三十年前,汽車堪稱機(jī)械工程領(lǐng)域的奇跡之作,但以如今的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看,其構(gòu)造相當(dāng)簡(jiǎn)單。入門級(jí)汽車僅配有收音機(jī)和電子點(diǎn)火裝置。車窗升降器是手動(dòng)的。儀表盤上裝有機(jī)電式速度計(jì)和一些警示燈。電力通過(guò)儀表盤上的開關(guān)直接從電池傳輸至前大燈。那時(shí)的汽車沒(méi)有防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)和安全氣囊,也沒(méi)有中央計(jì)算機(jī)。所有部件都使用模擬信號(hào),并且相互獨(dú)立。
如今,車輛集成了數(shù)百種功能,其中許多功能是法規(guī)強(qiáng)制要求或消費(fèi)者所需求的。為了實(shí)現(xiàn)這些功能,汽車制造商陸續(xù)安裝了電子控制單元(ECU)。每個(gè)系統(tǒng)(制動(dòng)、照明、信息娛樂(lè)等)均配備了各自的ECU、軟件和布線。隨著時(shí)間的推移,單輛汽車中形成了由100到150個(gè)ECU組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),并且這個(gè)網(wǎng)絡(luò)變得越來(lái)越復(fù)雜。
為了突破這種復(fù)雜性,汽車制造商開始采用軟件定義汽車(SDV)架構(gòu)。SDV旨在實(shí)現(xiàn)軟件控制的集中化,從而簡(jiǎn)化功能的更新、管理和擴(kuò)展。然而,即使實(shí)現(xiàn)了這種轉(zhuǎn)變,若汽車制造商不重新考量車輛的物理架構(gòu),底層的布線和分布式硬件仍可能成為系統(tǒng)瓶頸。
于是,區(qū)域控制架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生,這是一種基于位置的現(xiàn)代設(shè)計(jì)策略,對(duì)SDV原則起到補(bǔ)充作用,并顯著簡(jiǎn)化了車輛系統(tǒng)。
什么是區(qū)域控制架構(gòu)?
區(qū)域控制架構(gòu)是一種范式轉(zhuǎn)變,它依據(jù)位置而非功能來(lái)組織車輛電子設(shè)備。不再為每個(gè)子系統(tǒng)配備專屬的ECU,而是在車輛的各個(gè)區(qū)域(如左前角、右后角或車艙內(nèi))安裝區(qū)域控制器。這些控制器管理各自區(qū)域內(nèi)的本地設(shè)備,如車燈、開關(guān)和傳感器。并非每個(gè)組件都運(yùn)行各自的軟件,而是由區(qū)域控制器充當(dāng)中心樞紐,負(fù)責(zé)配電和數(shù)據(jù)通信。
這些區(qū)域控制器連接到中央計(jì)算機(jī),中央計(jì)算機(jī)中裝有定義車輛行為的核心軟件。因此,對(duì)于中央門鎖、照明或溫度控制,無(wú)需單獨(dú)的ECU,中央計(jì)算單元做出決策,區(qū)域控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行。
這種轉(zhuǎn)變用更簡(jiǎn)單、更易于管理的區(qū)域布局取代了數(shù)百條點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的線路,顯著提高了設(shè)計(jì)的清晰度和系統(tǒng)效率。
實(shí)施區(qū)域控制架構(gòu)的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)
盡管區(qū)域控制架構(gòu)優(yōu)勢(shì)顯著,但實(shí)施過(guò)程并非毫無(wú)挑戰(zhàn)。首先,并非所有邊緣模塊都可以完全去除智能功能。一些組件(例如先進(jìn)的照明系統(tǒng))為實(shí)現(xiàn)性能、安全性或?qū)S泄δ埽孕枰镜靥幚怼R患?jí)供應(yīng)商提供的這些模塊帶有內(nèi)置軟件,因?yàn)樗麄儞碛袑?duì)模塊進(jìn)行編程和控制的專業(yè)知識(shí)。
這給采用區(qū)域設(shè)計(jì)的SDV帶來(lái)了一項(xiàng)核心挑戰(zhàn),即需在集中控制與本地化靈活性之間找到平衡。在許多情況下,汽車制造商負(fù)責(zé)處理中央計(jì)算軟件,而一級(jí)供應(yīng)商則管理所制造模塊的嵌入式軟件。實(shí)現(xiàn)純軟件的中央大腦是目標(biāo),但往往需要做出妥協(xié)。
以太網(wǎng)在區(qū)域設(shè)計(jì)中的作用
傳統(tǒng)的ECU使用CAN和LIN等傳統(tǒng)通信協(xié)議,這些協(xié)議適用于獨(dú)立模塊,但在區(qū)域控制架構(gòu)中擴(kuò)展時(shí)會(huì)變得難以管理。這正是汽車以太網(wǎng)(特別是10BASE-T1S)發(fā)揮作用的地方。
