基于多域融合的汽车智驾域控制器设计

hdy

摘要：设计了一种多系统级（SoC）芯片的域融合控制器硬件架构，集成了中央网关和自动驾驶两大域，各SoC芯片分别运行相应功能。该架构中的SoC芯片根据算力和功能需求，可选择使用不同型号SoC，或删减其中某个SoC，以适配不同级别的汽车。该架构是当前最新的第三代汽车电子电气架构的升级版，也是向第四代电子电气架构的过渡。

0 引言

[size=1em]目前，智能化的核心是软件定义汽车，汽车软件已不仅用于控制汽车的机电设备，更依托强大的硬件算力，实现汽车各个控制器（ECU）之间的数据交换和自动驾驶功能，因此硬件平台需拥有高算力、高通信带宽、高安全性等功能[1]。在第三代电子电气架构中，控制器集成化程度越来越高，出现了三大域控，即中央网关、自动驾驶、智能座舱。

[size=1em]中央网关和自动驾驶这两大域是目前智能化汽车的核心域控制器[2]，直接决定汽车的智能化程度，其需要强大的算力和处理庞大的数据交换，且中央网关与自动驾驶之前也存在较高的数据交换。鉴于此，本设计将中央网关和自动驾驶两大域融合为一个域控制器，并集成为一个中央计算单元。该域控制器不仅能向第四代电子电气架构过渡，还能提高汽车产品科技，提高用户使用体验。

1 电子电气架构1.1 分部式电子电气架构

[size=1em]传统汽车采用第二代电子电气架构，即分布式的电子电气架构，该架构的主要特点是各个控制器按照功能划分，每个控制器负责控制的机电负载功能单一，但控制器较多。也就是说，每个控制器电子部件较少，实现功能较为简单，工作逻辑相互独立[3]。该电气架构智能化低、复用性低，且各个功能模块升级较为复杂，对多个控制器进行软件升级时，成本也相应较高，因此部分车厂已经采用目前的主流架构——集中式电子电气架构。

1.2 集中式电子电气架构

[size=1em]分布式控制器的集成是集中式电子电气架构的主要思路，即将2个或多个功能相近或性能要求低的控制器集成为一个控制器[4]，如图1所示。该架构可以减少控制器的数量，既可减少控制器中控制类芯片的数量，如微控制单元（MCU），也能减少软件开发工作量，而且进行控制器升级时也能减少升级的复杂程度。

[size=0.8em]图1 集中式电子电气架构

1.3 基于域控制器的第三代电子电气架构

[size=1em]第三代电子电气架构将各个功能模块集成在一个或少数几个控制器中[4]，如图2所示，整车主要控制逻辑集中在三大域控制器中，其他各个驱动负载和传感器分控在汽车前后左右4个区控制器（ZCU-F、ZCU-B、ZCU-L、ZCU-R）中，并按照距离远近进行连接。域控制器的架构能够让控制逻辑集中，实现控制决策的中心化和统一化。

[size=0.8em]图2 第三代电子电气架构

1.4 未来电子电气架构

[size=1em]对于以上的电气架构，本文提出了一种未来的电子电气架构，即基于中央计算单元的电子电气架构。该架构将整车所有控制逻辑、算法集中在一个中央计算单元中，实现“一个大脑”的控制思路，如图3所示，减少了计算单元的数量，形成了一个中央计算单元。该中央计算单元负责汽车所有的逻辑运算，并与云端相连，实现真正的软件定义汽车。

[size=0.8em]图3 未来电子电气架构

2 域融合方案的设计

[size=1em]基于1.3提出的电气架构，考虑到目前芯片技术的水平，无法用一步实现中央计算单元的全部功能。因此，本文分析目前第三代电子电气架构的特点，提出了将中央网关和自动驾驶两大域控融合的设计思路。该思路是基于中央网关和自动驾驶通信关联性较高但其外设较为单一的特点形成的，融合难度符合目前行业SoC的技术水平。

2.1 SoC融合设计

[size=1em]本设计在同一个PCB电路板上放置2个SoC的最小系统，二者彼此相互独立，均独立配置DDR存储和EMMC存储。SoC1负责自动驾驶的计算，可连接自动驾驶相关的感知传感器，如摄像头、雷达等；SoC2负责网关功能，连接整车各大以太网络、控制器局域网络（controller area network，CAN）总线等，协调分配整车的数据转发。另外，还增加了1个高功能安全等级的MCU，对二者进行电源管理、外设管理、安全监控等，以提高系统的可靠性，如图4所示。

