手把手带你设计一款中央计算的软件定义汽车架构

智驾最前沿 2023-04-18 08:45

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软件定义汽车离不开未来的中央计算架构，二者是相辅相成的。

上图是德州仪器构思的中央计算架构，笔者设计了一个车辆中央计算架构，对于车辆计算中心选择两片英伟达的Orin，一片侧重于ADAS，命名为Orin A，一片侧重于座舱，命名为Orin B。

上图是瑞萨的中央计算架构，因为瑞萨没有最擅长的MCU，所以只画出了MCU和中央计算中心（服务器）也就是包含了AD/FAS智能驾驶服务器和IVI座舱服务器。对于Zonal模块，就是传感器、致动器加网关，交换机加MCU实际就是网关。对于那些主要是CAN网络的部分，交换机就不需要了，CAN网络没那么复杂，以太网网络的部分则需要以太网交换机。

以太网交换机选择Marvell最新的第三代符合功能安全的汽车以太网交换机88Q5112，这是一个9口以太网交换机。内部集成了6个物理层，包括3个100/10BASE-T1(S)，两个1000/100BASE-T1，一个100BASE-T1/TX。可以对应5个Zonal ECU外加一个诊断OBD。诊断OBD用1000Base-T1。目前除了智能驾驶和座舱，都用不到100Mbps的带宽，Zonal主要还是车身和舒适性网络。底盘和动力传递用CAN、CAN-FD或Flexray足够了。

上图是88Q5112内部框架图，对TSN支持比较丰富，包括802.1AS-2020，802.1Qat / Qav / Qbu / Qbv / Qci / Qcr，还有确保安全性的802.1CB。

上图为两颗Orin的摄像头输入图，Orin最多输入16lane MIPI CSI-2，此外还有C-PHY和D-PHY做虚拟通道，800万像素需要占用4lane，低于200万像素1lane即可，超过200万就需要2lane，保险起见，200万像素用2lane，所有传感器型号仅供参考。智能驾驶部分，前主摄像头可以用三颗250万像素摄像头对应短中远三个距离，或者用一颗800万像素，或者用两颗250万像素做立体双目。其余4-6颗都用250万像素或200万像素摄像头，目前对应200万像素以上的解串行芯片只有ADI的MAX9296，加串行是MAX9295，完全垄断市场。MAX9296有1.5G、3G、6G三档可调，最高可对应1600万像素输入。

电子倒车镜又叫Camera Monitor System或E-mirror，就是用屏幕代替倒车镜，也需要两路视频输入，由于显示屏小，100万像素分辨率就已足够了，这个显示屏可以添加ADAS功能，因此归到ADAS系统里。

座舱领域视频输入主要有360环视、AR导航和驾驶员监测DMS。360环视采用比较先进的200万像素摄像头，4合一输出到MAX9286。AR导航也不需要太高分辨率，130万像素就足够。DMS目前有朝高分辨率方向发展，还有导入ToF摄像头的趋势，这里暂定200万像素。

摄像头数据也可以用以太网传输，RAW10格式30fps下的200万像素摄像头码率大约是0.6Gbps，如果是RGB888格式，码率大约1.44Gbps，800万像素码率大约5.7Gbps，目前最高有对应10Gbps的以太网物理层芯片，传输800万像素完全不成问题。高分辨率摄像头一般都是RAW8或RAW10格式输出，低分辨率一般是YUV422格式输出。以太网传输的好处是可以用单对非屏蔽双绞线即可，MIPI CSI-2是需要同轴电缆传输。以太网连接器的成本也要明显低于MIPI CSI-2的连接器。以太网也方便用TSN做数据整形、流量控制等动作，连接以太网交换机路由的方式交换通信也比MIPI CSI-2更加灵活。以太网物理层芯片的成本也低于解串行芯片的成本，但高于加串行芯片的成本。以太网的缺点是调试异常复杂，调试设备价格非常昂贵，大多数工程师都不熟悉以太网的调试。

以太网也可以桥接摄像头，如Marvell的88QB5224。

如果SoC的MIPI CSI-2接口用完了，但仍然必须接入摄像头，这时就可以考虑以太网桥接，如上图。88QB5224支持IEEE802.3ch标准，最高支持10G，接入4个200万或250万像素摄像头是没有问题的。

