摘要：設計了一種多系統級（SoC）芯片的域融合控制器硬件架構，集成了中央網關和自動駕駛兩大域，各SoC芯片分別運行相應功能。該架構中的SoC芯片根據算力和功能需求，可選擇使用不同型號SoC，或刪減其中某個SoC，以適配不同級別的汽車。該架構是當前最新的第三代汽車電子電氣架構的升級版，也是向第四代電子電氣架構的過渡。

0 引言

目前，智能化的核心是軟件定義汽車，汽車軟件已不僅用于控制汽車的機電設備，更依托強大的硬件算力，實現汽車各個控制器（ECU）之間的數據交換和自動駕駛功能，因此硬件平臺需擁有高算力、高通信帶寬、高安全性等功能[1]。在第三代電子電氣架構中，控制器集成化程度越來越高，出現了三大域控，即中央網關、自動駕駛、智能座艙。

中央網關和自動駕駛這兩大域是目前智能化汽車的核心域控制器[2]，直接決定汽車的智能化程度，其需要強大的算力和處理龐大的數據交換，且中央網關與自動駕駛之前也存在較高的數據交換。鑒于此，本設計將中央網關和自動駕駛兩大域融合為一個域控制器，并集成為一個中央計算單元。該域控制器不僅能向第四代電子電氣架構過渡，還能提高汽車產品科技，提高用戶使用體驗。

1 電子電氣架構

1.1 分部式電子電氣架構

傳統汽車采用第二代電子電氣架構，即分布式的電子電氣架構，該架構的主要特點是各個控制器按照功能劃分，每個控制器負責控制的機電負載功能單一，但控制器較多。也就是說，每個控制器電子部件較少，實現功能較為簡單，工作邏輯相互獨立[3]。該電氣架構智能化低、復用性低，且各個功能模塊升級較為復雜，對多個控制器進行軟件升級時，成本也相應較高，因此部分車廠已經采用目前的主流架構——集中式電子電氣架構。

1.2 集中式電子電氣架構

分布式控制器的集成是集中式電子電氣架構的主要思路，即將2個或多個功能相近或性能要求低的控制器集成為一個控制器[4]，如圖1所示。該架構可以減少控制器的數量，既可減少控制器中控制類芯片的數量，如微控制單元（MCU），也能減少軟件開發工作量，而且進行控制器升級時也能減少升級的復雜程度。

圖1 集中式電子電氣架構

1.3 基于域控制器的第三代電子電氣架構

第三代電子電氣架構將各個功能模塊集成在一個或少數幾個控制器中[4]，如圖2所示，整車主要控制邏輯集中在三大域控制器中，其他各個驅動負載和傳感器分控在汽車前后左右4個區控制器（ZCU-F、ZCU-B、ZCU-L、ZCU-R）中，并按照距離遠近進行連接。域控制器的架構能夠讓控制邏輯集中，實現控制決策的中心化和統一化。

圖2 第三代電子電氣架構

1.4 未來電子電氣架構

對于以上的電氣架構，本文提出了一種未來的電子電氣架構，即基于中央計算單元的電子電氣架構。該架構將整車所有控制邏輯、算法集中在一個中央計算單元中，實現“一個大腦”的控制思路，如圖3所示，減少了計算單元的數量，形成了一個中央計算單元。該中央計算單元負責汽車所有的邏輯運算，并與云端相連，實現真正的軟件定義汽車。

圖3 未來電子電氣架構

2 域融合方案的設計

基于1.3提出的電氣架構，考慮到目前芯片技術的水平，無法用一步實現中央計算單元的全部功能。因此，本文分析目前第三代電子電氣架構的特點，提出了將中央網關和自動駕駛兩大域控融合的設計思路。該思路是基于中央網關和自動駕駛通信關聯性較高但其外設較為單一的特點形成的，融合難度符合目前行業SoC的技術水平。

2.1 SoC融合設計

本設計在同一個PCB電路板上放置2個SoC的最小系統，二者彼此相互獨立，均獨立配置DDR存儲和EMMC存儲。SoC1負責自動駕駛的計算，可連接自動駕駛相關的感知傳感器，如攝像頭、雷達等；SoC2負責網關功能，連接整車各大以太網絡、控制器局域網絡（controller area network，CAN）總線等，協調分配整車的數據轉發。另外，還增加了1個高功能安全等級的MCU，對二者進行電源管理、外設管理、安全監控等，以提高系統的可靠性，如圖4所示。

