面向集中式电子电气架构的商用车车载国产化中央计算平台设计

王 全, 王海斌, 文健峰, 杨杰君, 孙 炜, 王会生

(1.中车时代电动汽车股份有限公司, 湖南 株洲 412007;2.中国铁路北京局集团有限公司衡水供电段, 河北 衡水 053000)

随着电动汽车新四化(电动化、智能化、网联化、共享化)的升级加速,车载ECU单元数量不断增加,这给汽车升级、维护造成了极大的困难[1-4]。对此,众多汽车厂对汽车电子电气架构进行从分布式向集中式发展的升级迭代。集中式电子电气架构的核心是控制器,高算力车载中央计算平台是关键。集中式的电子电气架构具有轻量化、高效率、低成本等优势,更切合汽车新四化的发展路线[5]。

1 需求分析及总体要求

近年来,车载中央计算平台在电动乘用车领域的应用不断落地,中央计算平台化、架构集中化已经进入了快速上升期[6]。各头部车企已采用自研电子电气架构、合作/自主开发高算力域控制平台的模式[7-9],但商用车领域因受限于整车成本、整车厂研发能力及供应商的支持力度,暂无成熟度高的高算力中央计算平台方案[10-12]。

过去,我国汽车用芯片大多数是国外进口,本土芯片所占的比例微乎其微。但随着国产芯片产业的迅猛发展,高算力国产SoC芯片企业不断涌现,让国产化、高算力中央计算平台的研发和应用成为可能[13]。

本文针对商用车电子电气架构特点,构建一个面向集中式电子电气架构的国产化、高算力中央计算平台,如图1所示。中央计算平台作为车辆信息融合与决策控制中心,需外接视觉、雷达等传感器实时感知车辆外部环境;需连接整车功能域(智能驾驶域、底盘域、车身域、交互域)的异构网络将原本归属于各电子控制单元的功能集中到中央计算域内,取代传统的分布式架构,进行信息融合与协调控制,实现集中化管理。总体需求如下:

图1 中央计算平台总体方案

1) 高算力。能运算、处理、分析多个传感器数据,可运行主流深度学习算法,满足主流感知、融合、规控算法的算力需求。

2) 通讯高带宽、大吞吐、低延时。保障平台和各传感器、整车各功能域的信息传递。

3) 接口多类型、多数量。智能汽车传感器种类多、数量多,接口类型不尽相同。外设接口资源丰富可减少ECU和转接器件数量,避免传感器集成过多导致布线复杂和凌乱。

4) 低功耗。中央计算平台属于嵌入式车载计算平台,需要低功耗设计。

5) 国产化。可以保障中央域控平台的供应链稳定,控制系统成本。

2 平台框架设计

中央计算平台硬件系统主要包含核心芯片模块和外设资源模块,如图2所示。

1) 核心芯片模块包含MCU和SoC。MCU具有高稳定性、实时性特点,主要对实时性、可靠性要求高的整车底盘域、车身域、人机交互域进行管理、监控,提高整车能源、信息利用效率,确保整车安全性和可靠性。SoC具有主频高、计算能力强等特点,通过系统内核管理进行硬件资源分配,主要用于智能域多传感器的感知处理、信息融合,执行高级辅助驾驶的规控算法。

MCU为紫光国芯THA6510芯片,CPU拥有5x300MHz@150 MHz主频;Flash包含10 MB PFlash,720 KB Dflash;功能安全等级为ASILD(ISO 26262)。

SoC为黑芝麻华山A1000芯片,CPU包含8xARM Cortex-A55,1.5 GHz,32.4KDMIPS;GPU搭载ARM Mali-450;AI算力58 TOPs (int8);CV算力128GFLOPs@FP32/FP16;功能安全等级为ASILB(ISO 26262);

2) 中央计算平台的外设资源接口主要包含以下几种:符合整车电压平台的电源输入接口;为车辆设备提供电源的5 V和12 V输出电源接口;五类通讯接口,用于和外部感知设备、车辆各功能域进行通讯和系统调试;多路硬线接口,用于接收硬线信息进行高边驱动、时间同步等。具体资源参数如下:

