基于G9X車身域控制器的軟硬件設(shè)計(jì)

龔天宇，朱海龍，田曉剛，孫永建，姜明遠(yuǎn)

（中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司工程與生產(chǎn)物流部，吉林 長(zhǎng)春 130011）

隨著汽車電子電氣架構(gòu)向集中化發(fā)展，依據(jù)汽車電子部件功能，整車被劃分為動(dòng)力域、底盤域、車身域、自動(dòng)駕駛域和智能信息域等[1]，借助處理器芯片的強(qiáng)大算力，將分布式的ECU統(tǒng)一起來，統(tǒng)一規(guī)劃硬件輸入輸出接口，減少連接器、結(jié)構(gòu)件、線束、硬件資源重復(fù)性，軟件上整合多個(gè)控制器功能策略融合開發(fā)，節(jié)約軟件開銷和對(duì)外信息路由[2]。這樣可以降低整車硬件成本，節(jié)省多個(gè)ECU算力相互冗余造成的資源浪費(fèi)。

車身域控制器一般集成車身控制器、無鑰匙進(jìn)入和啟動(dòng)、胎壓監(jiān)測(cè)、網(wǎng)關(guān)等功能，也可增加座椅調(diào)節(jié)、后視鏡調(diào)節(jié)、空調(diào)控制等功能，綜合統(tǒng)一管理各執(zhí)行器，合理有效地分配系統(tǒng)資源。

在過去的1~2年中，整個(gè)汽車電子行業(yè)，特別是汽車MCU這一類，面臨著一波嚴(yán)重的缺貨行情，在這期間，很多主機(jī)廠和Tier 1工廠都開始尋求保供。尋找國(guó)產(chǎn)化的替代方案迫在眉睫，在這個(gè)過程中，同時(shí)也充滿了機(jī)會(huì)。本文介紹一種基于國(guó)產(chǎn)SOC設(shè)計(jì)的車身域控制器，并通過搭建臺(tái)架對(duì)域控制器的各個(gè)功能進(jìn)行驗(yàn)證，滿足客戶的要求。

1 G9X芯片介紹

G9系列是芯馳科技在2020年發(fā)布的面向中央網(wǎng)關(guān)的產(chǎn)品，首款芯片為G9X。G9系列處理器是專為新一代車內(nèi)核心網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的高性能車規(guī)級(jí)汽車芯片，采用雙內(nèi)核異構(gòu)設(shè)計(jì)，包含高性能Cortex-A55 CPU內(nèi)核及雙核鎖步的高可靠Cortex-R5內(nèi)核，在承載未來網(wǎng)關(guān)豐富的應(yīng)用同時(shí)，也能滿足高功能安全級(jí)別和高可靠性的要求。G9芯片架構(gòu)如圖1所示。

圖1 G9芯片架構(gòu)

G9支持多種外設(shè)接口，包括PCIe、USB3.0接口，同時(shí)具有豐富的以太網(wǎng)、CANFD和LIN等傳輸接口。在此基礎(chǔ)上，G9運(yùn)用芯馳第二代包處理引擎SDPEv2，在非常低的CPU占用率的情況下，可實(shí)現(xiàn)不同接口之間的高流量、低延遲的數(shù)據(jù)交換。

此外，G9內(nèi)置了HSM，包含真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和高性能加解密引擎，支持AES、RSA、ECC、SHA以及多種國(guó)密算法，滿足安全啟動(dòng)，OTA、V2X等多種未來車載安全應(yīng)用的需求。

2 域控制器硬件設(shè)計(jì)

域控制器硬件原理框圖見圖2。

圖2 G9X域控制器硬件原理框圖

該車身域控制器的資源如下：①支持2路CAN/CANFD接口；②支持1路LIN；③支持1路100Base-T1車載以太網(wǎng)；④支持1路1000Base-T1車載以太網(wǎng)；⑤支持28路信號(hào)輸出；⑥支持44路信號(hào)輸入；⑦集成PEPS功能（含IMMO）；⑧外掛eMMC和QSPI FLASH，存儲(chǔ)OTA更新數(shù)據(jù)；⑨支持LIMP HOME模式。

2.1 電源和復(fù)位設(shè)計(jì)

