车载以太网网络管理之UdpNm

智能汽车电子与软件 2023-06-05 17:01 951浏览 0评论 0点赞

双天线智能切换+多协议并发传输方案详解 电子元器件采购与技术方案，工程师专属平台

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来源：九章智驾张萌宇

在汽车产业向智能化转型的过程中，汽车的开发模式、消费者对车的认知，以及汽车销售的商业模式都在发生着颠覆性的改变。传统的电子电气架构已经越来越无法适应现如今消费者对汽车智能化的要求。

工程师在传统电子电气架构上开发新功能时，耗时长且迭代难，此外，工程师在开发时还需要考虑种种限制条件并且要针对不同车型做定制化开发。

△传统电子电气架构的痛点

为避免上述问题，越来越多的车企倾向于选择区域接入+中央计算的SOA架构。华为在这次上海车展前夕发布的iDVP智能数字底座，便是这样一套满足区域接入+中央计算标准的SOA架构。

1. 华为iDVP智能汽车数字底座的结构与预期功能

△整车层次示意图

在底盘等机械硬件之上，华为将整车分为几个层次，从下往上依次为硬件平台、软件平台、应用生态以及车云，如上图所示。

iDVP包含硬件平台和软件平台两部分，其中，硬件平台是指计算与通信架构基础硬件平台，软件平台又分为操作系统、基础管理框架以及SOA软件框架。为方便用户在iDVP上开发软件，华为还开发了配套的工具链，如下图所示：

△iDVP结构示意图

1.1

计算与通信架构硬件平台

计算和通信架构平台负责设计车辆的计算和通信方式，目前主要包括星型组网和以太环网，如下图所示：

△ 通信架构示意图

VDC代表智能车控域控制器，MDC代表智能驾驶域控制器，CDC代表智能座舱域控制器。域控制器可以通过VIU连接到传感器和执行器。

在星型组网中，VDC通过以太网和分布于车身的VIU相连，从而控制车身上的传感器和执行器，MDC和CDC通过连接VDC来控制传感器和执行器。

在以太环网中，各个域控制器和VIU均通过以太网有直接的连接，并且VIU可以组成一个环状网络，某一段网络断掉时还有备份路线，通信的可靠性和安全性更能得到保障。

1.2

操作系统

操作系统包括VOS和AOS。

VOS：智能车控操作系统，可以支持存量应用平滑地从CP向AP迁移，并且可以在多核部署的同时保证应用对多核无感知，还支持数字孪生和整车OTA。

AOS：智能驾驶操作系统，支持车规级安全，具备丰富的AI原生开发库，可以提高模型化仿真、验证、智能驾驶开发的效率。

1.3

SOA软件框架

SOA软件框架包括了设备抽象层和原子服务层，方便用户在iDVP上开发软件。

根据4月16日华为智能汽车解决方案发布会上的信息，华为的SOA架构涵盖了车身域、动力域、底盘域、智能驾驶域，以及热管理域，相关的应用均可以在SOA架构下实现。

1.3.1 设备抽象层

据华为方面的设计理念，设备抽象层对传感器、执行器、Legacy ECU 等硬件资源进行抽象，通过API向上为服务提供设备访问接口，屏蔽设备功能实现差异（硬件差异&厂家差异），减少定制化与重复劳动。工程师在开发相关功能时，不用考虑硬件设备的电气参数差异，直接调用相应接口即可。

例如，当工程师需要调用电机时，只需要输入“转动方向”，“转速”的参数，然后调用电机的接口就可以实现对电机的控制，而无需了解及考虑电机的控制电气信号差异性。

根据4月16日华为智能汽车解决方案发布会上的信息，目前，华为已经开发了符合中汽协SDV标准的300+个设备抽象API。设备抽象服务涵盖了车身域、热管理域、动力域、底盘域等，而可以提供抽象服务的设备包括了电机、按钮开关、继电器、车灯、温度传感器等各类执行器和传感器。

△SDV设备抽象API

1.3.2 原子服务

原子服务将硬件设备的基础动作封装成API，从而给上层应用提供最基本的操作单元。如此一来，硬件设备和软件端口就可以实现解耦。例如，调整车窗的车窗开度，打开车窗，关闭车窗，停止开启或关闭车窗，在原子服务里都会根据基础操作封装成一个个接口。

根据4月16日华为智能汽车解决方案发布会上的信息，目前，华为已经开发了符合中汽协SDV标准的400+个原子服务API，服务涵盖了车身控制、交互域、运动控制、能量管理、智能驾驶域等各个方面，包括了车门服务、雾灯服务、通风服务、座舱温控等各类服务，方便工程师在开发软件时调用。

△SDV原子服务

1.4

基础管理框架

基础管理框架主要负责分布式通信、整车OTA、功能安全、诊断等基本功能。

1.5

工具链

工具链可以提供车辆软件开发过程中的工具，匹配软件开发工作流程。

按照工作流程，工具链产品可分为：整车级架构设计工具——包括iDVP API服务定义库、iDVP SWC工程库、iDVP网络拓扑库等，主要用于整车级的服务化设计；然后是模型化开发工具——包括iDVP底软配置工具包、iDVP行为模型库等，主要用于模型化开发与配置；最后是数字底座仿真器——包括时序分析工具等，主要用于整车级的服务化验证。

△iDVP工具链

2. iDVP的优势

在4月16日的华为智能汽车解决方案发布会上，iDVP被称为是软件定义汽车的“黑土地”，在软件定义汽车时代，iDVP可以大幅提升软件开发的效率，平衡用户体验的基础一致性和个性化。那么，iDVP有哪些优势呢？