①通讯接口:USB2.0/3.0接口1路;HDMI视频输出接口1路;摄像头接口8路;千兆普通以太网接口1路;千兆车载以太网接口1路;RS485接口1路;RS232接口1路;CAN/CANFD共用接口9路。

②硬线接口:高边驱动接口9路;数字输入接口9路;模拟输入接口6路;PPS输出接口3路;PPS输入接口1路。

③电源接口:硬件唤醒源3路;5 V电源输出3路;12 V电源输出1路;9～36 V电源输入4路;信号地10路。

为保证用户在该平台上能快速开发应用,本文开发出了MCU软件开发框架和SoC软件框架。其主要功能是结合中央计算平台的强大算力,将车载平台常用的核心功能模块和常用基础软件组件封装成外围接口开放出来,方便用户快速简便地接入并使用。

3 开发框架

3.1 MCU软件开发框架

MCU满足AUTOSAR标准,软件架构主要分为单片机抽象层、ECU抽象层、服务层、复杂驱动层、RTE接口层和应用层,如图3所示。

图3 AUTOSAR软件架构

单片机抽象层位于最底层,包含控制芯片相关的模块及外设的硬件驱动,可实现芯片资源管理及对外部电气信号、网络的访问;ECU抽象层位于单片机抽象层之上,完成硬件端口与控制器引脚的映射,实现由电气信号到控制信号的转变;系统服务层提供了系统任务调度、协议管理、故障管理、状态管理、文件管理等基础服务,代表了控制平台的运行性能,决定了系统的可靠性与实时性,是系统正确运行与工程调试的基础;复杂驱动层主要有单片机外围复杂高低边驱动和Bootloader;RTE接口层完成模型、算法的输入输出参数与实际数据的互联;应用层包含若干个软件组件,软件组件间通过端口进行交互,每个软件组件可以包含多个运行实体,运行实体中封装了相关控制算法,其可由RTE事件触发。应用层主要是为用户提供便捷开发的接口,可采用基于模型的开发方式进行开发。

为了辅助MCU的开发、应用和测试,自主开发设计、调试工具链。

1) 监控、标定软件如图4所示。可读入标定数据文件,用于对应用层软件在MCU中运行时的数据实时采集、图形化监控、数据标定和保存,以便开发、测试和优化ECU的控制软件。

2) 标定数据管理工具(CDM)。工具可支持对标定数据文件的管理,图形化的显示浏览以及修改标定参数,可检测并解决数据集成过程中数据地址不一致的情况,以确保监控、标定软件数据的真实性。

3) 数据分析工具(MDA)如图5所示。工具基于监控、标定软件保存的数据进行图形化数据回放和不同格式的数据导出,提供了多种显示策略和对比界面,以便更好地抓取整车特征数据进行分析。

图5 数据分析工具

4) 程序烧写工具。烧写工具与Bootloader配合,加载Hex文件,支持数据/程序的烧写,通过校验机制保证数据/程序的烧写安全。

3.2 SoC软件开发框架

SoC主要用于智能域的信息处理、融合和高级辅助驾驶的规控算法,其软件开发框架如图6所示。中央计算平台中SoC的核心功能模块和常用基础软件组件封装成外围接口开放出来,可以支持车端、路端及各种边缘计算场景,方便快速简便地接入和使用。

图6 SoC软件开发框架

SoC软件开发框架主要包含运行在SoC端的实时操作系统和运行在主机(Host端)的集成开发环境。

3.2.1 SoC端

SoC芯片的Linux系统构建了实时任务管理、传感器管理服务、高精度时间同步服务、多传感器融合服务和诊断服务。所有服务和任务节点的通信都基于CyberRT通信中间件,可以在进程内/进程间/异构计算单元间/跨主机间实现高性能DDS通信。

1) 实时任务管理。包含基于ADS-COM通讯中间件开发应用时用到的任务管理相关的模块,包括任务调度模块、任务状态监控模块、任务调度看板、任务调度配置生成器等。

2) 传感器管理服务。用于提供传感器的统一管理、数据获取、配置等需求的后台服务。传感器管理服务主要基于两个抽象层:传感器数据抽象层和传感器硬件抽象层,向上提供统一的传感器数据结构和接口规范,向下兼容不同硬件接口和不同协议的传感器供应商。