域控制器電源根據(jù)功能單元分為RTC電源域、SAFETY電源域和AP電源域。RTC電源域最先上電并負(fù)責(zé)芯片的整體電源的控制；SAFETY電源域?yàn)镽5核MCU工作電源；AP電源域?yàn)锳55核MPU工作電源?？刂破鞲麟娫从蚴褂梅至C/DC實(shí)現(xiàn)，具體電源方案如圖3所示。

圖3 域控制器電源方案

2.2 CAN/CANFD接口設(shè)計(jì)

TJA1043屬于NXP的第三代高速CAN收發(fā)器，相比第一代和第二代器件（如TJA1041A），有明顯的改進(jìn)，其能提供改進(jìn)的電磁兼容性（EMC）和靜電放電（ESD）性能、極低的功耗和電源電壓關(guān)閉時(shí)的無源性能。本方案也可選擇國(guó)產(chǎn)芯片芯力特公司的 SIT1044T/3或SIT1044TK/3。CAN/CANFD接口設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4 CAN/CANFD接口設(shè)計(jì)原理圖

2.3 LIN接口設(shè)計(jì)

LIN接口選用NXP公司的TJA1021芯片，實(shí)現(xiàn)LIN主從協(xié)議控制器到物理總線之間的接口轉(zhuǎn)換。TJA1021芯片支持1~20kBdb波特率，符合LIN 2.1/SAE J2602規(guī)范，具備低電磁輻射和高電磁抗干擾性。芯片輸入電平兼容3.3V和5V，且支持低功耗睡眠模式和本地/遠(yuǎn)程喚醒功能。

另外，芯片具備多種保護(hù)機(jī)制：支持符合IEC61000-4-2的±6kV（引腳LIN、VBAT和WAKE_N）ESD特性；LIN總線和電源引腳支持ISO 7637規(guī)范的抗瞬態(tài)保護(hù)；LIN總線引腳對(duì)電源和GND具有短路保護(hù)功能；過熱保護(hù)。本方案也可選擇國(guó)產(chǎn)芯片芯力特公司的SIT1021。LIN接口設(shè)計(jì)原理如圖5所示。

圖5 LIN接口設(shè)計(jì)原理圖

2.4 100Base-T1車載以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

100Base-T1車載以太網(wǎng)接口選用蘇州裕太車通電子科技有限公司的YT8010A。該芯片為單路MDI輸出，工作速率支持100Mb/s。YT8010A是單對(duì)以太網(wǎng)物理層收發(fā)器（PHY），它實(shí)現(xiàn)IEEE定義的100BASE-T1標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層部分802.3bw工作組，非常適合廣泛的汽車應(yīng)用，它的制造使用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字CMOS工藝，并包含實(shí)現(xiàn)所需的所有有源電路物理層用于在單根平衡雙絞線上傳輸和接收數(shù)據(jù)?；诩舛薉SP技術(shù)，結(jié)合自適應(yīng)均衡器、回聲消除器、ADC、鎖相環(huán)、線路驅(qū)動(dòng)器、編碼器/解碼器和所有其他所需的支持電路，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的性能并超越汽車電磁噪聲環(huán)境中的干擾（EMI）要求，功耗非常低。

YT8010A設(shè)計(jì)完全兼容RGMII、RMII和MII接口規(guī)范，允許與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）和開關(guān)控制器兼容，滿足AEC-Q100 1級(jí)溫度范圍，YT8010A芯片與主芯片的連接，包括MAC通信接口和MDIO管理接口。MAC通信接口支持RGMII、RMII和MII這3種接口。與G9X連接時(shí)，使用RGMII接口進(jìn)行連接，工作速率為100Mb/s。MDIO接口用于G9X對(duì)YT8010A的配置和管理，接口遵循IEEE802.3 Clause 22定義。YT8010A芯片原理圖設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 100Base-T1接口設(shè)計(jì)原理圖

2.5 車身域控制器PCB設(shè)計(jì)

車身域控制器硬件采用8層板PCB設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮高速信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)、大功率信號(hào)等的處理，同時(shí)生成三維模型，方便前期DFX處理和外殼設(shè)計(jì)。正反面設(shè)計(jì)圖稿和三維設(shè)計(jì)圖如圖7、圖8所示。

圖7 域控制器PCB三維示意圖

3 域控制器軟件設(shè)計(jì)

