一種新型智能車載單元OBU系統的設計與量產

張亮　周濤濤　涂振益　彭振文　劉強生

摘 要：OBU（On Board Unit），即車載單元[1]。在智能網聯車路系統中，OBU使不同廠商車輛，以及路側單元RSU（Road Side Unit）[1]互聯互通。本文設計了一種新型OBU系統，融合了5G通信、C-V2X通信（Cellular Vehicle to Everything，V2X）[2]和GNSS定位、硬件加密等功能。針對客戶需求和OBU系統架構，對軟硬件子單元進行了詳細分析和設計，經落地優化、批量生產，成功大規模應用于城市公交系統與車路協同項目中。

關鍵詞：車路協同 OBU系統 5G C-V2X 加密

1 引言

在智慧交通和車路協同的大趨勢引領下，隨著C-V2X新型車用無線通信技術的成熟，汽車網聯化需求飛速增長。C-V2X是基于4G/5G等蜂窩網通信技術演進形成的新型車用無線通信技術，當前 C-V2X主要包含車、人、交通路側基礎設施和網絡[2]。由車載終端OBU與路側設備RSU、蜂窩基站、云端平臺等組成車路協同系統，實現路況與危險預警等業務應用。

2 OBU終端系統原理

OBU終端系統原理架構如圖１所示，系統融合5G、C-V2X、GNSS、WIFI、BLE（低功耗藍牙）技術于一體、與車載網絡總線包括汽車CAN總線、以太網、音視頻、RS232和RS4855等通信。OBU采集定位、車輛狀態和路況等信息，將這些信息由V2X模塊實時發送給路側單元RSU，RSU與控制中心進行數據通信。此外，OBU還將信息發送給同一RSU服務范圍內的其他OBU。RSU將控制中心返回的電子地圖、路況、限速預警、調度等信息發送給各個OBU，與OBU連接的屏上實時顯示附近區域電子地圖、調度等信息。司機根據這些信息選擇最優路線，避開堵車或者危險區域。

3 系統硬件設計

3.1 系統硬件框架

如圖2所示，OBU終端硬件總體構成主要有電源系統、主控制器、通信模塊、單片機、CAN控制器、車載以太網模塊、加密模塊、存儲模塊、慣導和陀螺儀模塊等，其中通信模塊包含5G、CV2X、GNSS、WiFi、BLE和音視頻。硬件系統提供豐富的對外接口，主要包括音視頻、RS232、RS485和GPIO等。由于系統硬件包含內容較多，下文只對重點單元進行介紹。

3.2 各模塊設計

3.2.1 系統電源

根據車輛電子設備標準與客戶需求，本系統電源輸入采用標準24V，試驗電壓波動范圍為18～32V，反接電壓為28V，過電壓為36V [3]。系統電源采用自恢復保險絲防止過流，采用TVS抑制瞬態高壓；在低壓側采用NMOS管防反接，防護器件后端接共模電感、X電容和Y電容、LC吸收電路抑制EMI輻射和干擾。

為了滿足硬件各個模塊的供電需求，負載電源均采用DC-DC和LDO結合的降壓方式。DC-DC負責大電流高壓模塊供電、LDO負責小電流低壓模塊供電。

本系統備用電源采用安全性極高的鎳氫電池組。針對現有鎳氫電池充電技術速度慢、負載適應性差、異常狀態響應遲緩等缺點。設計了一種專用恒流充電電路，即采用可調節充電電流和電壓的恒流充電方式給電池充電，具體由單片機控制開關電路和I2C總線來分別調節充電電流和電壓值。通過比較器比較充電電壓與參考電壓，當充電電壓大于參考電壓時，比較器輸出高電平給開關管，從而控制降壓芯片關閉充電，以此確保電池在充電過程中發生意外及時斷電。同時，單片機實時采集電池溫度和電壓，當有異常情況發生時及時關閉充電。

3.2.2 主控制器

系統主控制器硬件采用模塊化核心板設計，主芯采用恩智浦高性能車規級處理器IMX8QXP，內置4核Cortex-A35，最高主頻1.2GHz。核心板對外接口主要包括：PCIE5.0、USB3.0、CAN 接口、千兆車載以太網接口、音視頻接口等。主控制器IMX8QXP上運行Linux操作系統。主要負責各模塊、外設的數據交互、存儲、系統固件升級等。

3.2.3 通信模組

通信模組選用移遠AG550，主要完成5G通信、GNSS定位數據解析與高精度差分定位協議解析、V2X 數據收發和加密、以太網通信、業務邏輯運算、CAN總線車輛數據獲取、FOTA固件升級、電話語音、九軸慣導和陀螺儀傳感器驅動與數據解析等。為了滿足車內通信應用場景，OBU系統還提供了WIFI、BLE連接，手機APP用戶通過5G網絡實現遠程車輛診斷和控制，通過BLE實現汽車數字鑰匙。

3.2.4 CAN收發器

局域網絡控制器簡稱為CAN，主要負責車載故障診斷系統的數據傳輸工作。

如車輛剎車狀態、轉向燈狀態、危險信號燈狀態、速度、方向盤轉角等。CAN 收發器選用型號為TJA1042T，符合 ISO11898 協議標準[3]。收發器電路采用了共模濾波器、匹配電阻、ESD保護等措施以提升信號完整性和抗干擾性能。