[size=0.8em]图4 SoC融合方案设计

[size=1em]两个SoC之间的通信交互设计，本设计采用的是PCB板内高速的PCIE 3.0，而目前传统的多域控架构中，网关与自驾两个控制器之间采用千兆以太网，传输速率为1 000 Mbps，而本方案2个SoC直接进行PCIE 3.0通信，传输速率可达比特传输速率为8 GT/s，远高于传统的以太网，且PCB板内采取点对点传输，且有专用通道，距离近，通信效率高，抗干扰能力强，传输高效可靠。

[size=1em]SoC的融合设计思路还可进一步升级：目前自动驾驶的SoC芯片算力无法达到高阶自动驾驶的需求，如已量产的地平线的J5、英伟达的Orin、华为的MDC等，均只有100～200TOPS算力，而L3或者L4等级自动驾驶需要更强大的算力，因此按照SoC 融合设计思路，可将多个自动驾驶的SoC同时设计在一块PCB板上，如图5所示。SoC1和SoC2负责自动驾驶功能，SoC3负责网关功能，各SoC之间采用PCIE传输。即通过增删SoC可以实现不同算力的域控制器，同一个硬件电路平台可适配不同配置的车型。

[size=0.8em]图5 改进SoC融合方案的设计

2.2 软件功能部署设计

[size=1em]一个控制器中存在多个SoC，因此软件的部署将成为重要工作之一。根据改进的融合方案作如图6所示的软件部署。

[size=0.8em]图6 软件部署

3 其他模块的设计

[size=1em]除了SoC的设计外，感知电路和通信电路的设计是最重要的模块。

3.1 感知电路设计

[size=1em]自动驾驶的感知通常有摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达。

[size=1em]（1）摄像头：摄像头是图像感知的主要传感器，可获可见光反射的图像，通过图像专用信号传输，通常采用低电压差分信号（low-voltage differential signaling，LVDS）。

[size=1em]（2）激光雷达：通过发射激光束探测目标的位置、速度等特征量，并将接收到的从目标反射回来的激光信号（目标回波）与发射信号进行比较，从而获得目标的距离、方位、速度、形状等参数[5]。激光雷达需传输庞大的数据量，因此用千兆车载以太网连接域控制器。

[size=1em]（3）毫米波雷达：其原理与激光雷达类似，但发射的是锥状毫米波。毫米波雷达接收返回的毫米波，以实现成像功能，但在雨、雾和湿雪等高潮湿环境下毫米波会衰减[6]。毫米波雷达数据量较小，汽车上使用CAN总线通信。

[size=1em]（4）超声波雷达：发射超声波，并检测返回的超声波，实现成像[7]，但距离较近，延时较大，仅用于自动泊车时。超声波雷达感应距离短，数据量小，因此使用GPIO口即可。

[size=1em]根据传感器不同的通信方式，采取不同的电路进行适配，摄像头通过解串芯片进行解析，激光雷达通过以太网交换机通信，毫米波雷达通过CAN收发器通信，超声波雷达则直接接入SoC即可。根据以上特点，得到如图7所示的各个外设模块连接设计。

[size=0.8em]图7 各个外设模块连接设计

3.2 通信电路设计

[size=1em]中央计算单元需要与整车的其他控制器或执行器进行通信。根据第三代电子电气架构，设计的通信接口如下：

[size=1em]（1）8路及以上的车载以太网用于连接区控制器和激光雷达等数据量较大的控制器。根据以太网协议，本设计需要8路以太网，而控制器内部还有3个SoC需要连接以太网，因此设计采用多路以太网交换机作为以太网通信转发芯片。

[size=1em]（2）15路及以上的CAN用于连接各个雷达或数据量较小的控制器。每路CAN均使用1个CAN收发器作信号转换，采用标准的CAN收发器电路。

3.3 多域融合的智驾域控制器架构

[size=1em]本设计基于第三代电子电气架构，设计了向第四代电子电气架构过渡的域融合控制器的硬件平台，并对各个模块的设计进行了概述，最终形成本方案如图8所示。

[size=0.8em]图8 域融合硬件整体框

4 结论

[size=1em]本文采用两个SoC或多SoC进行设计，各个SoC独立运行，负责各大功能计算；为降低开发难度，其功能部署与未融合的域控制器相近，各SoC通过板内PCIE高速通信进行互相交换数据，大大提高各SoC之间的数据交互效率和可靠性。在SoC的外设方面，本设计根据整体接口种类和数量以及软件部署情况，将各个接口按照功能划分连接不同的SoC。

[size=1em]目前，本设计正在进行样机调试，因此与最终的设计不一定一致，但本设计的整体思路具有正确性和可行性。

下好大雨

天哥GG

汽车智驾域控制器设计

speedluis

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陛下万年

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基于多域融合的汽车智驾域控制器设计