东软睿驰安志鹏:动力域控下的基础软件部署

NE时代新能源

阅读 2316    更新于2022-09-30 13:51:00

2022年9月21-22日,由NE时代主办,巨力自动化总冠名,巨一动力、中车时代电气、华域电动、上海电驱动战略合作,华为数字能源、智新科技生态合作的“2022(第二届)全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。

在22日的分论坛上,东软睿驰 NeuSAR 业务线产品总监安志鹏分享了动力域控下的基础软件部署,介绍了AutoSar的前世今生,也很完整地讲解了AP和CP的区别。

当谈到芯片更新的时候,往往会提到国产化芯片,尤其是今年电驱供应商受芯片短缺的影响非常大,也非常痛苦。设想了一下,有没有可能AutoSar将来也会出现继硬件之后的一种短缺呢?

以下为现场实录:

大家好,我是东软睿驰的安志鹏。我分享的标题分为四部分:第一部分电机控制器软件中的AUTOSAR架构和作用。第二综合来看电机控制器和AUTOSAR的发展历程。第三部分AUTOSAR AP和CP的主要区别。第四部分动力域控下AUTOSAR如何选择。

第一,电机控制器软件架构中的AUTOSAR。

传统的电机控制器软件开发模式都是这种非AUTOSAR的,大家耦合关系都很强。如右图,它没有一个标准的接口,很多都是公司里面比较有经验的架构师自己做的一套架构,不可能考虑得那么周全,有些接口有出入的话就会导致整个软件要重新返工要大改,非常繁琐,软硬件耦合太强,不利于大家分工协作。

AUTOSAR的好处是什么?引入AUTOSAR之后,软件和硬件是彼此独立的,它可以通过分层架构减少模块间的耦合,软件的复用度就会提高。“天下大事,分久必合,合久必分”。参照手机充电线行业,最开始手机充电线大家都是五花八门的,诺基亚是圆口的,摩托罗拉也有自己的格式,大家的充电线都有各自的格式,互相不通用,如果手机充电器没带,想借一个充电器不一定借得到,非常麻烦。后来统一之后,都做成了Mini USB接口了,总归“分久必合”。总有人觉得基于这个标准之上,自己能做得更好,所以就出现了“合久必分”的状态,比如现在有人做快充、Typ-C接口的充电器。汽车行业远远比数据线庞大得多,所以它的“分久必合,合久必分”战线会拉得更长。我们现在还是处在“分久必合”的阶段,大家都是在慢慢形成一个统一的标准阶段。

刚才几位零部件供应商也都有提到,它把控制器里面的软件分成了三层,一个应用软件ASW,第二个是RTE,第三个是BSW。其中BSW又分成服务层和驱动的抽象层,以及底层驱动。驱动谁来做呢?都是各个芯片厂商自己提供,原来这些芯片厂商提供的也是非AUTOSAR的,像SDK包,现在行业比较统一,所有芯片厂商包括现在崛起的国产芯片厂商,提供的底层驱动也都是这种AUTOSAR架构的MCAL。

所有这些做电机控制器开发的零部件供应商,核心是做最底下的硬件和上面的应用ASW,这两部分是零部件供应商的核心KnowHow,中间的BSW都是委外的,毕竟AUTOSAR BSW是一个标准的产品,自己去做没必要。

第二,综合来看电机控制器和AUTOSAR BSW的发展历程。

从电机的发展历程,先说功能上面。最初的时候电机都是单一的电机功能,仅仅是功能实现而已,而且很多都是在新能源汽车引入之后,才开始做电机控制器的,先前可能都不是汽车行业的,由工业转过来的,甚至有些是做电机控制器本体出身的,转来做电控,仅仅实现电机功能而已。随着中国汽车行业发展,很多车厂都有自己的企业标准,提出AUTOSAR要求,慢慢做电机控制器的零部件供应商会按照AUTOSAR来开发。就算应用不是遵循AUTOSAR的,至少基础软件会按照AUTOSAR来开发的,通信、诊断、网络管理等协议栈,按照车厂的规范是遵循AUTOSAR的。从原来传统的只有功能实现,到我加入这些协议栈,到加入车厂定制要求之后,负载率会非常高,因为电机的实时性要求很高,慢慢大家的应用就会用到多核,大家通过多核降低负载率。功能越来越多,实时性要求越来越高,就选择多核了,一个核专门跑AUTOSAR基础软件,匹配车厂的规范要求,还有一个核单独跑电机应用,因为电机控制器的实时性要达到微秒级别,所以很多客户就单独弄一个核跑电机控制器的应用,还有一个核大家会跑一些功能安全相关的监控、信息安全相关的内容,多个核分工协作。

