基于G9X車身域控制器的軟硬件設計

龔天宇，朱海龍，田曉剛，孫永建，姜明遠

（中國第一汽車集團有限公司工程與生產物流部，吉林 長春 130011）

隨著汽車電子電氣架構向集中化發展，依據汽車電子部件功能，整車被劃分為動力域、底盤域、車身域、自動駕駛域和智能信息域等[1]，借助處理器芯片的強大算力，將分布式的ECU統一起來，統一規劃硬件輸入輸出接口，減少連接器、結構件、線束、硬件資源重復性，軟件上整合多個控制器功能策略融合開發，節約軟件開銷和對外信息路由[2]。這樣可以降低整車硬件成本，節省多個ECU算力相互冗余造成的資源浪費。

車身域控制器一般集成車身控制器、無鑰匙進入和啟動、胎壓監測、網關等功能，也可增加座椅調節、后視鏡調節、空調控制等功能，綜合統一管理各執行器，合理有效地分配系統資源。

在過去的1~2年中，整個汽車電子行業，特別是汽車MCU這一類，面臨著一波嚴重的缺貨行情，在這期間，很多主機廠和Tier 1工廠都開始尋求保供。尋找國產化的替代方案迫在眉睫，在這個過程中，同時也充滿了機會。本文介紹一種基于國產SOC設計的車身域控制器，并通過搭建臺架對域控制器的各個功能進行驗證，滿足客戶的要求。

1 G9X芯片介紹

G9系列是芯馳科技在2020年發布的面向中央網關的產品，首款芯片為G9X。G9系列處理器是專為新一代車內核心網關設計的高性能車規級汽車芯片，采用雙內核異構設計，包含高性能Cortex-A55 CPU內核及雙核鎖步的高可靠Cortex-R5內核，在承載未來網關豐富的應用同時，也能滿足高功能安全級別和高可靠性的要求。G9芯片架構如圖1所示。

圖1 G9芯片架構

G9支持多種外設接口，包括PCIe、USB3.0接口，同時具有豐富的以太網、CANFD和LIN等傳輸接口。在此基礎上，G9運用芯馳第二代包處理引擎SDPEv2，在非常低的CPU占用率的情況下，可實現不同接口之間的高流量、低延遲的數據交換。

此外，G9內置了HSM，包含真隨機數發生器和高性能加解密引擎，支持AES、RSA、ECC、SHA以及多種國密算法，滿足安全啟動，OTA、V2X等多種未來車載安全應用的需求。

2 域控制器硬件設計

域控制器硬件原理框圖見圖2。

圖2 G9X域控制器硬件原理框圖

該車身域控制器的資源如下：①支持2路CAN/CANFD接口；②支持1路LIN；③支持1路100Base-T1車載以太網；④支持1路1000Base-T1車載以太網；⑤支持28路信號輸出；⑥支持44路信號輸入；⑦集成PEPS功能（含IMMO）；⑧外掛eMMC和QSPI FLASH，存儲OTA更新數據；⑨支持LIMP HOME模式。

2.1 電源和復位設計

域控制器電源根據功能單元分為RTC電源域、SAFETY電源域和AP電源域。RTC電源域最先上電并負責芯片的整體電源的控制；SAFETY電源域為R5核MCU工作電源；AP電源域為A55核MPU工作電源。控制器各電源域使用分立DC/DC實現，具體電源方案如圖3所示。

圖3 域控制器電源方案

2.2 CAN/CANFD接口設計

TJA1043屬于NXP的第三代高速CAN收發器，相比第一代和第二代器件（如TJA1041A），有明顯的改進，其能提供改進的電磁兼容性（EMC）和靜電放電（ESD）性能、極低的功耗和電源電壓關閉時的無源性能。本方案也可選擇國產芯片芯力特公司的 SIT1044T/3或SIT1044TK/3。CAN/CANFD接口設計原理如圖4所示。

圖4 CAN/CANFD接口設計原理圖

2.3 LIN接口設計

LIN接口選用NXP公司的TJA1021芯片，實現LIN主從協議控制器到物理總線之間的接口轉換。TJA1021芯片支持1~20kBdb波特率，符合LIN 2.1/SAE J2602規范，具備低電磁輻射和高電磁抗干擾性。芯片輸入電平兼容3.3V和5V，且支持低功耗睡眠模式和本地/遠程喚醒功能。

另外，芯片具備多種保護機制：支持符合IEC61000-4-2的±6kV（引腳LIN、VBAT和WAKE_N）ESD特性；LIN總線和電源引腳支持ISO 7637規范的抗瞬態保護；LIN總線引腳對電源和GND具有短路保護功能；過熱保護。本方案也可選擇國產芯片芯力特公司的SIT1021。LIN接口設計原理如圖5所示。

