CN113110407B - 基于区块网关电控单元的汽车控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于区块网关电控单元的汽车控制器，包括以汽车以太网TSN为主干网，环形部署在车身不同位置的区块网关电控单元；区块网关电控单元包括汽车处理器和FPGA；汽车处理器采集外接传感器数据，进行融合计算，并对计算结果做出判断和校验；汽车处理器通过PCIE接口连接FPGA，进行高速数据交换。本发明的区块网关电控单元部署到车身不同的位置，采用有足够强算力的汽车处理器，当功能安全缺陷发生时，车辆控制优先退出自动控制模式，并采取合理的紧急制动等补救措施。通过FPGA随时桥接信号的出口方向，为区块网关电控单元部署到车身不同位置后整车电气走线提供方便。
Description
技术领域
本发明涉及汽车电子电气领域，尤其涉及一种基于区块网关电控单元的汽车控制器。
背景技术
随着汽车电子电气架构越发复杂，数据带宽增高，从“node”架构进入“domain”架构已经过了数年的发展，在生产实践中由于新功能不断加入而相应的新增了无数的电子控制单元ECU，随着时间的推移ECU的不断增加，导致“domain”架构变得非常复杂和臃肿，从而导致了用于“domain”架构的网络线束通常发展为整车成本中的第3重且昂贵的部件，最大重量达50kg，总长度可达5km。
而今天的自动驾驶趋势将会增加更多的ECU和传感器，进一步增加对线束的需求。公知的，今天的汽车生产，唯一没有实现自动化作业的便是汽车车身电气布线，而这项工作需要耗费大量的时间和人力，成为汽车生产中的一个痛点，急需要迫切改变；与此同时自动驾驶的发展使得汽车以太网得到了进一步应用，并允许汽车EE架构进行更彻底的改变来减少线束长度，重量，成本和复杂性。
由于TSN协议以及随之而来的基于IP的端到端实时通信的引入，车辆中的线束将完全改变“domain”架构，从而实现面向服务的软件架构方法（SOA）。因此，提出了一种新的汽车电子电气架构“Zonal”。
“Zonal”架构以车载以太网TSN为骨干串联数个ECU在局部区域中形成一个或几个环形结构，这些ECU将提供对CAN和LIN等传统汽车网络的访问、对以太网设备的切换功能以及负载感应和保护等配电支持。通过研究表明环形结构的“Zonal”与TSN支持一起将确保安全性和稳健性，以达到更高的汽车安全水平（ASIL）。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于区块网关电控单元的汽车控制器。
为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于区块网关电控单元的汽车控制器，所述汽车控制器包括以汽车以太网TSN为主干网，环形部署在车身不同位置的区块网关电控单元；
所述区块网关电控单元外接传感器；
所述区块网关电控单元包括汽车处理器和FPGA；
所述汽车处理器，采集外接传感器数据，进行融合计算，并对计算结果做出判断和校验；
所述汽车处理器通过PCIE接口连接FPGA，进行高速数据交换；
所述FPGA包含ARMv8硬核处理器子系统和大规模可编程逻辑单元；
所述大规模可编程逻辑单元，包括时间敏感型网络交换模块、共享内存控制器、编解码模块、脉宽调制及通用输入输出模块、模数/数模转换模块、多路切换器模块；
其中，共享内存控制器，是大规模可编程逻辑单元中各模块以及ARMv8硬核处理器子系统之间的联系纽带，可通过直接访问内存的方式进行数据存取和交换。
进一步地，所述汽车处理器为多核异构SOC，包括信息安全处理器、数据融合处理器、安全防护处理器、控制处理器。
进一步地，控制处理器、数据融合处理器满足ISO26262ASIL-B级别的功能安全要求；信息安全处理器、安全防护处理器满足ISO26262ASIL-D级别的功能安全要求。
进一步地，所述区块网关电控单元还包括电源管理模块、电源供电模块、电力分配模块；
所述电源供电模块将输入电源变换成不同等级电压，为区块网关电控单元提供工作电压；电源供电模块与电力分配模块相连，电力分配模块为外接传感器提供工作电压；
所述电源管理模块控制电源供电模块，用于控制电源供电模块各电压输出时序和大小，并实时监测其工作情况；
所述电源管理模块控制电力分配模块，用于根据外接传感器连接情况开启或关闭相应的供电通道，并实时监测其工作情况。