再往后是这个行业慢慢推出了功能安全的概念,电机控制器被定义为功能安全件,必须有功能安全的要求,所以电机控制器里面增加了功能安全的内容。

再往后就是控制成本,选择了一个多核芯片做电机控制器,实时性各方面都能满足,但是资源有些浪费。单做一个电机控制器成本有点浪费,还可以集成一些别的功能,比如DC/DC可以集成,OBC也可以集成,还有其他的电驱相关的功能都可以集成进来,集成了多个控制器的功能应用,从而降低了控制器的成本。原来两个控制器才能完成的功能,现在一个控制器就可以应对。

再到做动力域控,现在行业在发展,大家都在谈SOA,都在谈中央域控、车身域控、智驾域控等各种域控概念,为了做SOA,很多做电机系统的零部件供应商都会规划做这种架构下的动力域控。

基于电机控制器,再看一下芯片的发展历程。最初做电机控制器的人选的都是工业级的芯片,我自己做AUTOSAR这一行做了十几年,最开始也是一个程序员出身。早期我跟很多客户合作的时候,它的芯片都不是车规级的,最开始用的是TI等工业级芯片,后来用一些英飞凌的TC21x、TC23x系列的芯片。再到后来需要多核、功能安全,慢慢发展到英飞凌TC27x、TC29x系列。再到后面大家要做多合一,像做三合一,甚至有人很激进的做八合一的,要求核的数量会更多,慢慢发展到基于英飞凌TC3xx系列。刚才诸多零部件供应商也都介绍了,他们都是用英飞凌TC3xx系列的芯片了。如今中国在推动国产化的浪潮,很多厂家为了解决保供的问题,选择国产芯片。国产芯驰的E3系列号称对标英飞凌TC3xx系列。

看一下AUTOSAR怎么发展的,AUTOSAR的CP版本,最开始仅支持CAN&LIN,后来增加了Flexray、CANFD,以太网、多核操作系统、功能安全、信息安全、OTA等等。CP 2006~2021年不断地更新,2017年的时候也分支出来另一个版本Adaptive AUTOSAR,加入了很多人工智能概念,计算会更大更强,大家需要AUTOSAR跑计算能力更强的SOC芯片。

AUTOSAR有这么多版本,有人说我是不是只能选择最新的版本,老版本不能选择?其实也不是,每个版本都有一个工作组,自己发布过的版本也会一直维护。刚刚诸多零部件供应商中,有的说是基于AUTOSAR 4.3的,有的说是基于AUTOSAR 4.2的,这些版本目前来说对电机控制器暂时也是够用的。AUTOSAR这些版本之间的差异,4.x的版本比3.x的版本多了以太网多核的操作系统,多了功能安全这些概念,而4.2、4.3、4.4的版本对于做传统控制器来说差别非常小。

电机控制器与AUTOSAR BSW怎么结合的?因为生态的推动。为什么他们要去结合?因为整个行业的发展。功能安全的概念里面要求软件要分层化、模块化、可配置,说白了这些就是让你去使用AUTOSAR。你不用AUTOSAR,自己弄一套标准出来也可以,但是你要过功能安全的时候,你的评估机构会评审你的软件架构,如果你说你的软件架构是AUTOSAR版本,它觉得这一部分你是满足的,可以不对你做任何评审。如果你说我的架构自己设计的,也能满足这些要求,它会让你提供各种各样的材料去证明。再看一下车企的发展,原来去车企推零部件很简单,告诉车厂我有这个,很多车厂让你装车试试看,能用就可以了,现在再想进车厂供应商体系,需要你提供一堆的资质证明和测试文档等各种各样的材料。不管是国内还是国外的车厂,现在规范都是AUTOSAR的,甚至有些领先的车厂给你下发的需求文档都是AUTOSARArxml的格式,不遵循AUTOSAR来开发,你连它的需求都无法解读,这是从最终用户车厂的角度来看,车企在推动AUTOAR。

