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NXP:從座艙到軟硬體系架構 智慧汽車正在發生巨變

本文作者:馬蘭娟       點擊: 2021-12-31 15:30
前言:
世界銀行在2021年城市化報告中指出,全球55%的人口生活在城市地區,全球約80%的GDP在城市產生。他們預測,到2045年,另有20億人將在城市安家,人口超過1000萬的超大型城市在未來將會更多,經濟活動主體將集中在城市中。作為城市運轉的基礎,人員出行、貨物運輸都需要用到各種交通工具,各式汽車仍然是未來城市交通體系的最重要組成部分之一。

相較於受COVID-19疫情影響而開始數位化轉型的很多領域,汽車的數位化轉型要早得多了。20年前的汽車中,電子系統更多充當娛樂和輔助角色,如今,電子系統正在成為汽車的主要支撐系統,掌控著出行相關的各種關鍵資料。汽車電子系統占總體成本的比例在逐年上升,從1990年代的15%左右,到今天已經接近50%,在新能源汽車中,這一比例還會更高,汽車使用的電子系統日趨複雜和精密,功能愈發強大,且更加智慧。

與傳統汽車相比,正在數位化轉型中的汽車,在許多方面已經與以往大不相同:
ADAS和高度自動駕駛:能夠實現感測和思考的能力,同時確保車輛的安全運行。涉及射頻、雷達、視覺、安全中心計算能力。
車載資訊娛樂系統:提供新一代高性能的資訊娛樂系統,帶來更安全、更便捷、更愉快的用戶體驗。不斷升級的儀錶盤和車載資訊娛樂系統正在改變駕乘體驗。
汽車連接:支持汽車相互之間或汽車與基礎設施的交互,讓道路更安全、更環保、更高效。V2X通信、智慧路側通信單元以及車載閘道提升汽車連接能力。
車身與舒適:多功能和自我調整汽車功能,確保車上駕乘人員的安全和舒適。涉及到了電泵、電機控制和輔助設備及胎壓監測系統
動力與傳動:利用穩健而安全的汽車級解決方案,提高燃油經濟性和性能。針對電氣化趨勢:HEV/EV電源逆變器和電池管理系統為未來汽車提供高效經濟的動力和傳動系統。
功能安全和汽車資訊安全:功能安全和資訊安全計畫有助於實現無人駕駛,助力汽車電子領域的創新。

恩智浦半導體台灣區業務副總經理臧益群指出,更加安全的汽車仍然是首要目標。

全球每年有130萬人死於交通事故,ADAS和雷達系統正有效降低致命事故的發生。從L1到未來願景L5級自動駕駛,包括毫米波、雷射技術、圖像識別技術在內的多種感知能力,讓汽車能夠更快更早地預見事故,做出正確選擇。
 
恩智浦最新S32R294能夠支援級聯應用,適用於高速行駛中的車輛探測道路情況和控制車輛行駛,在一百公尺以外發現危險因素,應用包括防撞、變道輔助和自動緊急制動。S32R37專為短距和中距雷達應用而設計,應用包括側視和車身環繞感知、車道變換/保持輔助、盲點檢測和後方橫向交通提示。 
 
“恩智浦的目標是實現零事故的安全可靠行駛。安全的中央計算將是汽車全自動駕駛的關鍵。我們的解決方案融合了從多個感測器收集的車輛資料,可更準確地感知車輛周圍的環境,從而做出更好、更安全的決策。”臧益群表示

同樣是涉及汽車安全的技術領域,功能安全過去主要專注於車輛動力系統(如制動、底盤和動力系統控制),現已擴展到整個車輛應用範圍,從車身控制模組和電池管理系統(BMS)到區域和電機控制ECU全覆蓋。其中的核心是MCU作為主用安全和應用處理器或作為安全配套IC的作用。恩智浦創建了基於Arm® Cortex®-M7的32位S32K3 MCU系列,該系列產品具備強大的硬體安全功能和定制的安全軟體,可用於汽車和工業設計。