进一步地，所述电源管理模块通过CAN总线与汽车处理器和FPGA相连，用于接收它们的指令来控制电源供电模块和电力分配模块的工作电压，并实时上报电源供电模块和电力分配模块工作情况。
进一步地，所述电源管理模块、电源供电模块、电力分配模块，均满足ISO26262ASIL-D级别的功能安全要求。
进一步地，所述区块网关电控单元还包括车机接口模块、外围辅助电路。
进一步地，所述大规模可编程逻辑单元可以根据实际需求增加、裁剪、改写其中的功能模块。
进一步地，汽车处理器仅外设自身系统使用的信号管脚，将不常使用的、通讯类的信号管脚连接到FPGA上，通过FPGA桥接这些信号管脚的出口方向，为区块网关电控单元部署到车身不同位置后整车电气走线提供方便。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，
本发明的区块网关电控单元部署到车身不同的位置，外接传感器种类和数量不尽相同，采用有足够强算力的汽车处理器，进行多种传感器采集数据的融合计算；并能对计算结果做出判断和校验，当功能安全缺陷发生时，优先关闭车辆控制通道，使车辆控制优先退出自动控制模式，并采取合理的紧急制动等补救措施。
汽车处理器片上外设除了自身系统占用和使用的信号和管脚外，对于不常使用的、一些通讯类的信号等应尽可能多连接到FPGA上，这样可以通过FPGA随时桥接这些信号的出口方向，为区块网关电控单元部署到车身不同位置后整车电气走线提供方便，可将整车电气走线电缆长度缩减50%甚至更多，另外，将线束分解成具有较低复杂性和较小物理范围的子线束，将大大减少线束的造价，同时为自动化的生产提供了便利。
附图说明
图1是Zonal架构电子电气框图；
图2是区块网关电控单元硬件原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，“Zonal”架构以具有高带宽的汽车以太网TSN为主干网，整个车身大致分为三个区域，即智能驾驶域、智能座舱域、车身域。
汽车控制器，以汽车以太网TSN为主干，串联起分布在车身不同部位的多个区块网关电控单元（Zonal Gateway ECU），汽车上的传感器和执行器则连接到区块网关电控单元上，部署到车身不同位置的区块网关电控单元所连接的传感器和执行器的种类和数量则不尽相同。
本发明中区块网关电控单元（Zonal Gateway ECU）专门为匹配“Zonal”架构而设计，环形结构的“Zonal”与TSN支持一起，形成汽车控制器，将确保安全性和稳健性，以达到更高的汽车安全水平（ASIL）。同时，“Zonal”架构将线束长度减少到50％甚至更多。另外，将线束分解成具有较低复杂性和较小物理范围的子线束，将大大减少线束的造价，同时为自动化的生产提供了便利。
本发明中区块网关电控单元（Zonal Gateway ECU），具备以下功能和特征：
（1）能提供并分发数据和电能，并支持此特定车辆区域中可用的任何功能；
（2）支持各种类型的传感器、执行器，甚至显示器（网络差异或信号）的任何接口；
（3）以汽车以太网TSN通讯为主，可替代其它通讯接口，如CAN-FD、FlexRay等；
（4）能充当网关、转换器和智能接线盒。
如图2所示，针对下一代的汽车电子电气架构“Zonal”，本发明设计一款匹配的区块网关电控单元（Zonal Gateway ECU）。
区块网关电控单元，包括：电源管理模块（Power Manager MCU）、电源供电模块（Power Supply module）、电力分配模块（eSwitch/eFuse module）、汽车处理器（Automotive Processors）、可编程逻辑器件（FPGA）、车机接口模块（Vehicles Connector）以及外围辅助电路（如DDR、eMMC、SpiFlash等）。
本发明所述的区块网关电控单元，采用Automotive Processors + SoC FPGA的架构方式，其中，Automotive Processors 为多核异构SOC。
区块网关电控单元部署到车身不同的位置，外接的传感器种类和数量不尽相同，所以汽车处理器（Automotive Processors）必须有足够强的算力，能进行多种传感器数据的采集、融合、计算、执行；并能对计算结果做出判断和校验，当功能安全缺陷发生时，优先关闭车辆控制通道，使车辆控制优先退出自动控制模式，并采取合理的紧急制动等补救措施。