再看芯片发展,不管是国内还是国外的芯片厂商都能够提供AUTOSAR版本的驱动MCAL,都是根据当年这款芯片问世的时候,AUTOSAR发展到哪一个版本,芯片厂商开发对应AUTOSAR版本的MCAL。

类似于互联网支付,现在用现金支付也行,但是随着行业发展,配套设施都齐全了,大家更愿意用微信支付宝来付款。现金支付,还得确认你给我的钱是真还是假,但是微信支付宝就不需要了,转出去的钱就是真钱,不可能有假。如今也是这样,整个汽车电子行业推动我们去使用AUTOSAR。

很多电机控制器是什么时候跟AUTOSAR结合的呢?大部分都是在2017~2018年开始使用AUTOSAR。因为也是这个时候行业推出了功能安全,以及大规模的AUTOSAR的量产案例从国外传到国内。

第三,AUTOSAR AP和CP之间的区别。

AP的出现有两大技术驱动力,首先是通信速率。车子里面的通信数据量和速率要求越来越大,越来越高,从原来的CAN,扩展到以太网。传统的都是CAN的点对点的通信模式,以太网可以支持基于服务的模式。原来AUTOSAR CP都是基于CAN设计的,最早的时候没有以太网,随着行业发展,有了以太网之后,AP里面对以太网的应用做得更好,像电脑、手机行业。

第二是计算能力。比如自动泊车、环境感知、路径规划等等这些高级功能,对处理器的算力要求远远高于现在多核的。不管你有多少个核,因为AUTOSAR CP是跑MCU的,内核架构的算力是远远不足的,哪怕通过一些核来叠加,还是达不到大算力计算的要求,所以不得不使用大算力的SOC芯片。

如图所示是电子架构变更。最早的时候,是最左边的第一个图,都是分布式的,每个控制器都有自己独立的功能。发展到近几年,大家都想做域集中式的,每条总线上分布1个域控。再到当前比较热门的整车集中式架构,就是第三个图。这种架构有一个核心的中央域控,再挂几个区域控制器。有的一拖三,一个中央域控,加一个动力域控、智能座舱、智驾域控,也有人一拖四,每个车企架构不同。这种架构有一个好处,它有一个中央计算平台,它是一个最高决策层,这样可以更好地支持SOA。好比一个班级,最开始有老师一个人统一管理,班级里面大概只有20个学生,老师也管得过来,但是慢慢地班级越来越大,学生越来越多,就像车上控制器越来越多,老师管不过来了,怎么办?要分组,分五个组,每个组里面有一个组长,帮我一起管理。慢慢地功能越来越多,甚至组长都管不过来的情况下,就成立一个中央域控,好比选一个班长出来,然后再管组长,组长再管下面。这对于老师来说管理就非常方便,直接跟班长(中央域控)对接就可以了,更容易管理(实现SOA),而不用像原来那样分散管理。可能未来就是第四种,也许还在遥远的将来,如果有芯片发展到既能保证高实时性,又能保证大算力的情况下,一个中央电脑就可以了。

如图所示是CP的详细软件架构图,最底下是芯片的MCAL驱动,然后是基础软件BSW,再是RTE,再是应用软件ASW。如图所示是AUTOSAR的AP架构图,下面跑的都是非实时性的操作系统,上面跑一些AUTOSAR协议栈,再上面是客户的APP。