駕駛艙內的人機交互性能也同樣重要,智慧座艙是未來汽車的另一個重點目標。在智慧駕駛倉中,觸控式螢幕和3D儀錶盤取代了各個控制台和按鈕,集成式抬頭顯示器讓駕駛員能夠在正常實現區域看到重要資訊,前排乘客可以放便的使用顯示幕和高級資訊娛樂系統,最重要的是,增強的安全功能讓駕駛員在任何駕駛條件下都能注意到預警。安全顯示幕、攝像頭和音訊功能增強了在駕駛艙內的駕駛員監控能力。自動防故障裝置保證功能運轉不會間斷。

恩智浦的i.MX 8平臺是一款應用處理器,它具備的處理能力可驅動完整儀錶板的HMI。在典型的電子駕駛室應用中個,包括兩個恩智浦i.MX 8 QuadMax片上系統(SoC),這些SOC配備兩個Arm® Cortex®-A72內核、四個 Arm Cortex-A53內核、兩個Arm Cortex-M4F內核以及64位LPDDR4/DDR4 DRAM。此外i.MX其他系列的處理器為連接解決方案讓汽車能夠與雲端通信,讓汽車學習變得簡單,高級telematics服務讓駕駛員實現查看油量、制動液位、胎壓甚至最近的加油站資訊。

更大的改變來自于軟體定義汽車這一全新的概念,汽車內部的資料傳遞方式因此發生了革命性的變化。從過去的以控制器為中心,發展到現在的網域控制站階段,到未來的中央計算階段。 
圖:車輛架構轉型汽車軟硬體系統的變革:從邏輯重組到物理重組

如今的汽車配備了幾十個固定功能電子控制單元(ECU)和數百個感測器和執行器。通常,每一項新功能都有自己的ECU和一組通過CAN和LIN匯流排連接的感測器和執行器,但隨著汽車智慧化技術的演進,汽車內部的感測器和執行器數量越來越多,為每一項功能配備獨立的感測器和ECU系統,使得車輛成本和系統複雜度不斷攀升。

為了降低設計難度提升軟硬體系統的效率,從2015年開始,乙太網被引入車內網路,它實現了第汽車內部通信的第一次技術變革,將車輛體系結構從基於平面的CAN網路轉變為分層網路,分為資訊娛樂、動力傳動、先進駕駛員輔助系統(ADAS)和自動駕駛(AD)等多個功能域。

隨著軟體成為OEM差異化的主要驅動因素,硬體不再針對單一功能進行優化。下一代車輛將更像是車輪上的資料中心,硬體將成為靈活修改和適應軟體的共用平臺,周圍環繞著感測器和執行器。

軟體定義的汽車的大趨勢,正在推動汽車電氣架構向E/E(電子/電汽)體系結構方向發展。

應用程式處理資源將被分配,計算資源之間的資料通信將大幅增加。此外,先進的ADAS功能和日益增長的車載資訊娛樂需求將使車載網路(IVN)的資料容量緊張。不斷增加的資料流程量、ECU中不斷飆升的總體計算能力以及日益複雜的線束(及其相關的間接成本)構成了巨大的挑戰。

NXP看到到了汽車乙太網在新構建的車內網路中的巨大潛力,車內乙太網支援寬頻連線,具有高級控制功能和全動態視頻所需的延遲和可預測性。同時,它減輕了車輛重量,節省了電力,提高了效率,並實現了靈活的軟體升級和硬體模組化,還能使自動駕駛變得更加實惠。

E/E體系結構,將改變現在的按邏輯對軟硬體資源進行分組的方式,改為按物理屬性分組。功能不再與ECU關聯,而是與區關聯,單個特性可由不同ECU所提供的服務構成,而非一個功能對應一個控制器盒子,大大降低了ECU和感測器的數量,商業邏輯(Business Logic)放在車載中央電腦中實現。

E/E體系結構能夠保證功能在不同ECU或區之間的可攜性,有助於物理連接向邏輯連接進行抽象,新增功能不需要改變ECU和線束(降低拓撲複雜度、增加線束優化潛力),直接在車載中央電腦中添加就行,同時保證傳統的通信機制的可靠性。

例如:大眾汽車就計畫通過將其現有汽車搭載來自200個不同供應商的70個ECU“減少到三台中央車載電腦”來減少整車軟體的複雜性,從而為智慧化控制提供基礎。

但臧益群也指出,E/E體系結構這種顛覆性解決方案屬於智慧汽車的中長期目標,預計需要20年左右的實現才能成熟起來。
 

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