汽车处理器（Automotive Processors）为多核异构SOC，其包括：信息安全处理器（Security MCU）、数据融合处理器（MPU xn）、安全防护处理器（safety MCU）、控制处理器（domain MCU）。
安全防护处理器，Safety MCU，主要负责功能安全，并控制具有高安全等级的执行器（比如制动器、油门、换挡逻辑等），因此它至少要满足ISO26262ASIL-D级别的功能安全要求，最好是具有双核锁步功能的车规级32位处理器，主频应满足300MHz以上。
虽然 Safety MCU 处在多核异构SOC中，但它有自己独立的电源系统和外部设备（如CAN控制器，以太网控制器、GPIO、MEMORY等），不受其它异构核的干扰和影响，当其它内核出现错误和故障时，它至少能保证正常工作。
控制处理器，domain MCU，主要完成普通业务逻辑、传感器数据采集、计算、通讯以及控制安全等级低的执行器（如座椅调整、灯光喇叭、门窗雨刷等），因此它至少要满足SO26262ASIL-B级别的功能安全要求，必须具备丰富的外设，至少有10个CAN控制器、1个以太网控制器、2个SPI控制器等；主频应满足400MHz以上的双核32位处理器。
信息安全处理器，Security MCU，主要负责信息安全、数据加密等功能，远程操控和远程固件升级身份的合法性、数据完整性以及云端、后台通讯时数据密钥算法等业务，因此至少满足ISO26262ASIL-D级别的功能安全要求，主频达到300MHz。
数据融合处理器，MPU x n，主要负责传感器数据融合、信号处理以及网络数据转发与分发，是高性能的计算单元，至少满足ISO26262ASIL-B级别的功能安全要求。
汽车处理器（Automotive Processors）还通过CAN总线跟电源管理模块（PowerManager MCU）相连，实时监测汽车控制器上电子元器件的工作情况以及外接传感器和执行器等设备的工作电压和电流，当有异常发生时，能在第一时间控制车辆做出安全措施。
汽车处理器（Automotive Processors）相当于区块网关电控单元（Zonal GatewayECU）的心脏，它除了跟电源管理模块通过CAN总线相连，用于下发指令和接收片上外设、外接设备的电力（电压、电流）参数、温度参数外，还通过PCIE、CAN、LIN、GPIO等接口和FPGA相连，用于跟FPGA进行高速高效的数据交换，满足智能驾驶所需要的信息高速交互、低延迟、高速判断以及高速执行等要求。
汽车处理器（Automotive Processors）片上外设除了自身系统占用和使用的信号和管脚外，对于不常使用的、一些通讯类的信号（如ETH、CAN、LIN、GPIO）等应尽可能多的连接到FPGA上，这样可以通过FPGA随时桥接这些信号的出口方向，为区块网关电控单元（Zonal Gateway ECU）部署到车身不同位置后整车电气走线提供方便。
可编程逻辑器件（FPGA）跟汽车处理器（Automotive Processors）相连，凭借着FPGA强大的编程能力可实现任何有需求的功能。
FPGA包含完整的ARMv8硬核处理器子系统（PS）和独立的大规模可编程逻辑单元（PL）。
在本发明中，FPGA实现了“TSN NetSwitch module”、“Share MemoryController”、“Codec/Decode module”、“PWM/GPIO module”、 “ADC/DAC module”、和“MUXSwitch module”等基本功能模块，同时也可以根据实际需求增加、裁剪、改写FPGA中的功能模块。其中，共享内存控制器是PL中众多功能模块以及ARMv8硬核处理器子系统（PS）之间的联系纽带，各模块可通过直接访问内存的方式进行数据存取和交换、旨在提高数据吞吐量。
时间敏感型网络交换模块，TSN NetSwitch module，在FPGA中实现了多个网络交换端口（NetSwitch），并支持IEEE 802.1标准和网络加速功能。每个端口具有10M/100M/1000M自适应功能，可通过配置文件配置动态和静态的TSN参数，如时间同步、流量调度、端口转发优先级等；同时也可以通过配置文件配置NetSwitch的常规参数，如MAC滤波、VLAN、TCAM、Mirroring、Trapping等。
