徽州骆驼 · 2023年05月17日

基于G9X车身域控制器的软硬件设计

【摘 要】车身域控制器是汽车电子系统根据功能划分的各功能块的控制核心,其内部网络通过CANFD/CAN或者FlexRay通信总线连接到中央网关控制器,能实现车身控制器的基本功能,包括灯光控制、雨刮控制、门锁控制、车窗升降、PEPS、TPMS等。结合车身域控制器的技术要求,本文介绍一种基于国产SoC设计的车身域控制器,并通过搭建台架对域控制器的各个功能进行验证,可满足客户对高性能、安全性、安全保障和可靠性的要求。

随着汽车电子电气架构向集中化发展,依据汽车电子部件功能,整车被划分为动力域、底盘域、车身域、自动驾驶域和智能信息域等[1],借助处理器芯片的强大算力,将分布式的ECU统一起来,统一规划硬件输入输出接口,减少连接器、结构件、线束、硬件资源重复性,软件上整合多个控制器功能策略融合开发,节约软件开销和对外信息路由[2]。这样可以降低整车硬件成本,节省多个ECU算力相互冗余造成的资源浪费。

车身域控制器一般集成车身控制器、无钥匙进入和启动、胎压监测、网关等功能,也可增加座椅调节、后视镜调节、空调控制等功能,综合统一管理各执行器,合理有效地分配系统资源。

在过去的1~2年中,整个汽车电子行业,特别是汽车MCU这一类,面临着一波严重的缺货行情,在这期间,很多主机厂和Tier 1工厂都开始寻求保供。寻找国产化的替代方案迫在眉睫,在这个过程中,同时也充满了机会。本文介绍一种基于国产SOC设计的车身域控制器,并通过搭建台架对域控制器的各个功能进行验证,满足客户的要求。

1 G9X芯片介绍

G9系列是芯驰科技在2020年发布的面向中央网关的产品,首款芯片为G9X。G9系列处理器是专为新一代车内核心网关设计的高性能车规级汽车芯片,采用双内核异构设计,包含高性能Cortex-A55 CPU内核及双核锁步的高可靠Cortex-R5内核,在承载未来网关丰富的应用同时,也能满足高功能安全级别和高可靠性的要求。G9芯片架构如图1所示。

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G9支持多种外设接口,包括PCIe、USB3.0接口,同时具有丰富的以太网、CANFD和LIN等传输接口。在此基础上,G9运用芯驰第二代包处理引擎SDPEv2,在非常低的CPU占用率的情况下,可实现不同接口之间的高流量、低延迟的数据交换。

此外,G9内置了HSM,包含真随机数发生器和高性能加解密引擎,支持AES、RSA、ECC、SHA以及多种国密算法,满足安全启动,OTA、V2X等多种未来车载安全应用的需求。

2 域控制器硬件设计

域控制器硬件原理框图见图2。

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该车身域控制器的资源如下:①支持2路CAN/CANFD接口;②支持1路LIN;③支持1路100Base-T1车载以太网;④支持1路1000Base-T1车载以太网;⑤支持28路信号输出;⑥支持44路信号输入;⑦集成PEPS功能(含IMMO);⑧外挂eMMC和QSPI FLASH,存储OTA更新数据;⑨支持LIMP HOME模式。

2.1 电源和复位设计

域控制器电源根据功能单元分为RTC电源域、SAFETY电源域和AP电源域。RTC电源域最先上电并负责芯片的整体电源的控制;SAFETY电源域为R5核MCU工作电源;AP电源域为A55核MPU工作电源。控制器各电源域使用分立DC/DC实现,具体电源方案如图3所示。

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2.2 CAN/CANFD接口设计

TJA1043属于NXP的第三代高速CAN收发器,相比第一代和第二代器件(如TJA1041A),有明显的改进,其能提供改进的电磁兼容性(EMC)和静电放电(ESD)性能、极低的功耗和电源电压关闭时的无源性能。本方案也可选择国产芯片芯力特公司的 SIT1044T/3或SIT1044TK/3。CAN/CANFD接口设计原理如图4所示。
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2.3 LIN接口设计

LIN接口选用NXP公司的TJA1021芯片,实现LIN主从协议控制器到物理总线之间的接口转换。TJA1021芯片支持1~20kBdb波特率,符合LIN 2.1/SAE J2602规范,具备低电磁辐射和高电磁抗干扰性。芯片输入电平兼容3.3V和5V,且支持低功耗睡眠模式和本地/远程唤醒功能。

另外,芯片具备多种保护机制:支持符合IEC61000-4-2的±6kV(引脚LIN、VBAT和WAKE_N)ESD特性;LIN总线和电源引脚支持ISO 7637规范的抗瞬态保护;LIN总线引脚对电源和GND具有短路保护功能;过热保护。本方案也可选择国产芯片芯力特公司的SIT1021。LIN接口设计原理如图5所示。
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2.4 100Base-T1车载以太网接口设计

