基于车载以太网的专用车架构设计

马 剑，张炳力，黄振峰，袁 帅，刘 辉，刘海娃，冯 章

（1.合肥工业大学 汽车与交通工程学院，安徽 合肥 230009； 2.陕汽德创未来汽车科技有限公司电器研究所，陕西 西安 713700）

专用车通常个性化需求较多，如果每次接到设计任务后都从头设计，无疑会产生大量设计工作，增加设计成本，延长车辆交付周期。通常专用车公司对于不同的订单需求采取的做法是根据车辆用途，选择不同的车辆底盘，进行改装从而达到满足整车设计目标的目的。但是改装的方法如今已不能很好满足逐渐变高的功能需求，上装系统没有融入整车电气架构，功能单一且智能化水平较差。本文将基于这一现状，设计一种基于车载以太网的专用车电气架构，使上装系统融入车辆整体架构，为专用车功能更加多样灵活且智能化提供基础。

1 电气架构及车载以太网相关介绍

1.1 电气架构一般设计流程

电子电气架构是指集合整车电子电器系统原理开发、网络开发、功能开发、功能分配等为一体的整车电子电气解决方案，满足所有的功能和非功能需求。一般传统的电子电气架构开发可以分为需求确认、功能设计、物理架构设计、系统设计、零部件设计。需求设计阶段编制整车电子电气需求表并输出子系统需求规范。功能设计包括子系统方案设计、功能分配、网络设计和故障诊断系统开发。 物理设计阶段根据功能分配方案绘制电子控制单元原理框图及线束拓扑图。系统设计阶段设计整车通信矩阵和通信策略，绘制整车原理图、线束图。零部件开发设计阶段编制零部件技术规范和开发零部件诊断系统。

1.2 车载以太网技术介绍

车载以太网最早于2004 年提出，2008年首次应用到宝马车型上，同年宝马联手Broadcom开展一对非屏蔽双绞线以太网物理层技术的开发，2015年被电气电子工程师学会（Institute of Electri- cal and Electronics Engineers, IEEE）标准化。车载以太网物理层通过一对非屏蔽双绞线实现全双工通信，数据链路层为交换式网络形式，进行子网划分，限定广播域并提供优先级控制，网络层应用了网际协议（Internet Protocol, IP）技术进行寻址、路由，并进行地址解析，控制主机、路由器之间消息传递。传输层主要应用传输控制协议进行信息传输。网络层动态获得IP地址、服务器地址。实现高带宽刷写和兼容现有诊断，基于IP的可扩展面向服务的中间件实现远程服务调用。

2 专用车硬件架构设计

2.1 基于车载以太网的硬件架构方案

车载以太网是未来各种架构实现落地的基础，基于车载以太网技术的电气架构总体上分为域控架构、中央平台区域架构以及云计算+中央计算架构。其中域控阶段是车载以太网技术应用于车辆电气系统的初级形态，在此基础上出现跨域融合，使得域控制器数量进一步减少[1]。到中央平台+区域控制器模式后，车辆所有控制权收归中央计算单元，区域控制器负责中央计算单元指令的转发及执行以及区域内信号的收集与处理。电子电气架构不同阶段特点如表1所示，车载以太网的应用使车辆软件架构从传统的信号交互逐渐转向服务交互。

表1 功能清单

2.2 专用车电子电气硬件架构方案设计

针对专用车辆特点，结合当前技术成熟度和实现难度，设计一种域控形式的电气硬件架构，满足不同功能专用车的功能需求。如图1所示，该硬件架构主体包括中央网关和三个域控制器。

图1 域控硬件架构形式

Centrel Gateway为中央网关，CCDC为底盘域控制器（Chassis Control Domain Controller），B&UCDC为车身&上装域控制器（Body&Upper Control Domain Controller），ICDC为智能驾驶域控制器（Intelligence Control Domain Controller）。粗线表示车载以太网通信，主要用于中央网关与各个域控制器之间的数据量较大的通信，细线表示控制器域网（Controller Area Network, CAN）总线通信形式，主要用于各个域的内部通信。这种架构CAN和以太网并存，大数据传输和数据传输实时性均得以保证，且由于以太网的小范围应用使得对网关的处理能力要求较低[2]。

将上装融入整车电气架构，使上装与整车有效融合交互、服务和信息共享。例如在城市水车上，ICDC可以向B&UCDC提供一项障碍物信息的服务，上装控制器通过该服务了解到车附近有人时，停止上装中水炮喷射。

3 车载以太网专用车架构开发

专用车架构因为融入了以太网通信架构，设计过程中相较之前架构设计流程出现了面向服务的架构（Service-Oriented Architecture, SOA）设计。面向服务是一种软件设计方法，有明确的可调用接口，基于中间件和网络传输。服务是一个离散的功能单元，可远程访问并独立执行和更新。应用SOA使得各系统之间互联互通、软硬件得以分离且缩短了开发周期。在整车生命周期内，汽车的功能更新更方便，整车架构演变和功能重新分配更便捷，为车端与后端、云端融合提供便利。SOA的应用使架构总体开发流程划分为以下几个部分：功能及需求设计、SOA服务设计、软件架构设计、功能及软件分配、架构总体设计及网络设计。