编解码模块，Codec/decode module，主要分为图像数据编解码功能和自定义通讯协议编解码功能。图像编解码功能主要实现图像的特征值提取，目标类别识别，多目标跟踪，运动预测等复杂运算。自定义通讯协议编解码功能可根据用户配置文件对通讯传输中的数据流由硬件完成一系列的解码、编码及计算工作，这样可提高数据处理效率，减轻处理器的软件开销。
脉宽调制及通用输入输出模块，PWM/GPIO module，在FPGA中实现了多个PWM控制器，能控制多路PWM信号，同时此模块中还实现了电脉冲捕获（ECAP）功能、光电编码（EQEP）功能、以及通用的输入输出口（GPIO）功能等。此模块提供常用的控制信号，如控制电机以及调节灯光亮度的PWM信号，以及测量电机转速的光电编码单元等。
模数/数模转换模块，ADC/DAC module，在FPGA中实现了模数转换模块，此模块中ADC主要采集本发明汽车控制器电源供电电路中各等级电压、电流信号外，还可对外提供接口，可以采集外接设备的电压、电流信号外，也可以输出电压信号给外接设备。
共享内存控制器，Share momery Controller，此模块主要功能为共享内存控制器，用FPGA实现，在FPGA内部众多模块中处于“心脏”位置，它为FPGA内部所有功能模块、处理单元以及接口设备提供高带宽资源访问。它包含一个具有ECC校验功能的512K SRAM，一个跟DDR控制器的接口，可以通过这个接口访问FPGA外接的DDR4，一个全局的DMA控制器来实现FPGA内部各功能模块之间的数据路由单元（Data Routing Unit，DRU），可通过配置文件来对FPGA内部各功能模块分配内存空间，所述的内存空间包括内部SRAM和外部DDR4。
多路切换器模块，MUX Switch module，用FPGA实现，主要用来定义和改变车机接口信号的类别和方向。通过图1可知区块网关电控单元可部署到车身的不同位置，而且不同位置的区块网关电控单元连接的外部设备的数量和类型也不尽相同，所以车机接口的信号类别和排列位置也会随着位置不同而变化，本模块可通过配置文件来桥接信号类别和出口位置，可大大简化自动化生产进度。
FPGA内部自带一个 64位多核armv8 架构的 Cortex-A53 处理器，它可以利用完善的软件生态和硬件加速器完成海量数据的预处理（如视频流数据、多线激光雷数据等），同时可以通过RDMA技术和汽车处理器（Automotive Processors）建立起快速、高效的数据通讯机制。
本发明所述的区块网关电控单元，还包括：电源管理模块（Power Manager MCU）、电源供电模块（Power Supply module）、电力分配模块（eSwitch/eFuse module）。
电源供电模块（Power Supply module）的输入端连接电源（POW），为汽车控制器的供电电源输入，电源供电模块（Power Supply module）把输入的电源变换成各种等级电压、电流信号，为板载的电子元器件提供工作电压和电流。同时电源供电模块（Power Supplymodule）的输出端跟电力分配模块（eSwitch/eFuse module）相连，为外接传感器和执行器等设备提供工作电压和电流。
电源管理模块（Power Manager MCU）和电源供电模块（Power Supply module）相连，用于控制电源供电模块（Power Supply module）各电压、电流的输出时序和大小，并实时监测这些电压、电流信号的波动情况以及电源供电模块（Power Supply module）及整个汽车控制器的工作温度。
电源管理模块（Power Manager MCU）控制电力分配模块（eSwitch/eFusemodule），根据外接传感器和执行器等设备连接情况开启或关闭相应的供电通道，同时实时管理和监测外接设备的工作状况。
电源管理模块（Power Manager MCU）通过CAN总线和汽车处理器（AutomotiveProcessors）及可编程逻辑器件（FPGA）相连，用于接收它们的指令来配置和控制电源供电模块（Power Supply module）和电力分配模块（eSwitch/eFuse module）工作状况。并实时上报电源供电模块（Power Supply module）和电力分配模块（eSwitch/eFuse module）工作情况以及各电压、电流的波动情况和温度参数。
