面向集中式電子電氣架構的商用車車載國產化中央計算平臺設計

王 全, 王海斌, 文健峰, 楊杰君, 孫 煒, 王會生

(1.中車時代電動汽車股份有限公司, 湖南 株洲 412007;2.中國鐵路北京局集團有限公司衡水供電段, 河北 衡水 053000)

隨著電動汽車新四化(電動化、智能化、網聯化、共享化)的升級加速,車載ECU單元數量不斷增加,這給汽車升級、維護造成了極大的困難[1-4]。對此,眾多汽車廠對汽車電子電氣架構進行從分布式向集中式發展的升級迭代。集中式電子電氣架構的核心是控制器,高算力車載中央計算平臺是關鍵。集中式的電子電氣架構具有輕量化、高效率、低成本等優勢,更切合汽車新四化的發展路線[5]。

1 需求分析及總體要求

近年來,車載中央計算平臺在電動乘用車領域的應用不斷落地,中央計算平臺化、架構集中化已經進入了快速上升期[6]。各頭部車企已采用自研電子電氣架構、合作/自主開發高算力域控制平臺的模式[7-9],但商用車領域因受限于整車成本、整車廠研發能力及供應商的支持力度,暫無成熟度高的高算力中央計算平臺方案[10-12]。

過去,我國汽車用芯片大多數是國外進口,本土芯片所占的比例微乎其微。但隨著國產芯片產業的迅猛發展,高算力國產SoC芯片企業不斷涌現,讓國產化、高算力中央計算平臺的研發和應用成為可能[13]。

本文針對商用車電子電氣架構特點,構建一個面向集中式電子電氣架構的國產化、高算力中央計算平臺,如圖1所示。中央計算平臺作為車輛信息融合與決策控制中心,需外接視覺、雷達等傳感器實時感知車輛外部環境;需連接整車功能域(智能駕駛域、底盤域、車身域、交互域)的異構網絡將原本歸屬于各電子控制單元的功能集中到中央計算域內,取代傳統的分布式架構,進行信息融合與協調控制,實現集中化管理?？傮w需求如下:

圖1 中央計算平臺總體方案

1) 高算力。能運算、處理、分析多個傳感器數據,可運行主流深度學習算法,滿足主流感知、融合、規控算法的算力需求。

2) 通訊高帶寬、大吞吐、低延時。保障平臺和各傳感器、整車各功能域的信息傳遞。

3) 接口多類型、多數量。智能汽車傳感器種類多、數量多,接口類型不盡相同。外設接口資源豐富可減少ECU和轉接器件數量,避免傳感器集成過多導致布線復雜和凌亂。

4) 低功耗。中央計算平臺屬于嵌入式車載計算平臺,需要低功耗設計。

5) 國產化?？梢员Ｕ现醒胗蚩仄脚_的供應鏈穩定,控制系統成本。

2 平臺框架設計

中央計算平臺硬件系統主要包含核心芯片模塊和外設資源模塊,如圖2所示。

1) 核心芯片模塊包含MCU和SoC。MCU具有高穩定性、實時性特點,主要對實時性、可靠性要求高的整車底盤域、車身域、人機交互域進行管理、監控,提高整車能源、信息利用效率,確保整車安全性和可靠性。SoC具有主頻高、計算能力強等特點,通過系統內核管理進行硬件資源分配,主要用于智能域多傳感器的感知處理、信息融合,執行高級輔助駕駛的規控算法。

MCU為紫光國芯THA6510芯片,CPU擁有5x300MHz@150 MHz主頻;Flash包含10 MB PFlash,720 KB Dflash;功能安全等級為ASILD(ISO 26262)。

SoC為黑芝麻華山A1000芯片,CPU包含8xARM Cortex-A55,1.5 GHz,32.4KDMIPS;GPU搭載ARM Mali-450;AI算力58 TOPs (int8);CV算力128GFLOPs@FP32/FP16;功能安全等級為ASILB(ISO 26262);

2) 中央計算平臺的外設資源接口主要包含以下幾種:符合整車電壓平臺的電源輸入接口;為車輛設備提供電源的5 V和12 V輸出電源接口;五類通訊接口,用于和外部感知設備、車輛各功能域進行通訊和系統調試;多路硬線接口,用于接收硬線信息進行高邊驅動、時間同步等。具體資源參數如下:

①通訊接口:USB2.0/3.0接口1路;HDMI視頻輸出接口1路;攝像頭接口8路;千兆普通以太網接口1路;千兆車載以太網接口1路;RS485接口1路;RS232接口1路;CAN/CANFD共用接口9路。

②硬線接口:高邊驅動接口9路;數字輸入接口9路;模擬輸入接口6路;PPS輸出接口3路;PPS輸入接口1路。

③電源接口:硬件喚醒源3路;5 V電源輸出3路;12 V電源輸出1路;9～36 V電源輸入4路;信號地10路。

為保證用戶在該平臺上能快速開發應用,本文開發出了MCU軟件開發框架和SoC軟件框架。其主要功能是結合中央計算平臺的強大算力,將車載平臺常用的核心功能模塊和常用基礎軟件組件封裝成外圍接口開放出來,方便用戶快速簡便地接入并使用。

3 開發框架

3.1 MCU軟件開發框架

MCU滿足AUTOSAR標準,軟件架構主要分為單片機抽象層、ECU抽象層、服務層、復雜驅動層、RTE接口層和應用層,如圖3所示。

圖3 AUTOSAR軟件架構

單片機抽象層位于最底層,包含控制芯片相關的模塊及外設的硬件驅動,可實現芯片資源管理及對外部電氣信號、網絡的訪問;ECU抽象層位于單片機抽象層之上,完成硬件端口與控制器引腳的映射,實現由電氣信號到控制信號的轉變;系統服務層提供了系統任務調度、協議管理、故障管理、狀態管理、文件管理等基礎服務,代表了控制平臺的運行性能,決定了系統的可靠性與實時性,是系統正確運行與工程調試的基礎;復雜驅動層主要有單片機外圍復雜高低邊驅動和Bootloader;RTE接口層完成模型、算法的輸入輸出參數與實際數據的互聯;應用層包含若干個軟件組件,軟件組件間通過端口進行交互,每個軟件組件可以包含多個運行實體,運行實體中封裝了相關控制算法,其可由RTE事件觸發。應用層主要是為用戶提供便捷開發的接口,可采用基于模型的開發方式進行開發。

為了輔助MCU的開發、應用和測試,自主開發設計、調試工具鏈。

1) 監控、標定軟件如圖4所示?？勺x入標定數據文件,用于對應用層軟件在MCU中運行時的數據實時采集、圖形化監控、數據標定和保存,以便開發、測試和優化ECU的控制軟件。

2) 標定數據管理工具(CDM)。工具可支持對標定數據文件的管理,圖形化的顯示瀏覽以及修改標定參數,可檢測并解決數據集成過程中數據地址不一致的情況,以確保監控、標定軟件數據的真實性。

3) 數據分析工具(MDA)如圖5所示。工具基于監控、標定軟件保存的數據進行圖形化數據回放和不同格式的數據導出,提供了多種顯示策略和對比界面,以便更好地抓取整車特征數據進行分析。

圖5 數據分析工具

4) 程序燒寫工具。燒寫工具與Bootloader配合,加載Hex文件,支持數據/程序的燒寫,通過校驗機制保證數據/程序的燒寫安全。

3.2 SoC軟件開發框架

SoC主要用于智能域的信息處理、融合和高級輔助駕駛的規控算法,其軟件開發框架如圖6所示。中央計算平臺中SoC的核心功能模塊和常用基礎軟件組件封裝成外圍接口開放出來,可以支持車端、路端及各種邊緣計算場景,方便快速簡便地接入和使用。

圖6 SoC軟件開發框架

SoC軟件開發框架主要包含運行在SoC端的實時操作系統和運行在主機(Host端)的集成開發環境。

3.2.1 SoC端

SoC芯片的Linux系統構建了實時任務管理、傳感器管理服務、高精度時間同步服務、多傳感器融合服務和診斷服務。所有服務和任務節點的通信都基于CyberRT通信中間件,可以在進程內/進程間/異構計算單元間/跨主機間實現高性能DDS通信。

1) 實時任務管理。包含基于ADS-COM通訊中間件開發應用時用到的任務管理相關的模塊,包括任務調度模塊、任務狀態監控模塊、任務調度看板、任務調度配置生成器等。

2) 傳感器管理服務。用于提供傳感器的統一管理、數據獲取、配置等需求的后臺服務。傳感器管理服務主要基于兩個抽象層:傳感器數據抽象層和傳感器硬件抽象層,向上提供統一的傳感器數據結構和接口規范,向下兼容不同硬件接口和不同協議的傳感器供應商。