圖4 SoC融合方案設計

兩個SoC之間的通信交互設計，本設計采用的是PCB板內高速的PCIE 3.0，而目前傳統的多域控架構中，網關與自駕兩個控制器之間采用千兆以太網，傳輸速率為1 000 Mbps，而本方案2個SoC直接進行PCIE 3.0通信，傳輸速率可達比特傳輸速率為8 GT/s，遠高于傳統的以太網，且PCB板內采取點對點傳輸，且有專用通道，距離近，通信效率高，抗干擾能力強，傳輸高效可靠。

SoC的融合設計思路還可進一步升級：目前自動駕駛的SoC芯片算力無法達到高階自動駕駛的需求，如已量產的地平線的J5、英偉達的Orin、華為的MDC等，均只有100～200TOPS算力，而L3或者L4等級自動駕駛需要更強大的算力，因此按照SoC 融合設計思路，可將多個自動駕駛的SoC同時設計在一塊PCB板上，如圖5所示。SoC1和SoC2負責自動駕駛功能，SoC3負責網關功能，各SoC之間采用PCIE傳輸。即通過增刪SoC可以實現不同算力的域控制器，同一個硬件電路平臺可適配不同配置的車型。

圖5 改進SoC融合方案的設計

2.2 軟件功能部署設計

一個控制器中存在多個SoC，因此軟件的部署將成為重要工作之一。根據改進的融合方案作如圖6所示的軟件部署。

圖6 軟件部署

3 其他模塊的設計

除了SoC的設計外，感知電路和通信電路的設計是最重要的模塊。

3.1 感知電路設計

自動駕駛的感知通常有攝像頭、激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達。

（1）攝像頭：攝像頭是圖像感知的主要傳感器，可獲可見光反射的圖像，通過圖像專用信號傳輸，通常采用低電壓差分信號（low-voltage differential signaling，LVDS）。

（2）激光雷達：通過發射激光束探測目標的位置、速度等特征量，并將接收到的從目標反射回來的激光信號（目標回波）與發射信號進行比較，從而獲得目標的距離、方位、速度、形狀等參數[5]。激光雷達需傳輸龐大的數據量，因此用千兆車載以太網連接域控制器。

（3）毫米波雷達：其原理與激光雷達類似，但發射的是錐狀毫米波。毫米波雷達接收返回的毫米波，以實現成像功能，但在雨、霧和濕雪等高潮濕環境下毫米波會衰減[6]。毫米波雷達數據量較小，汽車上使用CAN總線通信。

（4）超聲波雷達：發射超聲波，并檢測返回的超聲波，實現成像[7]，但距離較近，延時較大，僅用于自動泊車時。超聲波雷達感應距離短，數據量小，因此使用GPIO口即可。

根據傳感器不同的通信方式，采取不同的電路進行適配，攝像頭通過解串芯片進行解析，激光雷達通過以太網交換機通信，毫米波雷達通過CAN收發器通信，超聲波雷達則直接接入SoC即可。根據以上特點，得到如圖7所示的各個外設模塊連接設計。

圖7 各個外設模塊連接設計

3.2 通信電路設計

中央計算單元需要與整車的其他控制器或執行器進行通信。根據第三代電子電氣架構，設計的通信接口如下：

（1）8路及以上的車載以太網用于連接區控制器和激光雷達等數據量較大的控制器。根據以太網協議，本設計需要8路以太網，而控制器內部還有3個SoC需要連接以太網，因此設計采用多路以太網交換機作為以太網通信轉發芯片。

（2）15路及以上的CAN用于連接各個雷達或數據量較小的控制器。每路CAN均使用1個CAN收發器作信號轉換，采用標準的CAN收發器電路。

3.3 多域融合的智駕域控制器架構

本設計基于第三代電子電氣架構，設計了向第四代電子電氣架構過渡的域融合控制器的硬件平臺，并對各個模塊的設計進行了概述，最終形成本方案如圖8所示。

圖8 域融合硬件整體框

4 結論

本文采用兩個SoC或多SoC進行設計，各個SoC獨立運行，負責各大功能計算；為降低開發難度，其功能部署與未融合的域控制器相近，各SoC通過板內PCIE高速通信進行互相交換數據，大大提高各SoC之間的數據交互效率和可靠性。在SoC的外設方面，本設計根據整體接口種類和數量以及軟件部署情況，將各個接口按照功能劃分連接不同的SoC。

目前，本設計正在進行樣機調試，因此與最終的設計不一定一致，但本設計的整體思路具有正確性和可行性。

參考文獻

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