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談談汽車電子在五個方面的技術變革

日期:2020-11-24

以下文章來源于汽車電子與軟件 ,作者cao sir。

一、汽車總線通訊從CAN總線向汽車以太網發展

汽車總線技術解決各個控制器之間信息交互問題,目前汽車總線技術以CAN總線為主,LIN總線為輔,CAN總線具有多主仲裁的特點,但是它在每個時間窗口里只能一個節點贏得控制權發送信息,其他節點都這個時候都要變為接收節點,因此CAN總線只能實現半雙工通訊,最高傳輸速度1Mbps(40m)。為了獲得更大的傳輸速度,BOSCH,freescale等公司開發了Flexray總線用作線控系統的數據傳輸,寶馬、戴姆勒公司開發了MOST (多媒體傳輸系統)總線用作娛樂系統數據傳輸。

但隨著汽車“新四化”的發展,ECU數量,ECU的運算能力需求都呈現爆發式增長,尤其是ECU與ECU之間對全雙工通訊有了強烈需求,繼續使用CAN總線連接不僅將造成汽車電子系統成本大增,更無法滿足高性能處理器實時高速雙向數據交互的需求。
車載以太網使用單對非屏蔽電纜以及更小型緊湊的連接器,使用非屏蔽雙絞線時可支持15m的傳輸距離(對于屏蔽雙絞線可支持40m),這種優化處理使車載以太網可滿足車載EMC要求??蓽p少高達80%的車內連接成本和高達30%的車內布線重量。100M車載以太網的PHY采用了1G以太網的技術,可通過使用回聲抵消在單線對上實現雙向通信,滿足智能化時代對高帶寬的需求。

車載以太網短期內無法全部取代現有CAN網絡,其在汽車行業上的應用需要一個循序漸進的過程,大致可分為 3 個階段:局部網絡階段、子網絡階段、多子網絡階段。
局部網絡階段,可單獨在某個子系統上應用車載以太網技術,實現子系統功能,如基于 DoIP 協議的 OBD 診斷、使用IP 協議的攝像頭等;
子網絡階段,可將某幾個子系統進行整合,構建車載以太網子系統,實現各子系統的功能,如基于 AVB 協議的多媒體娛樂及顯示系統、ADAS 系統等;
多子網絡階段,將多個子網絡進行整合,車載以太網作為車載骨干網,集成動力、底盤、車身、娛樂等整車各個域的功能,形成整車級車載以太網絡架構,實現車載以太網在車載局域網絡上的全面應用。

二、整車電子電氣架構由分布式向集中式發展

為了統籌考慮汽車的電子電氣系統原理設計、中央電器盒的設計、連接器的設計、電子電氣分配系統等設計,德爾福公司首先提出了整車電子電氣架構(EEA)的概念。傳統的電子電氣架構是一種分布式方案,根據汽車功能劃分成不同的模塊,如動力總成、信息娛樂、底盤和車身等。這種分布式方案最大的特點是功能劃分明確,可以通過預先的設計來嚴格明確界限,所有歷史工作的繼承性也很強。由于劃分后的每個模塊相對獨立,如果需要做出改變,那么選出一部分東西進行更新即可。然而,這種模式的缺點也很明顯,那就是容易導致模塊太多且可控性不強。

隨著汽車“新四化”的發展,分布式電子電器架構設計已經不能滿足需求。一方面現有的電子電氣架構在功能擴展性這一塊并不好,無法做到柔性兼容,每增加一個新功能都需要增加一套ECU和通訊系統,隨著ECU系統數量和質量的增加,由于是分布式計算,大量的運算資源被浪費了,由此產生的成本增加大約300-500美元,如果沿用目前的電子架構體系,產生的成本增加最少也是1000美元。另一方面是線束系統。一輛低端車的線束系統成本只要大約300美元,重量大約30公斤,長度大約1500米,線束大約600根,1200個接點。而目前一輛豪華車的線束系統成本大約550-650美元,重量大約60公斤,線束大約1500根,長度大約5000米,3000個接點。如果沿用目前的電子架構體系,無人車時代的線束成本不會低于1000美元,重量可達100公斤。

為了降低整車成本,汽車電子電氣架構將由分布式向著集中式發展,其核心思想是用高性能的中央計算單元取代現在常用的分布式計算架構。奧迪將新架構命名為中央計算集群(central computing cluster),而寶馬叫做中央計算平臺(centralcomputing platform),Tesla在Model3上首次使用了左車身控制器,右車身控制器,自動駕駛及娛樂域控制模塊這三個控制器來控制整車電氣系統,實現了域控制器概念。在通訊技術更加先進的未來,車輛的控制系統將放在云端,實現數據云傳輸和云控制,車輛硬件將簡化成一個傳感器和執行器,這樣可以在降低成本的同時無限增加車輛功能的可拓展性??傊?,汽車電子電氣架構正圍繞一個強有力的通信架構和整車級計算平臺這兩項內容而展開深度演化。