10BASE-T1S是一種專為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的低速(10 Mbps)多分支以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。它允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)(如前大燈、轉(zhuǎn)向燈和門鎖)共享一對(duì)雙絞線,減少了對(duì)昂貴點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的需求。
圖1. 10BASE-T1S 多分支連接示例
這種方法簡(jiǎn)化了布線,降低了成本,并利用了以太網(wǎng)成熟的生態(tài)系統(tǒng)(包括時(shí)間同步和錯(cuò)誤恢復(fù)功能),避免了100BASE-T1或千兆以太網(wǎng)等高速以太網(wǎng)的開銷。對(duì)于低帶寬設(shè)備來(lái)說(shuō),這些高速以太網(wǎng)是不必要的。
配電中的智能開關(guān)
區(qū)域控制器不僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中繼,還為其所在區(qū)域內(nèi)的組件配電。這意味著它們?cè)谙到y(tǒng)安全和診斷方面起著關(guān)鍵作用。安森美(onsemi)的智能開關(guān)功能遠(yuǎn)不止基本的電路保護(hù)。這些智能器件具備以下特性:
每個(gè)通道的電壓和電流監(jiān)測(cè)功能
支持ASIL B、ASIL D 等汽車安全標(biāo)準(zhǔn)
故障安全和故障運(yùn)行模式,即使檢測(cè)到故障,也能確保功能持續(xù)運(yùn)行
例如,在發(fā)生故障時(shí),智能開關(guān)可以降低功率、隔離故障,或進(jìn)入安全回退模式,而不是完全關(guān)閉前大燈等關(guān)鍵系統(tǒng)。這種洞察和控制能力對(duì)于更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。
圖2.典型的區(qū)域配電架構(gòu)
區(qū)域控制架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)
區(qū)域控制架構(gòu)在車輛開發(fā)、生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)方面具有五大優(yōu)勢(shì):
降低布線復(fù)雜性和重量:減少電線和連接器的使用,既減輕了車重,又縮短了制造時(shí)間。
降低材料和裝配成本:簡(jiǎn)化布線意味著制造成本降低,維護(hù)更加簡(jiǎn)便。
提高可擴(kuò)展性:通過(guò)軟件即可添加或更改新功能,無(wú)需重新設(shè)計(jì)硬件布局。
集中軟件控制:簡(jiǎn)化開發(fā)流程,并支持無(wú)線 (OTA)更新,這是 SDV的關(guān)鍵推動(dòng)因素。
更智能的功能協(xié)調(diào):以照明為例。在傳統(tǒng)車輛中,要實(shí)現(xiàn)解鎖時(shí)前大燈閃爍,需要集成多個(gè)ECU。在區(qū)域設(shè)計(jì)中,中央計(jì)算機(jī)發(fā)送單個(gè)命令,然后由相應(yīng)的區(qū)域控制器執(zhí)行該命令,無(wú)需冗余布線或單獨(dú)的照明邏輯。
安森美助力汽車制造商向區(qū)域控制架構(gòu)轉(zhuǎn)型
區(qū)域控制架構(gòu)體現(xiàn)了車輛設(shè)計(jì)與制造方式的范式轉(zhuǎn)變。通過(guò)按物理位置對(duì)功能進(jìn)行分組,并利用基于以太網(wǎng)的通信,汽車制造商顯著降低了系統(tǒng)復(fù)雜性、布線成本和維護(hù)難度。
與軟件定義汽車的原則相結(jié)合時(shí),區(qū)域設(shè)計(jì)為更快的創(chuàng)新、更廣泛的定制和更智能的診斷鋪平了道路。
借助10BASE-T1S、遠(yuǎn)程控制協(xié)議IC和智能配電等支持技術(shù),安森美正在助力汽車制造商實(shí)現(xiàn)這一愿景,提供可擴(kuò)展、安全且高效的區(qū)域控制方案,以滿足現(xiàn)代出行不斷變化的需求。
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原文標(biāo)題:安森美方案組合拳,直擊域控變革挑戰(zhàn)
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