容及發送周期。使用PCAN進行CAN報文的收發測試，如圖8所示為IDE及PCAN-View上位機軟件界面。先對本計算平臺的CAN報文接收功能進行測試，使用PCAN-View分別周期性發送ID為0x106、0x107、0x108、0x109、0x110的CAN報文，在IDE中觀測收到各報文的數量，由圖8可知計算平臺可保證報文不丟包。再對計算平臺的CAN報文發送功能進行測試，如圖8所示在PCAN-View軟件中開啟報文濾波，只接收ID為0x101、0x102、0x103、0x104、0x105的CAN報文，上位機軟件可按定義的發送周期及內容接收來自計算平臺發送的CAN報文。

5 ? 結論（Conclusion）

本文以實現自動泊車為開發目標，設計了一款智能駕駛硬件計算平臺，具有豐富的通信接口，可實現大量傳感器數據的采集及復雜泊車算法的運行。基于此平臺，按照AUTOSAR標準設計了CAN通信軟件，經測試，可保證此計算平臺與汽車底盤域控制器的CAN通信穩定運行，為后續智能駕駛計算平臺的研發提供了基礎。

參考文獻（References）

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[9] 余其濤.基于AUTOSAR標準的CAN通信棧設計與實現[D].上海：上海交通大學，2016.

作者簡介：

李升凱（1996-），男，碩士生.研究領域：汽車電子嵌入式.

吳長水（1978-），男，博士，副教授.研究領域：汽車電子控制.