3) 高精度時間同步服務。提供了GNSS同步(如果板子集成了GPS接收機)、PTP(IEEE 1588V2)、gPTP(IEEE 802.1as)、NTP同步等方式,用戶可以根據場景需要,通過配置文件即可快速使用時間同步模塊。

4) 多傳感器融合服務。將來自不同安裝位置、不同傳感器類型的傳感器信息進行融合,利用傳感器的互補特性(位置互補和性能互補),得到更可靠、更精準、更平滑的融合輸出結果。感知融合數據流示意圖如圖7所示。

圖7 感知融合數據流示意圖

5) 診斷服務。旨在為用戶提供滿足診斷開發應用需求,主要包含的接口如下:①平臺診斷接口負責提供應用診斷故障上報及DID讀寫服務。②UDS服務接口負責提供UDS配置和各類服務注冊功能,用于實現UDS各類服務。③DoIP協議棧接口實現DoIP通信,用戶可在自己應用軟件開發中調用平臺診斷接口,設計自己需要上報的診斷故障、DID讀寫服務等,也可利用UDS服務接口和DoIP協議棧接口完成特定于自己應用并滿足ISO 14229和ISO 13400規范的診斷服務層開發。④CyberRT通信中間件是專門面向高級輔助駕駛的高性能通信組件,其基于集中計算模型,并且針對高級輔助駕駛中的高并發、低延遲以及高吞吐量需求作了特定優化;通信框架是位于操作系統和應用程序之間的軟件層,它使系統的各個組件能夠更容易通信和共享數據。這一層通過解決應用程序和系統之間傳遞信息的機制,簡化了分布式系統的開發任務調度模塊。

3.2.2 Host端

Host端提供了運行于主機端的交叉編譯環境和高級輔助駕駛的開發調試工具;用于車路協同路側場景的多傳感器標定工具;數據錄制、回放、可視化、實時分析的數據編排工具;任務調度、資源監控與可視化的流程編排工具;多傳感器融合算法調試、驗證和可視化的傳感器融合集成開發平臺。Host端主要包含的工具箱詳解如下:

1) 數據監控可視化工具。面向使用CyberRT通信框架protobuf數據格式的場景設置,其整合的功能包括protobuf數據通信的自定義監聽,protobuf數據的自定義錄制,數據包的自定義播放,數據包的詳情顯示,數據包的自定義分割以及融合數據的可視化。

2) Http-Server工具。通過把Http-Server集成到開發的程序中,瀏覽器端server就可以通過Http協議和應用進行交互,Http-Server還支持通過WebSoCket協議來主動推送消息到瀏覽器端。

3) 設備管理工具?？稍诮尤隨oC上運行一個agent進程,在局域網或者互聯網上部署一個server端,agent進程啟動后會主動和server建立連接。我們通過登錄server端的網頁實現SSH遠程連接,數據的上傳、下載,CPU消耗繪圖,多賬號設備管理和操作日志。

4) 多傳感器融合集成工具?？蓪崿F多個傳感器的感知融合顯示,驗證融合算法效果。方便開發人員可視化可控化進行融合效果的輸出與數據檢驗。

5) 平臺代碼生成工具?？煽焖偕苫贑yberRT的源碼,具體是用戶按C++規則及CyberRT規則填寫json文件,然后將Component模塊按照用戶的需求輸出目標源碼。

6) 平臺可視化工具。可以監控圖像數據及點云數據并可視化。

7) 平臺查詢工具。可以快速羅列用戶開發的應用,方便開發者快速了解及使用此設備下可用的工具。

8) CyberRT工具。集成了CyberRT工具箱,實現數據記錄、數據監控、節點、話題、服務信息輸出。

9) 日志工具。可實現SoC日志收集和可視化。

4 結束語

本文對面向集中式電子電氣架構的中央計算平臺進行了需求分析,設計了以黑芝麻A1000 SoC和紫光芯能THA6510 MCU為主芯片的國產化中央計算平臺硬件方案和軟件開發框架。該方案滿足集中式電子電氣架構高算力、多接口、高帶寬、低功耗的特點,可實現面向集中式電子電氣架構的中央計算平臺的快速集成。國產化方案可以穩定中央計算平臺供應鏈,控制系統成本,為我國企業提供技術積累、產業鏈升級和市場需求支撐等方面的幫助,以促進其他車載芯片的國產化。