100Base-T1车载以太网接口选用苏州裕太车通电子科技有限公司的YT8010A。该芯片为单路MDI输出,工作速率支持100Mb/s。YT8010A是单对以太网物理层收发器(PHY),它实现IEEE定义的100BASE-T1标准的以太网物理层部分802.3bw工作组,非常适合广泛的汽车应用,它的制造使用标准的数字CMOS工艺,并包含实现所需的所有有源电路物理层用于在单根平衡双绞线上传输和接收数据。基于尖端DSP技术,结合自适应均衡器、回声消除器、ADC、锁相环、线路驱动器、编码器/解码器和所有其他所需的支持电路,可实现强大的性能并超越汽车电磁噪声环境中的干扰(EMI)要求,功耗非常低。

YT8010A设计完全兼容RGMII、RMII和MII接口规范,允许与行业标准以太网媒体访问控制器(MAC)和开关控制器兼容,满足AEC-Q100 1级温度范围,YT8010A芯片与主芯片的连接,包括MAC通信接口和MDIO管理接口。MAC通信接口支持RGMII、RMII和MII这3种接口。与G9X连接时,使用RGMII接口进行连接,工作速率为100Mb/s。MDIO接口用于G9X对YT8010A的配置和管理,接口遵循IEEE802.3 Clause 22定义。YT8010A芯片原理图设计如图6所示。
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2.5 车身域控制器PCB设计

车身域控制器硬件采用8层板PCB设计。设计时充分考虑高速信号、数字信号、模拟信号、大功率信号等的处理,同时生成三维模型,方便前期DFX处理和外壳设计。正反面设计图稿和三维设计图如图7、图8所示。

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3 域控制器软件设计

G9X内部根据资源的不同分为SAFETY域和AP域。SAFETY域为Cortex-R5核心处理域,搭载FreeRTOS实时操作系统,主要负责CAN、LIN等实时性要求较高的信息进行处理;AP域为Cortex-A55核心处理域,搭载Linux富操作系统,主要负责网络相关信息的处理,如DOIP、OTA等。域控制器和网关控制器软件整体架构如图9所示。

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域控制器车身相关功能由实时工作核心Cortex-R5实现,其软件架构参照应用层中为具体的应用功能。实时运行层为应用层和底层驱动的中间层,其实现与应用层和驱动层的接口和逻辑转换。驱动层则主要实现硬件设备的访问控制。域控制器车身控制功能为10ms周期运行任务,简化任务工作流程如下。RTE软件架构如图10所示。

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1)运行PEPS相关的RF、RKE任务,获取钥匙当前状态。

2)运行TPMS任务,获取胎压传感器数据。

3)RTE调整PEPS相关状态。

4)RTE根据胎压传感器和其他车身数据,判断胎压警告状态。

5)RTE通过MSDI驱动获取底层输入开关信号状态。

6)RTE获取开关状态后,将数据传送给外部灯光模型和闪烁灯光模型并获取模型的输出。

7)RTE依照模型输出,通过驱动程序进行实际硬件驱动。

4 调试验证

为了验证车身域控制器的功能与性能是否满足要求,搭建了台架系统进行验证,台架主要以车身域控制器和网关控制器为核心,搭载实车车灯负载,网关控制器主要用于验证车身域控制器的OTA刷写功能,网关控制器与车身域控制器之间通过车载以太网进行传输。

台架测试验证如图11所示,主要验证的功能有:①近光灯、远光灯、位置灯、日行灯、制动灯、倒车灯、后雾灯以及转向灯等灯光功能;②网络通信功能主要包括CAN通信、LIN通信、100T1通信;③报文路由功能;④信号路由功能;⑤UDS诊断功能;⑥使用网关控制器对域控制器进行DoIP刷写,从而验证了车身域控制器的OTA功能。

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测试结果显示车身域控制器上述功能满足设计要求,所有测试项目均通过。

5 结论

本文设计的车身域控制器主要基于国产芯片G9X,该车规级芯片的应用解决了域控制器国产化的重要一步,该芯片集成度高,接口丰富,内置加速引擎,支持硬件安全引擎。G9系列芯片是面向下一代域控制器和网关控制器的解决方案芯片,是面向服务的电子电气架构(SOA)控制器的理想之选。针对域控制器和网关控制器实现功能的不同,可在G9系列中根据实际应用层业务负责程度,围绕MCU、MPU、GPU等核心资源的数量进行芯片型号选择,同时硬件完全支持无缝升级。域控制器国产化的研究,克服了进口车规级主控芯片“卡脖子”难题,尤其在芯片缺口日益明显的情况下,国产芯片、国产化控制器正被越来越多的车企列入采购名单[3]。

作者:龚天宇
文章来源:智能汽车设计

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