G9X內(nèi)部根據(jù)資源的不同分為SAFETY域和AP域。SAFETY域?yàn)镃ortex-R5核心處理域，搭載FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)CAN、LIN等實(shí)時(shí)性要求較高的信息進(jìn)行處理；AP域?yàn)镃ortex-A55核心處理域，搭載Linux富操作系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息的處理，如DOIP、OTA等。域控制器和網(wǎng)關(guān)控制器軟件整體架構(gòu)如圖9所示。

圖9 軟件整體架構(gòu)

域控制器車身相關(guān)功能由實(shí)時(shí)工作核心Cortex-R5實(shí)現(xiàn)，其軟件架構(gòu)參照應(yīng)用層中為具體的應(yīng)用功能。實(shí)時(shí)運(yùn)行層為應(yīng)用層和底層驅(qū)動(dòng)的中間層，其實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用層和驅(qū)動(dòng)層的接口和邏輯轉(zhuǎn)換。驅(qū)動(dòng)層則主要實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的訪問控制。域控制器車身控制功能為10ms周期運(yùn)行任務(wù)，簡(jiǎn)化任務(wù)工作流程如下。RTE軟件架構(gòu)如圖10所示。

圖10 RTE軟件架構(gòu)

1）運(yùn)行PEPS相關(guān)的RF、RKE任務(wù)，獲取鑰匙當(dāng)前狀態(tài)。

2）運(yùn)行TPMS任務(wù)，獲取胎壓傳感器數(shù)據(jù)。

3）RTE調(diào)整PEPS相關(guān)狀態(tài)。

4）RTE根據(jù)胎壓傳感器和其他車身數(shù)據(jù)，判斷胎壓警告狀態(tài)。

5）RTE通過MSDI驅(qū)動(dòng)獲取底層輸入開關(guān)信號(hào)狀態(tài)。

6）RTE獲取開關(guān)狀態(tài)后，將數(shù)據(jù)傳送給外部燈光模型和閃爍燈光模型并獲取模型的輸出。

7）RTE依照模型輸出，通過驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行實(shí)際硬件驅(qū)動(dòng)。

4 調(diào)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證車身域控制器的功能與性能是否滿足要求，搭建了臺(tái)架系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，臺(tái)架主要以車身域控制器和網(wǎng)關(guān)控制器為核心，搭載實(shí)車車燈負(fù)載，網(wǎng)關(guān)控制器主要用于驗(yàn)證車身域控制器的OTA刷寫功能，網(wǎng)關(guān)控制器與車身域控制器之間通過車載以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

臺(tái)架測(cè)試驗(yàn)證如圖11所示，主要驗(yàn)證的功能有：①近光燈、遠(yuǎn)光燈、位置燈、日行燈、制動(dòng)燈、倒車燈、后霧燈以及轉(zhuǎn)向燈等燈光功能；②網(wǎng)絡(luò)通信功能主要包括CAN通信、LIN通信、100T1通信；③報(bào)文路由功能；④信號(hào)路由功能；⑤UDS診斷功能；⑥使用網(wǎng)關(guān)控制器對(duì)域控制器進(jìn)行DoIP刷寫，從而驗(yàn)證了車身域控制器的OTA功能。

圖11 臺(tái)架測(cè)試驗(yàn)證

測(cè)試結(jié)果顯示車身域控制器上述功能滿足設(shè)計(jì)要求，所有測(cè)試項(xiàng)目均通過。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的車身域控制器主要基于國(guó)產(chǎn)芯片G9X，該車規(guī)級(jí)芯片的應(yīng)用解決了域控制器國(guó)產(chǎn)化的重要一步，該芯片集成度高，接口豐富，內(nèi)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網(wǎng)關(guān)控制器的解決方案芯片，是面向服務(wù)的電子電氣架構(gòu)（SOA）控制器的理想之選。針對(duì)域控制器和網(wǎng)關(guān)控制器實(shí)現(xiàn)功能的不同，可在G9系列中根據(jù)實(shí)際應(yīng)用層業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)程度，圍繞MCU、MPU、GPU等核心資源的數(shù)量進(jìn)行芯片型號(hào)選擇，同時(shí)硬件完全支持無縫升級(jí)。域控制器國(guó)產(chǎn)化的研究，克服了進(jìn)口車規(guī)級(jí)主控芯片“卡脖子”難題，尤其在芯片缺口日益明顯的情況下，國(guó)產(chǎn)芯片、國(guó)產(chǎn)化控制器正被越來越多的車企列入采購(gòu)名單[3]。