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汽车域控制器技术
域控制器是指在“域”模式下,至少有一台服务器负责每一台联入网络的电脑和用户的验证工作,相当于一个单位的门卫一样,称为“域控制器(Domain Controller,简写为DC)”。
域控制器( Domain controller,DC)是活动目录的存储位置,安装了活动目录的计算机称为域控制器。在第一次安装活动目录时,安装活动目录的那台计算机就成为域控制器,简称“域控”。域控制器存储着目录数据并管理用户域的交互关系,其中包括用户登录过程、身份验证和目录搜索等。一个域可以有多个域控制器。为了获得高可用性和容错能力,规模较小的域只需两个域控制器,一个实际使用,另一个用于容错性检査;规模较大的域可以使用多个域控制器。
在对等网模式下,任何一台电脑只要接入网络,其他机器就都可以访问共享资源,如共享上网等。尽管对等网络上的共享文件可以加访问密码,但是非常容易被破解。在由Windows 9x构成的对等网中,数据的传输是非常不安全的。
不过在“域”模式下,至少有一台服务器负责每一台联入网络的电脑和用户的验证工作,相当于一个单位的门卫一样,称为“域控制器(Domain Controller,简写为DC)”。
域控制器中包含了由这个域的账户、密码、属于这个域的计算机等信息构成的数据库。当电脑联入网络时,域控制器首先要鉴别这台电脑是否是属于这个域的,用户使用的登录账号是否存在、密码是否正确。如果以上信息有一样不正确,那么域控制器就会拒绝这个用户从这台电脑登录。不能登录,用户就不能访问服务器上有权限保护的资源,他只能以对等网用户的方式访问Windows共享出来的资源,这样就在一定程度上保护了网络上的资源。
要把一台电脑加入域,仅仅和服务器在网上邻居中能够相互“看”到是远远不够的,必须要由网络管理员进行相应的设置,把这台电脑加入到域中。这样才能实现文件的共享。
本文主要参考文献链接
https://mp.weixin.qq.com/s/EyWK2D157Rd90YqAhQNIFQ
https://mp.weixin.qq.com/s/cjFsVRGaLuC05s4DEpt7cw
https://baike.baidu.com/item/%E5%9F%9F%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8/8656707?fr=aladdin
https://zhuanlan.zhihu.com/p/466048587
为了解决分布式EEA的这些问题,人们开始逐渐把很多功能相似、分离的ECU功能集成整合到一个比ECU性能更强的处理器硬件平台上,这就是汽车“域控制器(Domain Control Unit,DCU)”。域控制器的出现是汽车EE架构从ECU分布式EE架构演进到域集中式EE架构(如图2-2所示)的一个重要标志。
域控制器是汽车每一个功能域的核心,主要由域主控处理器、操作系统和应用软件及算法等三部分组成。平台化、高集成度、高性能和良好的兼容性是域控制器的主要核心设计思想。依托高性能的域主控处理器、丰富的硬件接口资源以及强大的软件功能特性,域控制器能将原本需要很多颗ECU实现的核心功能集成到进来,极大提高系统功能集成度,再加上数据交互的标准化接口,因此能极大降低这部分的开发和制造成本。
对于功能域的具体划分,各汽车主机厂家会根据自身的设计理念差异而划分成几个不同的域。比如BOSCH划分为5个域:动力域(Power Train)、底盘域(Chassis)、车身域(Body/Comfort)、座舱域(Cockpit/Infotainment)、自动驾驶域(ADAS)。这也就是最经典的五域集中式EEA,如下图2-2所示。也有的厂家则在五域集中式架构基础上进一步融合,把原本的动力域、底盘域和车身域融合为整车控制域,从而形成了三域集中式EEA,也即:车控域控制器(VDC,Vehicle Domain Controller)、智能驾驶域控制器(ADC,ADAS\AD Domain Controller)、智能座舱域控制器(CDC,Cockpit Domain Controller)。大众的MEB平台以及华为的CC架构都属于这种三域集中式EEA。
什么是域控制器