3) 高精度时间同步服务。提供了GNSS同步(如果板子集成了GPS接收机)、PTP(IEEE 1588V2)、gPTP(IEEE 802.1as)、NTP同步等方式,用户可以根据场景需要,通过配置文件即可快速使用时间同步模块。

4) 多传感器融合服务。将来自不同安装位置、不同传感器类型的传感器信息进行融合,利用传感器的互补特性(位置互补和性能互补),得到更可靠、更精准、更平滑的融合输出结果。感知融合数据流示意图如图7所示。

图7 感知融合数据流示意图

5) 诊断服务。旨在为用户提供满足诊断开发应用需求,主要包含的接口如下:①平台诊断接口负责提供应用诊断故障上报及DID读写服务。②UDS服务接口负责提供UDS配置和各类服务注册功能,用于实现UDS各类服务。③DoIP协议栈接口实现DoIP通信,用户可在自己应用软件开发中调用平台诊断接口,设计自己需要上报的诊断故障、DID读写服务等,也可利用UDS服务接口和DoIP协议栈接口完成特定于自己应用并满足ISO 14229和ISO 13400规范的诊断服务层开发。④CyberRT通信中间件是专门面向高级辅助驾驶的高性能通信组件,其基于集中计算模型,并且针对高级辅助驾驶中的高并发、低延迟以及高吞吐量需求作了特定优化;通信框架是位于操作系统和应用程序之间的软件层,它使系统的各个组件能够更容易通信和共享数据。这一层通过解决应用程序和系统之间传递信息的机制,简化了分布式系统的开发任务调度模块。

3.2.2 Host端

Host端提供了运行于主机端的交叉编译环境和高级辅助驾驶的开发调试工具;用于车路协同路侧场景的多传感器标定工具;数据录制、回放、可视化、实时分析的数据编排工具;任务调度、资源监控与可视化的流程编排工具;多传感器融合算法调试、验证和可视化的传感器融合集成开发平台。Host端主要包含的工具箱详解如下:

1) 数据监控可视化工具。面向使用CyberRT通信框架protobuf数据格式的场景设置,其整合的功能包括protobuf数据通信的自定义监听,protobuf数据的自定义录制,数据包的自定义播放,数据包的详情显示,数据包的自定义分割以及融合数据的可视化。

2) Http-Server工具。通过把Http-Server集成到开发的程序中,浏览器端server就可以通过Http协议和应用进行交互,Http-Server还支持通过WebSoCket协议来主动推送消息到浏览器端。

3) 设备管理工具。可在接入SoC上运行一个agent进程,在局域网或者互联网上部署一个server端,agent进程启动后会主动和server建立连接。我们通过登录server端的网页实现SSH远程连接,数据的上传、下载,CPU消耗绘图,多账号设备管理和操作日志。

4) 多传感器融合集成工具。可实现多个传感器的感知融合显示,验证融合算法效果。方便开发人员可视化可控化进行融合效果的输出与数据检验。

5) 平台代码生成工具。可快速生成基于CyberRT的源码,具体是用户按C++规则及CyberRT规则填写json文件,然后将Component模块按照用户的需求输出目标源码。

6) 平台可视化工具。可以监控图像数据及点云数据并可视化。

7) 平台查询工具。可以快速罗列用户开发的应用,方便开发者快速了解及使用此设备下可用的工具。

8) CyberRT工具。集成了CyberRT工具箱,实现数据记录、数据监控、节点、话题、服务信息输出。

9) 日志工具。可实现SoC日志收集和可视化。

4 结束语

本文对面向集中式电子电气架构的中央计算平台进行了需求分析,设计了以黑芝麻A1000 SoC和紫光芯能THA6510 MCU为主芯片的国产化中央计算平台硬件方案和软件开发框架。该方案满足集中式电子电气架构高算力、多接口、高带宽、低功耗的特点,可实现面向集中式电子电气架构的中央计算平台的快速集成。国产化方案可以稳定中央计算平台供应链,控制系统成本,为我国企业提供技术积累、产业链升级和市场需求支撑等方面的帮助,以促进其他车载芯片的国产化。