功能及需求设计分为需求设计和功能规范编制。需求设计输出的主要内容为功能清单，对功能及其子功能，功能特性等进行描述，表2为上装的部分功能清单。

表2 功能清单

功能规范的编制主要输出内容为相关功能的设计规范文档，包括相关功能策略、提示需求、功能的使能条件与触发条件。

SOA服务设计阶段主要分为服务及服务接口定义，服务设计及建模。服务及服务接口定义应能够满足提出的功能及需求。分为基础服务和应用服务，基础服务指具有特殊任务的子功能，有助于实现功能。如声音识别、服务注册。基础服务可被多个其他服务调用，一般不调用其他服务。应用服务指直接实现功能的服务。表3为专用车部分的服务定义列表，定义内容包括服务名称、服务ID、服务描述。

表3 服务定义

服务设计及建模主要是对已定义服务进一步做详细设计，如表4所示，对服务的提供者、使用者、关联服务、子功能进行定义。

表4 服务设计及建模

服务接口主要分为控制设置类和状态反馈类两大类，包含Method、Event、Field三类接口。

Method接口首先由Client端向Server端发送请求报文，FF-Method接口是不需要Server端给出响应，RR-Method需要Server端给出响应。Event接口指Client端订阅一个服务，Server端发布该服务。Field接口分为Setter/Getter和Notifier。

上装系统上装信息服务的接口具体内容定义如表5所示，具体定义了各项服务接口包含的内容、接口形式以及接口之间的关系。

表5 上装信息服务接口

可以看出专用车上装信息服务的服务方是B&UCDC，消费方是ICDC和CCDC，该服务的接口基于SOME/IP协议中的EVENT机制，该服务所包含信息共同组成了一个事件组。

上装信息服务的交互序列图如图2所示，车辆ON挡上电后，服务使用方通过SOME/IP协议确认所需要的服务的状态，收到服务提供方响应后，对该项服务所包含的事件组进行订阅，订阅成功后，服务提供方向服务使用方发送服务中包含的信息[3]。

图2 上装信息服务交互序列图

软件架构设计内容包括应用层软件架构设计、整车软件组件（Soft Ware Component, SWC）分解、属性定义及接口设计、应用层软件需求设计，生成各个部分的软件组件发送接收端口连接表。功能及软件分配主要建立软硬件映射关系以及输出功能分配表。功能分配表将功能及其功能特性，对应的服务、逻辑功能模块、处理器、硬 件进行对应。软硬件映射关系建立主要是将SWC与网络环境及硬件处理器进行绑定。架构总体设计及网络设计进行电气原理图，网络关系映射设计。软件工程师和系统工程师将根据划分进行系统开发、应用层软件开发等工作[4]。

4 基于工具链的专用车架构设计

基于车载以太网的SOA架构设计工具链主要以PREEvision为主体，图3为SOA架构开发实现工具链设计流程示意图，完成需求设计、软件架构设计、通信设计，使用CANdelastudio进行诊断相关设计，将软件架构设计输出物数据库文件导入CANoe，使用CAPL语言以及Panel功能进行仿真。通信设计生成ARXML后导入Davinci工具中进行接口配置，随后在Modeling tools中进行AUTOSAR 相关配置并生成代码，生成诊断描述（CANdela Diagnostic Descriptions, CDD）文件后，导入Davinci 工具中进行配置并生成代码。在集成开发环境（Integrated Development Environ- ment, IDE）软件中对代码进行编译并导出可刷写软件，刷写进控制器中[5]。

图3 设计实现工具链

在PREEvision中服务及软件架构设计时对服务、接口参数等进行定义。将上装信息服务等在页面中进行定义。服务的分配与部署设计界面对 服务进行部署分配，在PREEvision中通信设计、序列化设计以及服务发现设计界面对上装控制器及其他节点的硬件地址、服务间的交互序列、地址信息等进行配置。将设计生成的数据库文件导入CANoe或其他仿真软件中进行全架构仿真或剩余总线仿真，检验在PREEvision中进行的通信设计、功能逻辑等[6]，如图4所示。

图4 CANoe通信仿真及逻辑验证

5 总结

本文提出的专用车域控架构基于车载以太网通信技术，结合传统CAN通信技术进行设计，这种形式对处于分布式电子电气架构的汽车厂商来说更加容易接受。将专用车上装系统融入整车架构，使上装和车辆其他系统互联互通，互相服务，专用车智能化水平有效提升。随着车辆上硬件和软件的进一步整合，汽车厂商软件水平的进一步提升，电气架构将逐渐向域控融合，中央计算平台+区域控制器的形式发展，车辆功能将更加灵活多样，迭代速度将进一步加快，电子电气架构和软件对于汽车的意义将更加重大。