过去十多年的汽车智能化和信息化发展产生了一个显着结果就是ECU芯片使用量越来越多。从传统的引擎控制系统、安全气囊、防抱死系统、电动助力转向、车身电子稳定系统;再到智能仪表、娱乐影音系统、辅助驾驶系统;还有电动汽车上的电驱控制、电池管理系统、车载充电系统,以及蓬勃发展的车载网关、T-BOX和自动驾驶系统等等。
传统的汽车电子电气架构都是分布式的(如下图2-1),汽车里的各个ECU都是通过CAN和LIN总线连接在一起,现代汽车里的ECU总数已经迅速增加到了几十个甚至上百个之多,整个系统复杂度越来越大,几近上限。在今天软件定义汽车和汽车智能化、网联化的发展趋势下,这种基于ECU的分布式EEA也日益暴露诸多问题和挑战。
图2-3 全球域控制器市场预测
整个汽车行业普遍认为,域控制器是汽车电子行业未来竞争门槛最高的部分,因此利润也最高,芯片厂商和核心算法供应商将会受益。
(一) 域控制器市场快速增长背后的驱动因素
更多更好的ADAS功能和智能座舱与信息娱乐功能一直是推动域控制器市场快速增长的主要因素,这些新功能能明显提高整车的科技感和用户体验,因此也是主机厂开发新车型时的投入重点。L1到L2+级别之间的ADAS应用是这几年发展非常快,很多功能都正在快速普及,比如:停车辅助、车道偏离预警、自适应巡航、碰撞避免、盲点侦测、驾驶员疲劳探测等。
域控制器需要一颗性能更强、集成度越高的主控处理器来作为其大脑,更多原本通过分离ECU实现的功能现在可以放到域主控处理器上来实现,也因此就能更加节省功能域里所需的ECU用量和其它硬件资源。更高的集成度可以更主机厂供应链管理实现ADAS域控和相关零部件平台化和标准化的要求。
(二) 对域控制器供应链的影响
汽车E/E架构的演进和发展,也深刻影响了主机厂和汽车电子供应商的供应关系。主机厂的核心竞争力从以前的机械制造为主,全面转向软件和算法为重点。预计未来整车厂与Tier 1供应商之间将可能有两种合作模式:
• 其一,Tier 1负责域控制器硬件设计和生产,以及中间层Middleware软件部分。整车厂负责自动驾驶软件部分。Tier 1的优势在于以合理的成本将产品生产出来并且加速产品落地,因此整车厂和Tier 1进行合作生产方式是必然,前者负责自动驾驶软件部分,后者负责硬件生产、中间层以及芯片方案整合。这种模式下,在项目立项时,整车厂又可能跨过Tier 1直接与芯片厂商确定方案的芯片选型。
• 其二,Tier 1自己与芯片商合作,做方案整合后研发中央域控制器并向整车厂销售,例如大陆ADCU、采埃孚ProAI、麦格纳MAX4等。
2.1 智能座舱域控制器
座舱智能化的实质是基于汽车驾驶舱中的人机交互场景,将驾驶信息与娱乐信息两个模块进行集成,为用户提供高效的、直观的、充满未来科技感的驾驶体验。智能座舱的设计诉求主要是用于提升用户的驾乘体验,同时还要保证用户驾乘的安全性和舒适性,最终实现汽车作为人们工作和家庭场景以外的第三生活空间这一终极目标。
智能座舱域包括HUD、仪表盘(Cockpit)和车载娱乐信息系统(In-Vehicle Infotainment,简称IVI)三个最主要的组成部分。
HUD是非常实用的功能,将ADAS和部分导航功能投射到挡风玻璃上,诸如ACC、行人识别、LDW、路线提示、路口转弯提示、变道提示、剩余电量、可行驶里程等。HUD将很快会演变为AR HUD,在L3和L4时代成为标配。
进入L3时代,驾驶员状态监测(Driver Status Monitor,DMS)将成为必备的功能,包括:面部识别、眼球追踪、眨眼次数跟踪等将引入机器视觉和深度学习算法。而L4时代则必备V2X(Vehicle to everything)。
另外,多模态交互技术的蓬勃发展将会极大改变用户与汽车的交互模式。基于语音识别功能的语音交互技术越来越普及,常用于跟IVI系统的交互操作。进一步还能通过语音来对驾驶员进行情绪状态分析。当DMS系统检测到驾驶员昏昏欲睡时,系统可以通过播放音乐或者释放香味来唤醒驾驶员;基于多场景下的汽车座舱多模态交互技术未来一定会重新定义人机交互技术的发展。
所有这些智能座舱新技术的发展,都将推动对座舱域计算资源需求的暴增。
智能座舱域控制器领域,全球Tier 1厂商主要包括:博世、大陆汽车、哈曼、伟世通和Aptiv(安波福)等。中国本土企业主要有德赛西威、航盛和东软睿驰等。
表2-2 全球主要ADAS域控制器厂商信息
3.