电源管理模块（Power Manager MCU）、电源供电模块（Power Supply module）和电力分配模块（eSwitch/eFuse module）为汽车控制器及外接设备提供了电力保证，它们的稳定性和可靠性直接影响着其它设备的性能，因此它们至少应满足ISO26262ASIL-D级别的功能安全要求。
本发明所述的汽车控制器，还包括：车机接口模块（Vehicles Connector）以及外围辅助电路（如DDR、eMMC、SpiFlash等）。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，
本发明的区块网关电控单元部署到车身不同的位置，外接传感器种类和数量不尽相同，采用有足够强算力的汽车处理器，进行多种传感器采集数据的融合计算；并能对计算结果做出判断和校验，当功能安全缺陷发生时，优先关闭车辆控制通道，使车辆控制优先退出自动控制模式，并采取合理的紧急制动等补救措施。
汽车处理器片上外设除了自身系统占用和使用的信号和管脚外，对于不常使用的、一些通讯类的信号等应尽可能多连接到FPGA上，这样可以通过FPGA随时桥接这些信号的出口方向，为区块网关电控单元部署到车身不同位置后整车电气走线提供方便。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于区块网关电控单元的汽车控制器，其特征在于，所述汽车控制器包括以汽车以太网TSN为主干网，环形部署在车身不同位置的区块网关电控单元；
所述区块网关电控单元外接传感器；
所述区块网关电控单元包括汽车处理器和FPGA；
所述汽车处理器，采集外接传感器数据，进行融合计算，并对计算结果做出判断和校验；
所述汽车处理器为多核异构SOC，包括信息安全处理器、数据融合处理器、安全防护处理器、控制处理器；
所述汽车处理器通过PCIE接口连接FPGA，进行高速数据交换；
所述FPGA包含ARMv8硬核处理器子系统和大规模可编程逻辑单元；
所述大规模可编程逻辑单元，包括时间敏感型网络交换模块、共享内存控制器、编解码模块、脉宽调制及通用输入输出模块、模数/数模转换模块、多路切换器模块；
其中，共享内存控制器，是大规模可编程逻辑单元中各模块以及ARMv8硬核处理器子系统之间的联系纽带，可通过直接访问内存的方式进行数据存取和交换；
汽车处理器仅外设自身系统使用的信号管脚，将不常使用的、通讯类的信号管脚连接到FPGA上，通过FPGA桥接这些信号管脚的出口方向，为区块网关电控单元部署到车身不同位置后整车电气走线提供方便。
2.根据权利要求1所述的基于区块网关电控单元的汽车控制器，其特征在于，控制处理器、数据融合处理器满足ISO26262ASIL-B级别的功能安全要求；信息安全处理器、安全防护处理器满足ISO26262ASIL-D级别的功能安全要求。
3.根据权利要求1所述的基于区块网关电控单元的汽车控制器，其特征在于，所述区块网关电控单元还包括电源管理模块、电源供电模块、电力分配模块；
所述电源供电模块将输入电源变换成不同等级电压，为区块网关电控单元提供工作电压；电源供电模块与电力分配模块相连，电力分配模块为外接传感器提供工作电压；
所述电源管理模块控制电源供电模块，用于控制电源供电模块各电压输出时序和大小，并实时监测其工作情况；
所述电源管理模块控制电力分配模块，用于根据外接传感器连接情况开启或关闭相应的供电通道，并实时监测其工作情况。
4.根据权利要求3所述的基于区块网关电控单元的汽车控制器，其特征在于，所述电源管理模块通过CAN总线与汽车处理器和FPGA相连，用于接收它们的指令来控制电源供电模块和电力分配模块的工作电压，并实时上报电源供电模块和电力分配模块工作情况。
5.根据权利要求3所述的基于区块网关电控单元的汽车控制器，其特征在于，所述电源管理模块、电源供电模块、电力分配模块，均满足ISO26262ASIL-D级别的功能安全要求。
6.根据权利要求1所述的基于区块网关电控单元的汽车控制器，其特征在于，所述区块网关电控单元还包括车机接口模块、外围辅助电路。
7.根据权利要求1所述的基于区块网关电控单元的汽车控制器，其特征在于，所述大规模可编程逻辑单元可以根据实际需求增加、裁剪、改写其中的功能模块。
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