三、汽車軟件架構由面向數據到面向服務發展

汽車軟件與硬件共同實現了汽車某項功能。為了使汽車行業的各種軟件能夠兼容與協作開發,有利于提高汽車軟件的開發效率,歐洲汽車行業在20世紀90年代中期開發了一套用于汽車電子的開放式系統標準--OSEK/VDX,這是用于分布式實時控制系統的一組標準,核心部分包括操作系統(OS)、通信(COM)、網絡管理(NM)和OSEK實現語言(OIL)四個子標準。由于OSEK標準存不能支持在已經存在的硬件平臺的基礎上實現新的功能,急需開發一套新的標準可以將軟件作為插件運行在電子控制單元上。
2003年全球汽車制造商、部件供應商及其他電子、半導體和軟件系統公司聯合建立了汽車開放系統架構(AUTOSAR)。AUTOSAR工作目標主要有三個:建立獨立于硬件的分層軟件架構,為實施應用提供方法論,包括制定無縫的軟件架構堆疊流程并將應用軟件整合至ECU,制定各種車輛應用接口規范,作為應用軟件整合標準,以便軟件構件在不同汽車平臺復用。因此AUTOSAR整體框架為分層式設計,以中間件RTE(RuntimeEnvironment)為界,隔離上層的應用層(Application Layer)與下層的基礎軟件(Basic Software)。中間RTE(Runtime Environment)作為虛擬功能總線VFB(Virtual Functional Bus)的實現,隔離了上層的應用軟件層(Application Layer)與下層的基礎軟件(Basic Software),擺脫了以往ECU軟件開發與驗證時對硬件系統的依賴。另外AUTOSAR采用了靜態驅動系統,在軟件系統運行過程中,不同功能函數被事先定義好的排序文件(Scheduling)依次調用、逐個運行。優點是資源分配問題被事先一次性解決,每個函數的具體運行區間亦被提前鎖定。這滿足了對行車安全有苛刻要求的功能函數運行需求,比如決定安全氣囊是否打開的功能函數被固定地每幾毫秒運行一次,以便緊急情況下氣囊得以及時打開。但它固定化的軟件架構限制了使用者個性化開發的需求,且無法支持在線升級和軟件迭代更新!

2017年3月AUTOSAR創立了適用Service Oriented Architecture的AdaptiveAUTOSAR標準。與經典平臺相比,AUTOSAR自適應平臺采用面向對象語言C++語言進行軟件開發 (經典AUTOSAR采用C語言),基于智能操作系統(POSIX OS, 例如Linux)進行APP的開發,使得它可以適應高性能微處理器(如ARM)和智能操作系統(如Linux)的智能互聯應用功能的開發。因此,在未來的車輛上在傳統應用如動力總成、底盤、車身和內部電子控制等仍將使用AUTOSAR經典平臺,在新應用程序如高度自動化駕駛、V2X、空中軟件更新或網聯,將使用AUTOSAR自適應平臺。

四、汽車電子控制器由MCU向AI仿真芯片發展

傳統汽車功能簡單,與外界交互較少,常為分布式 ECU,主要為等待指令、停機指令、空操作指令、中斷指令等各類控制指令,運算速度較低,其運算單位為 DMIPS(百萬條指令/秒)、且存儲較小,代表廠商如英飛凌、瑞薩、德州儀器、恩智浦、意法半導體等;
智能網聯汽車,不僅需要與人交互,也需要大量與外界環境甚至云數據中心交互,將面臨巨大非結構化數據處理需求,車端中央計算平臺將需要 500+ DMIPS的控制指令運算能力、300+TOPS的 AI 算力。因此汽車芯片結構形式由 MCU 向 SOC 異構芯片方向發展。SoC 是一顆系統級芯片,由 CPU+GPU+DSP+NPU+各種外設接口、存儲類型等電子元件組成。SOC 較 MCU 集成程度更高,集成 AI 處理單元/音頻處理單元DSP/圖像處理單元GPU/ 深度學習加速單元 NPU 等,功能更復雜,片上互聯利于集成電路之間的高速互通互聯,資源利用效率更高。SOC 芯片上有豐富的軟件配套(工具鏈、編譯器等),提升了處理效率。車載SOC芯片代表產品如華為昇騰系列芯片、地平線征程系列芯片、寒武紀的MLU 系列芯片、特斯拉FSD等。[5]

五、汽車傳感器向著融合智能的方向發展

傳感器在汽車上的應用越來越廣泛,隨著汽車網絡化、信息化發展,傳感器從傳統只能檢測一個物理量逐漸發展為可以同時測量多種物理量,與微處理器相結合使傳感器具有信息檢測、信息處理、自學習能力等智能功能。[6]
傳感器融合是指將安裝在各位置的多個相同種類或者不同種類的傳感器所提供的階段性數據進行綜合,采用程序軟件對其進行分析、判斷、過濾、修整,去除多個傳感器信息之間存在的冗余、矛盾,并進行互補、修正,降低其不確定性,獲得被測對象確定的描述,最大限度提高系統的決策、規劃、反應的快速性和正確性,使系統獲得更充分的信息。數據融合增強了系統的穩定性、精確性和健壯性,延展了搜索范圍,提高了實時性或空間的分辨率,擴大目標特征的維度,加強了信息的全面性、準確性,改善了信息的可信度,增強了系統的防錯能力和自學習能力,同時也能夠解決信息泛濫的問題,從而提高整個系統的性能。

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