上图是激光雷达与毫米波雷达传感器输入簇。

激光雷达可能需要1-3个，1个主激光雷达，考虑到激光雷达技术进步，因此预留了足够的带宽余地，最高支持10Gbps，也就是相当于1200万像素摄像头的分辨率，当然激光雷达是3D的。目前任何类型的激光雷达1Gbps的带宽就足够。辅助激光雷达通常是补盲，分辨率很低，100Mbps的带宽就足够，角雷达一般是毫米波雷达，目前多用CAN-FD输出，不过Orin要支持CAN-FD会比较麻烦，所以就也用以太网，角雷达一般也支持以太网输出，通常带宽10Mbps就足够。4D毫米波雷达输出数据量大，用100Mbps带宽也足够。最后的控制底盘的MCU选择英飞凌最新的TCC4XX系列，带宽1Gbps足够。

Marvell的88Q4364，它和博通的BCM8989X是目前唯二支持10G 车载以太网的物理层芯片。

88Q6113是Marvell最新的第三代11口以太网交换机。

上图是88Q6113内部框架图，TSN方面支持802.1Qav/Qbv、802.1Qat、802.1AS。

上图为Orin B的视频输出簇，Orin的显示输出只有一个就是DisplayPort(DP) 1.4a，也可以配置成HDMI输出或eDP输出，不过Orin有多达7个USB输出，包括3个USB3.2和4个USB2.0，USB和DisplayPort是可以轻松转换的，再将DisplayPort转换为其他格式，目前高分辨率显示屏基本都采用DP或eDP输入，不过车载领域主要还是LVDS，发展方向是eDP输入，如目前的2K或4K车载OLED屏就是如此。这就省了不少格式转换，DP也可以转换为LVDS，如谱瑞的PS8625，最高带宽2.7Gbps，最高分辨率1920*1200，顺便说一下这就是特斯拉用的芯片。USB2.0的带宽比较低，只能做后排的小屏，分辨率大概1280*720的水平，做AR-HUD也是足够的。USB3.2是足以支持2K分辨率的。以Orin强大的GPU能力，输出5个2K屏显示应该还是比较轻松的。Orin A也需要3路视频输出，一路传输到中央显示屏CID，可以手动切换信号源，用Orin A的DP输出，另外两路就是电子倒车镜，用Orin的USB3.2输出，转换为LVDS即可。

座舱的音频部分可以参考ADI的设计，这是顶级座舱音频，还包含了主动车内降噪和路面降噪，音质要好的一个重要前提就是车内噪音要低。HeadUnit就是Orin B，老旧的MOST总线需要使用光纤，非常麻烦，已经被时代遗弃了。图上还少了一个到T-Box做E-Call的分支。

上图是座舱部分的外设，一般来说SoC的PCIe端口接蓝牙与WiFi无线模块的PCIe，不过两个Orin会占用最高等级的PCIe，此外板对板有时候也用PCIe连接，因此多设计一个PCIe转以太网的MICROCHIP的LAN7431，以太网交换机选7口的88EA6321，Orin的USB接口被占用不少，因此需要添加一个USB HUB，选MICROCHIP的USB4914，座舱的MCU还是选择瑞萨的S4或传统的RH850。USS是超声波传感器，超声波传感器一般使用DSI3总线连接，1主11从。超声波传感器系统与Orin连接可以用UART+SPI，这是比较麻烦的。

NVIDIA DRIVE 6.0的网络拓扑Safety模式

最后放上英伟达最新自动驾驶系统DRIVE 6.0的网络拓扑图以供参考。DRIVE 6.0的网络拓扑有两种，一种是BASE，另一种是Safety，上图就是Safety模式。Safety模式下以太网交换机的CPU被绕开，所以不支持OTA。同时最大MTU尺寸从16k减少到1500byte。这里的Tegra就是Orin，Aurix是英飞凌TC397T。这里的以太网交换机1是Marvell的88Q5072，以太网交换机2是88Q6113。LAN7431是Mircochip的PCIe转以太网的芯片。Safety模式为了安全，牺牲了一些交换机性能，因此多加了一个高等级以太网交换机88Q6113，实际一个88Q5072就足够。