域控制器发展趋势
域控制器的兴起对传统的汽车MCU厂商造成了极大的挑战,“因为MCU使用量将大大减少,传统的MCU产品其演进路线将不复存在”。
在分布式ECU时代,计算和控制的核心是MCU芯片,传输的基础核心是基于传统的CAN、LIN和FlexRay等低速总线。但在域控制器时代,高性能、高集成度的异构SoC芯片作为域的主控处理器,将成为域控制器的计算与控制的核心芯片。而汽车TSN(Time-Sensitive Network)以太网因为具有高带宽、实时和可靠的数据通信能力等特点,必将成为整车通信的核心基础设施,尤其是域主控处理器之间的通信主干网。
下面来简单分析一下域控制器以及核心的主控处理器的一些关键技术和趋势。
3.1 高性能
总的来说,对算力的需求提升一直是域控制器核心芯片发展的主要推动力。一方面原本由多个ECU完成的功能,现在需要依靠单一的域主控处理器来完成,并且还需要管理和控制所连接的各种传感器与执行器等。比如:底盘、动力传动系统和车身舒适电子系统的域主控处理器,其算力需求大约在10000DMIPS-15000DMIPS左右。
小结
域集中式EE架构会是未来相当长一段时间占主要地位的汽车EE架构,域控制器作为域集中式EE架构的核心,会在整个汽车产业链中占据越来越重要的地位。其相应的芯片和硬件方案、操作系统和算法等将会成为整个产业链各上下游厂家的争夺焦点。
汽车五大域控制器
根据国外主流供应商的总结经验,现如今行业中将汽车E/E架构按功能划分为动力域(安全)、底盘域(车辆运动)、座舱域(信息娱乐)、自动驾驶域(辅助驾驶)和车身域(车身电子)五大区域,每个区域对应推出相应的域控制器,最后再通过CAN/LIN等通讯方式连接至主干线甚至托管至云端,从而实现整车信息数据的交互。
1、动力域控制器
动力域控制器是一种智能化的动力总成管理单元。借助CAN/FLEXRAY实现变速器管理,引整管理电池监控交流发电机调节。其优势在于为多种动力系统单元(内燃机、电动机\发电机、电池、变速箱)计算和分配扭矩通过预判驾驶策略实现CO2减排通信网关等,主要用于动力总成的优化与控制,同时兼具电气智能故障诊断智能节电、总线通信等功能。
以多核安全微处理器为核心的硬件平台对动力域内子控制器进行功能整合,集成各ECU的基本功能需要的硬件针对动力域VClLIverterTCU BMS和DCDO等高级的域最次算法提供当力支持以ASIL-C安全等级为目标,具备SOTA信息安全、通讯管理等功能。
支持的通讯类型包括CAN/CAN-FD,GigabitEthernet并对通讯提供SHA-256加密算法支持面向CPU\GPU发展,需要支持AdapativeAUTOSAR环境,或支持POSIX标准接口的操作系统。
2、底盘域控制器
底盘域是与汽车行驶相关,由传动系统、行驶系统转向系统和制动系统共同构成。随着汽车智能化发展,智能汽车的感知识别、决策规划、控制执行三个核心系统中,与汽车零部件行业最贴近的是控制执行端,也就是驱动控制、转向控制、制动控制等,需要对传统汽车的底盘进行线控改造以适用于自动驾驶。
线控底盘主要有五大系统,分别为线控转向线控制动、线控换挡线控油门线控悬挂,线控转向和线控制动是面向自动驾驶执行端方向最核心的产品。
底盘域控制器应采用高性能、可扩展的安全计算平台,并支持传感器-群集及多轴惯性传感器,并且可检查和惯性传感器信号融合实现车辆动态模型的高性能安全计算,同时达成高性价比。现如今底盘电控越来越普及,底盘上电控产品的数据往往可以达到10个以上,当前电子底盘系统以零部件划分,如车身稳定控制系统ESC电子助力系统IBS电子转向系统EPS电子县架等,各个子系统属于不同供应商或OEM的不同开发部门,同时每个子系统都拥有独立的汽车动力控制系统和车辆动态控制模型,此外每个底盘电子产品的进行车辆控制的侧重点也有不同,如舒适性,操控性以及安全性。以上这些现状导致了在底盘电控开发上,软硬件耦合关系强,存在重复研发,开发成本高,各子系统存在相抵的负作用种种问题,使得车辆控制无法达到最优的状态。