圖5 LIN接口設計原理圖

2.4 100Base-T1車載以太網接口設計

100Base-T1車載以太網接口選用蘇州裕太車通電子科技有限公司的YT8010A。該芯片為單路MDI輸出，工作速率支持100Mb/s。YT8010A是單對以太網物理層收發器（PHY），它實現IEEE定義的100BASE-T1標準的以太網物理層部分802.3bw工作組，非常適合廣泛的汽車應用，它的制造使用標準的數字CMOS工藝，并包含實現所需的所有有源電路物理層用于在單根平衡雙絞線上傳輸和接收數據。基于尖端DSP技術，結合自適應均衡器、回聲消除器、ADC、鎖相環、線路驅動器、編碼器/解碼器和所有其他所需的支持電路，可實現強大的性能并超越汽車電磁噪聲環境中的干擾（EMI）要求，功耗非常低。

YT8010A設計完全兼容RGMII、RMII和MII接口規范，允許與行業標準以太網媒體訪問控制器（MAC）和開關控制器兼容，滿足AEC-Q100 1級溫度范圍，YT8010A芯片與主芯片的連接，包括MAC通信接口和MDIO管理接口。MAC通信接口支持RGMII、RMII和MII這3種接口。與G9X連接時，使用RGMII接口進行連接，工作速率為100Mb/s。MDIO接口用于G9X對YT8010A的配置和管理，接口遵循IEEE802.3 Clause 22定義。YT8010A芯片原理圖設計如圖6所示。

圖6 100Base-T1接口設計原理圖

2.5 車身域控制器PCB設計

車身域控制器硬件采用8層板PCB設計。設計時充分考慮高速信號、數字信號、模擬信號、大功率信號等的處理，同時生成三維模型，方便前期DFX處理和外殼設計。正反面設計圖稿和三維設計圖如圖7、圖8所示。

圖7 域控制器PCB三維示意圖

3 域控制器軟件設計

G9X內部根據資源的不同分為SAFETY域和AP域。SAFETY域為Cortex-R5核心處理域，搭載FreeRTOS實時操作系統，主要負責CAN、LIN等實時性要求較高的信息進行處理；AP域為Cortex-A55核心處理域，搭載Linux富操作系統，主要負責網絡相關信息的處理，如DOIP、OTA等。域控制器和網關控制器軟件整體架構如圖9所示。

圖9 軟件整體架構

域控制器車身相關功能由實時工作核心Cortex-R5實現，其軟件架構參照應用層中為具體的應用功能。實時運行層為應用層和底層驅動的中間層，其實現與應用層和驅動層的接口和邏輯轉換。驅動層則主要實現硬件設備的訪問控制。域控制器車身控制功能為10ms周期運行任務，簡化任務工作流程如下。RTE軟件架構如圖10所示。

圖10 RTE軟件架構

1）運行PEPS相關的RF、RKE任務，獲取鑰匙當前狀態。

2）運行TPMS任務，獲取胎壓傳感器數據。

3）RTE調整PEPS相關狀態。

4）RTE根據胎壓傳感器和其他車身數據，判斷胎壓警告狀態。

5）RTE通過MSDI驅動獲取底層輸入開關信號狀態。

6）RTE獲取開關狀態后，將數據傳送給外部燈光模型和閃爍燈光模型并獲取模型的輸出。

7）RTE依照模型輸出，通過驅動程序進行實際硬件驅動。

4 調試驗證

為了驗證車身域控制器的功能與性能是否滿足要求，搭建了臺架系統進行驗證，臺架主要以車身域控制器和網關控制器為核心，搭載實車車燈負載，網關控制器主要用于驗證車身域控制器的OTA刷寫功能，網關控制器與車身域控制器之間通過車載以太網進行傳輸。

臺架測試驗證如圖11所示，主要驗證的功能有：①近光燈、遠光燈、位置燈、日行燈、制動燈、倒車燈、后霧燈以及轉向燈等燈光功能；②網絡通信功能主要包括CAN通信、LIN通信、100T1通信；③報文路由功能；④信號路由功能；⑤UDS診斷功能；⑥使用網關控制器對域控制器進行DoIP刷寫，從而驗證了車身域控制器的OTA功能。

圖11 臺架測試驗證

測試結果顯示車身域控制器上述功能滿足設計要求，所有測試項目均通過。

5 結論

本文設計的車身域控制器主要基于國產芯片G9X，該車規級芯片的應用解決了域控制器國產化的重要一步，該芯片集成度高，接口豐富，內置加速引擎，支持硬件安全引擎。G9系列芯片是面向下一代域控制器和網關控制器的解決方案芯片，是面向服務的電子電氣架構（SOA）控制器的理想之選。針對域控制器和網關控制器實現功能的不同，可在G9系列中根據實際應用層業務負責程度，圍繞MCU、MPU、GPU等核心資源的數量進行芯片型號選擇，同時硬件完全支持無縫升級。域控制器國產化的研究，克服了進口車規級主控芯片“卡脖子”難題，尤其在芯片缺口日益明顯的情況下，國產芯片、國產化控制器正被越來越多的車企列入采購名單[3]。