3.2.5 硬件加密

硬件加密已經成為V2X通信不可或缺的重要一環。系統采用加密模塊XDSM3276，對V2X通信等進行加密，通過SPI總線掛在主控制器上。模塊支持國密SM2算法，內部儲存空間用于保存關鍵信息和秘鑰。

4 系統軟件設計

4.1 系統軟件總體框架

如圖3所示，系統軟件包含硬件適配層、系統組件、服務層和應用層。硬件適配層包含操作系統相關接口和硬件外設接口驅動；系統組件包含GNSS定位、V2X、網絡、車身數據獲取與控制、安全等各個模塊；服務層包含系統管理、網絡管理、V2X危險檢測等應用算法、OTA固件升級等各種服務；應用層包含車路協同17個應用場景具體實現[2]、TBOX、智驅、節油及相關服務。

4.2 通信協議

系統通信協議采用輕量級的數據交換格式規范JSON[2]。系統內部各模塊間通信消息類型分為請求、響應和通知。系統定義了四個模塊角色，分別為上位機診斷軟件HDU、電源管理控制器PMU、系統主控制器MCU、C-V2X處理器CVU。

4.3 各模塊設計

（1）主控制單元（MCU）： MCU負責不同模塊之間的通信。針對不同模塊之間的接口分別開啟單獨線程接收其命令，并對其進行解析，然后分發給目的設備。MCU與HDU和PMU均采用串口進行通信，創建不同的線程來接收處理HDU和PMU發送的命令；MCU與CVU采用網絡socket進行通信。CVU發送的數據首先進行協議轉換，然后將自組包的十六進制數據譯成json格式，再調用指定函數對其解析。

（2）GNSS 定位模塊：GNSS定位為車輛提供基礎和高精度差分定位服務。涉及協議有NMEA0183、Ntrip Client和RTCM等。如圖4所示，GNSS硬件定位模塊提供基本定位數據，系統內開啟GNSS守護進程負責與硬件定位模組進行通信。定位模組信息以NMEA0183協議輸出，系統通過UBX協議對定位模組進行相關參數配置。解析出基本定位信息后再將其注入V2X模塊，提供定位服務。

（3）CAN數據獲取與車輛控制： CAN數據傳輸是基于J1939協議，系統主控制器首先創建CAN通道，建立與車輛CAN總線之間的通信，接收CAN上的數據并進行解析，解析后的數據通過socket傳給CVU，最終送給V2X進行處理；主控制器同時接收CVU傳輸過來的車輛數據命令，解析完成后通過CAN 接口發給車輛CAN總線，實現對車輛的控制。

（4）V2X協議棧：V2X協議棧包含接入層接口、網絡層和消息層協議實現，其框架如圖5所示，接入層接口即Uu和PC5接口，由模組廠商提供相應的SDK接口來初始化、發送和接收數據。網絡層包含數據子層和管理子層，數據子層主要包括適配層、IP和UDP/TCP 以及專用短消息協議；管理子層主要完成系統配置及維護。消息層位于應用層內部，向下對接網絡層的數據子層，向上支持用戶應用。

5 系統測試

OBU在研發和量產階段行了大量測試，包括信號完整性、射頻性能、V2X內外場測試、PC5接口的sidelink測試、功耗測試、可靠性測試。其中可靠性測試包括EMC、安規、高低溫、振動、防塵防水等測試。測試結果均符合指標要求。

6 量產出廠流程及測試

量產是整個產品落地應用的重要環節，經過多次小批量試產，總結設計出了一套高效的量產流程。整個過程采用精細化管理，以控制不良率。

如圖6所示量產出廠流程。生產準備包括：物料準備，測試軟件、工裝治具開發、核心板和車載以太網芯片程序燒錄等。貼片生產是指將相應的元器件物料貼裝在PCB板上，貼完后通過光學設備對PCBA進行質量檢測。檢測完畢后，對PCBA半成品進行通信模組固件燒錄。燒錄完成后對PCBA半成品進行全面的功能和性能測試，通過測試的產品，將測試信息寫入到被測半成品內部存儲區，電腦自動打印二維碼，二維碼包含的信息有：生產測試信息、出廠編號、通信模組SN碼和IMEI碼。待組裝完成后將之前打印的二維碼貼于產品外殼，用掃碼槍掃描二維碼，便可查看該產品的相關信息。最后，整機產品全部進行老化測試后方可出廠。

7 結束語

本文從客戶需求和實際應用出發，設計了一種新型OBU系統，融合了C-V2X等多種通信技術和硬件加密技術，成功大規模應用于城市公交系統、車路協同試點道路等多個場景，大大加速了智慧交通，無人駕駛的產業落地進程。系統后續將進一步對接車身雷達傳感系統，形成一套更加智能的無人駕駛輔助系統。

參考文獻：

[1]李焱.ETC系統中OBU的低功耗設計與研究[D].武漢郵電科學研究院， 2008.

[2]車載信息服務產業聯盟&未來移動通信論壇.智能網聯汽車基本應用白皮書[R/OL].2016.https：//max.book118.com/html/2022/0420/8061077117004073.shtm.

[3]GB/T 28046.2-2019.道路車輛 電氣及電子設備的環境條件和試驗 第2部分：電氣負荷[S].