正是在这样的背景下,在高度自动驾驶领域,迫切需要底盘域控制器产品的出现。实现转向、制动悬架的集中控制软硬件分离;车辆的横向纵向垂向协同控制更好的服务于ADAS全面提高整车性能。
首先结合现有底盘电子产品的功能定义,以及高度自动驾驶系统的需求,底盘域控制器需要实现如下的功能:
自动驾驶-车辆执行控制
●指令模式仲裁控制:底盘域控制器不仅需要执行上层感知层和决策层的指令,更需要发挥自动驾驶“小脑”的作用结合整车车辆状态稳定性安全性综合判断,决策出更优的控制指令。
●横向纵向垂向线控执行控制:进行横向纵向垂向控制,实现6自由度的协同控制。
●车辆运动状态控制:向上层反馈当前车辆运动状态,使得决策层更加有效的进行车辆控制。
●整车稳定性控制车辆姿态,状态识别及预测主动垂向稳定控制。
●车身稳定性控制后轮转向控制
舒适性控制
●驾驶模式切换
●地形自适应控制
●驾驶工况
●自适应控制
●智能悬架控制
●综合控制
●转向助力
●制动助力
●驻车控制
其次为了满足高度自动驾驶的要求,需要重点考虑底盘域控制器的冗余设计,需要包括如下
●冗余特行传感器端,包括加速踏板开度,制动踏板开度,轮速传感器,车身高度传感器,方向盘转角力矩传感器,惯量传感器等,均需要有冗余备份。
●在域控制器内部,需要有双路的主控芯片,电源管理芯片,预驱芯片
●在通讯端,需要有冗余的网络设计
3、智能座舱域控制器
智能座舱域控制器需要具备卓越的处理性能,以支持座舱域的应用,如语音识别,手势识别等;提供优秀的显示性能支持,同时支持虚拟化技术,支持一芯多屏显示,满足各种尺寸的仪表屏及中控屏幕显示需要,并将不同安全级别的应用进行隔离。
同时提供对外对内的通讯能力搭载5G千兆以太网wif6等技术,提供稳定、高速的通信网络以轻松应对VR/AR4K乃至8K视频等高带宽应用的网络要求。针对公网通讯连接提供可靠的网联服务实现远程控制、整车OTA。
提升算力平台、集成度和感知通信能力。
第一、基于更高算力的座舱域控制器芯片开发产品集成度更高。集成仪表T-BOX和车机、空调控制、 HUD、后视镜、DMS等。
第二、开发AR/抬头显示HUD内后视镜替代屏外后视镜替代视觉系统仪表屏、中控屏、副驾显示屏后排娱乐屏等多屏互动交互方案,提升用户体验。
第三,基干win65GCV2X以及多模融合的高精定位技术,开发智能天线产品,通信可靠性高,低时延,高带宽为智能网联汽车提供多重无线通讯整合的车联网方案。
4、自动驾驶域控制器
随着自动驾驶的来临,其所涉及的感知控制、决策系统复杂性更高,与车身等其它系统的信息交互控制的场景也越来越多,各方都希望其能变成一个模块化的、可移植性的、便于管理的汽车子系统。因此。专门定位于自动驾驶的域控制器系统就应运而生了。
自动驾驶的域控制器。需要具备多传感器融合。定位,路径规划,决策控制,无线通讯,高速通讯的能力。
第一,通常需要外接多个摄像头、毫米波雷达激光雷达,以及IMU等设备,完成的功能包含图像识别数据处理等,因此外围接口可根据应用场景按需扩展增加。
第二,自动驾驶域控制器需要感知环境和实现信息融合,逻辑运算和决策控制,适应深度学习算法超大算力需求故一般采用GPU或是人工智能芯片TPU处理承担大规模浮点数并行计算包括了摄像头、激光雷达等识别、融合、分类,因此需要域控制器提供足够可扩展的算力支撑,同时平台算力性能可扩展硬件扩展能力强。