这个图所示是AUTOSAR官方它把CP和AP做了一个简单的对比。

  • 硬件上

它们俩的区别,CP一般运行在8位、16位、32位上面,算力都是比较低的。AP的AUTOSAR至少运行在64位的高性能处理器MPU和CPU上。AP AUTOSAR一般几个tops,现在也有几十、几百个了。AP的AUTOSAR还可以运行在虚拟机上,编程语言上CP更多的是C语言,相关标准是MISRA C。AP更多是基于C++的,代码执行CP是ROM上跑的,AP是基于RAM上跑的;地址空间CP是固定的,AP可以有虚拟的地址空间。

  • 在基础软件上

CP基于OSEK,AP基于POSIX OS。CP都是静态配置,AP可以动态配置,CP任务调度周期可以达到微秒级别,可以满足电机控制器实时性的要求,但是AP AUTOSAR都是毫秒级别的,都是几十、上百个毫秒,实时性没有那么高,它是一个软实时的。通信方式,传统CP主要基于CAN和Lin的,基于以太网的话,也是静态配置好的,而不是真正面向服务的,但是AP是可以的。功能安全,CP会更好,CP可以支持到功能安全ASIL-D,但是AP可以支持ASIL-B的等级,CP相对成熟,它有Safetylib、E2E、OS SCW支撑,但是AP还在不断完善,基于功能安全相关的还在补充。应用领域,CP AUTOSAR应用在对实时性要求高、对功能安全要求高、对算力要求高的场景中,如引擎控制、制动系统等传统ECU。AP的AUTOSAR一般应用在对实时性要求不高,对功能安全要求也不是很高,对算力要求非常高的场景,像自动驾驶、智能座舱、中央域控等新型的控制器上。

功能配置方面,CP是静态配置,AP可以动态配置。比如智能机,你想装什么应用都可以后装,可以动态加载。现阶段AP和CP互相补充,也不会说谁取代谁,做车机的人都是1个MCU+1个SOC,域控都是用多核异构的。

第四,动力域控下AUTOSAR如何选择?

汽车的电动化、网联化、智能化成为汽车行业发展的主流和趋势。电动化催生了电机控制器,网联化和智能化催生了Adaptive AUTOSAR。电机控制器的发展趋势是动力域控,AUTOSAR也发展出了AP,动力域控该继续使用CP,还是跟新鲜事物AP结合?我们要看动力域控的特点,动力域控实时性要求高,功能安全要求也高。动力域控跟网联化、智能化关系不大,也没有大量计算,也没有大数据需要传输,也没有算法需要处理,这些要求它都没有,所以动力域控还是更适合在MCU里面跑AUTOSAR CP。

很多零部件供应商之前都在电机控制器上,已经购买并使用过AUTOSAR CP,原来的AUTOSAR CP是否够用?是否需要升级?最新的R21-11版本里面,基于Classcic AUTOSAR增加了一些新特性,像Memory Stack重构支持新的使用场景,不仅用于存储非易失数据,还考虑到OTA刷新等应用场景,它简化了硬件驱动层,原来都是简单的架构,现在把它分成了BNDM大数据管理的,还有OTA的,动力域控将来会不会做OTA?肯定也要做,新版本对我们来说也是有用的。

再看一下CP灵活性。当ECU融合度越来越高,一个大ECU集成了诸多传统控制器的功能,ECU软件越来越复杂,且由多方合作开发。大家各自做好以后,最后整合到一起,能顺利地整合不容易,可能比较难,因为很多地方需要大家去协同,CP灵活性功能主要思想在于,其中的软件可以划分成不同的Cluster,支持单独的软件构建和更新(分包刷写)。AUTOSAR架构里面又加了中间两层,更独立,更好地实现应用软件和基础软件的隔离。

早期的AUTOSAR版本慢慢也不能满足动力域控的需求,像OTA、多功能整合场景,需要选择最新的AUTOSAR版本更适合。AUTOSAR的版本升级费用,各家商务策略不同,大家可以各自了解一下。

最后介绍一下我所在的公司及我自己,目前我在东软睿驰负责所有的AUTOSAR业务,我2008年毕业,做了八年的AUTOSAR BSW程序员,跑了七年市场,工作15年,大家如果有AUTOSAR方面的问题,或者有AUTOSAR业务需要,可以跟我联系。分享就这么多,谢谢大家的聆听!

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