第三为应对功能安全、冗余监控车辆控制,保证可靠性满足ISO26262功能安全ASIL-D的要求一般采用安全MCU实现。
第四,域控制器与其他域交互能力需要支持未来数据量增长,采用支持千兆以太网或万兆以太网。
中国L2级以上智能汽车市场已经进入快速渗透期预计2025年将超过40%。随着新一代E/E普及,预计2025年自动驾驶域控制器出货量将超过400万台套。目前自动驾驶域控制器行业演变形成传统外资Tier1本土Tier1互联网科技与软件公司、整车企业四大阵营,拥有软硬件技术融合的公司优势相对较为突出。外资Tier企业倾向于一揽子域控制解决方案的“交钥匙”工程,而国内Tier1企业偏向采用协同分工的模式。
5、车身域控制器
随着整车发展,车身控制器越来越多,为了降低控制器成本,降低整车重量,集成化需要把所有的功能器件,从车头的部分车中间的部分和车尾部的部分如后刹车灯、后位置灯、尾门锁、甚至双撑杆统一连接到一个总的控制器里面。
车身域控制器从分散化的功能组合,逐渐过渡到集成所有车身电子的基础驱动、钥匙功能、车灯、车门、车窗等的大控制器。车身域控制系统综合灯光、雨刮洗涤、中控门锁、车窗控制;PEPS智能钥匙、低频天线、低频天线驱动、电子转向柱锁IMMO天线网关的CAN可扩展CANFD和FLEXRAY、LIN网络、以太网接口;TPMS和无线接收模块等进行总体开发设计。车身域控制器能够集成传统BCMPEPS、纹波防夹等功能。
从通信角度来看,存在传统架构-混合架构-最终的VehicleComputerPlatform的演变过程。这里面通信速度的变化,还有带高功能安全的基础算力的价格降低是关键,未来在基础控制器的电子层面兼容不同的功能慢慢有可能实现。
采用业内最高规格的域控MCU实现功能安全目标。通过多核安全处理器平台,将不同功能、不同安全等级、不用算力要求的应用置于不同的核运行,降低整个系统运行故障风险。同时具有丰富的通信资源:支持16路CAN-FD24路LIN2路以太网等总线资源,提供稳定、高速的通信网络,能轻松应对各种网络要求;软件系统支持AUTOSARCPAUTOSARAP车载智能操作系统,以实现分层设计,使上层应用完全独立于硬件平台开发,增强了系统的可移植性和软件模块复用性,使得应用设计的扩展更加丰富。升级域控制器框架和接口技术,基于跨域控制通信系统,提升跨域权限和冲突管理及算力优化配置:
总结
面对汽车新E/E架构的转型升级,软件架构逐步实现分层解耦,硬件从分布式向域控制/中央集中式发展,车载网络通信从LN/CAN总线向以太网方向发展。在这个转型中,重要的关键特征是需要有标准化的控制器的引入。标准域控制器的形成,和面向SOA化的软件架构需要逐渐清晰,车企可以更容易的进行上层应用软件开发功能的更新和升级提供个性化差异化的功能与服务加快车型向智能化发展。
标准化域控制器产品及面向SOA的软件架构将加快汽车产业向智能化快速发展。在电子电器架构变化过程当中,逐渐的共识是中央域控制器和自动驾驶域控制器可能是最先引入,并且将成为影响最大的两个域控制器。如何用最短的周期、高效开发的方法有限的开发资源,提升智能化水平,中央域控制器和自动驾驶域控制器带来的效果是最明显的,会解决整车软件的升级、T化基础设施的建设以及自动驾驶全域功能软件的开发和升级。
参考链接
https://mp.weixin.qq.com/s/EyWK2D157Rd90YqAhQNIFQ
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