2.1

区域接入+中央控制架构，提升架构灵活性

iDVP采用区域接入+中央控制的架构。在这样的架构下，整车ECU可以减少20～30个，节省约50w的功耗。

△iDVP典型架构

如上图所示，车辆上一般会部署VIU，车上的传感器和执行器会连接到VIU上，然后域控制器就可以通过VIU对传感器和执行器进行统一控制。

在区域接入+中央控制的架构下，OTA较为简单。相比于在分散的ECU式架构下，在iDVP架构下，整车OTA可以节省约50%的时间。

而且，中央控制之后，车内的空气质量、温度等信息都可以通过传感器传到车身域控制器，然后进行集中控制。集中控制的好处是跨域的应用会变得非常容易，如果某个应用既包括了热管理系统也包括了车身域，我们不会被跨域调用困扰。

另外，iDVP对执行器和传感器采取就近接入和二次智能配电的方式，可以节省20～30%的线束，有助于车身减重。

同时，iDVP引入高速以太环网，能够把百兆级的网络提升到千兆级，提高数据传输效率。

除此之外，有了合理的分层方式，SOA服务化的标准接口，整车软件的复杂度大大降低，各个软件的开发模块单元可以分工协作，软件迭代的速度快，质量也更容易得到保障。

2.2

软硬解耦，方便扩展，开发效率提高

iDVP将汽车的电子电气架构按照层次分类，实现软件和硬件的解耦，提高了开发效率。

分层之后，各个分支的软硬件之间的耦合性大大降低，工程师不用担心“牵一发而动全身”的问题。未来不管硬件如何改变，都不会影响到软件，每个层之间没有必然联系，任何一个层的变化只会影响相邻层，不会影响不直接相邻的层。

软硬解耦之后，工程师只要对硬件做好适配工作，就可以很方便地调用这个硬件，然后做应用开发。甚至于，假如硬件厂商按照中汽协SDV工作组的标准接口的要求做好硬件的标准化，届时，厂商生产出的硬件就可以直接接入iDVP的架构，而无需再做适配。

华为在设计原子服务层和设备抽象层时，遵循中汽协SDV标准规范定义，这样可以适应更多厂商的开发习惯，方便不同的硬件设备厂商接入。

假如软件供应商按照SDV标准来开发软件或者硬件设备生产商按照SDV标准来生产硬件，可以省去很多适配工作。

在实践中，工程师需要实现新功能或更改某个功能时，基本只需要在应用服务层对原子服务做一些组合或者对组合的方式做一些更改，偶尔需要兼顾一下硬件适配的问题，而无需改变原子服务之上的架构。

在传统的基于信号开发的架构下，假如车企希望将座椅从a型号更换成b型号，那么一系列的架构都需要相应地改变，包括通信矩阵、接口等，而在iDVP平台下，工程师只需要在设备抽象层做一些适配就可以完成座椅更换工作。

此外，iDVP架构是跨车型适用的，基础应用在不同车型上的复用率较高。

对于不同车型的可以采用相同的电子电气架构，差异主要在于硬件配置以及应用服务，更上层的设备抽象、原子服务、基础软件等几乎没有差异，因此工程师可以复用已开发好的基础应用，那么开发的工作量就可以大大节省。

假如一个车企在同时开发多款车型，在车型a的开发中，它已经实现了一些设备抽象和原子服务，那么在车型b的开发中，这些设备抽象和原子服务都可以直接复用，已经开发好的功能也可以复用，额外的工作量主要来自于硬件的适配以及新功能的开发。

采用iDVP的开发方式，车企可以把新功能的开发周期从几个月甚至一年缩短到一个月。

2.3

数据通信网络可靠性高、性能好

根据4月16日华为智能汽车解决方案发布上的信息，借用华为过去30年的ICT的通信经验，iDVP智能汽车数字底座基于全自研的高可靠的以太协议栈，可以实现数据的全速率可靠传输，且数据传输过程中没有丢包、震荡、拥堵等问题。传统以太协议栈在车上应用时可能出现的启动慢、抖动时间长导致网络拥塞等诸多问题，在华为自研的以太协议栈上可以得到明显的改善。

此外，业务调度引擎可以保证通信处理数据低至30us的稳定时延。

基于高性能的通信引擎，iDVP可以基于业务需求灵活分配系统的算力资源，来保障系统的性能。

2.4

车控功能安全可靠

车控功能的安全主要依赖于架构的可靠性以及网络安全。

2.4.1 环网倒换和最小系统保障架构可靠

华为推荐用户将VIU的通信链路设计成环网模式，有利于保障通信链路的安全，因为环网比较容易快速倒换。

正常情况下，数据在通信网络中顺时针传输，假设某段网络突然断掉，在这段网络断掉后，系统可以立马检测到故障（一般来说是20毫秒内），然后数据可以很快变成逆时针传输。如此一来，正常的通信仍然可以得到保障，而且不会丢包。

△通信链路示意图

VDC和一个VIU可以组成一个最小系统，也就是说VIU上备份了与之连接的VDC的最基本的行车安全功能。

假如行车过程中出现一些故障，例如通信线路断掉、突然断电、车辆物理受损等，那么VDC无法给VIU发送指令。此时，VIU可以在几十毫秒内把最基本的行车和安全相关的内容接管过来，保证车以一定的时速平稳运行，驾驶员可以选择靠边停车，或者以一定的时速将车开到维修点。

另外，iDVP采用了二级配电的方式，并且用cmos取代了传感器的保险丝和继电器。传统情况下，当电路过载或者短路时，保险丝会熔断，此时工程师只能更换保险丝来使得车辆恢复正常状态，而采用cmos后，当电流电压恢复平稳以后，线路会自动复原，不需要手工维护。

此外，采用cmos后，故障诊断的时间大幅缩短，保险丝的诊断时间一般是毫秒级甚至是秒级。当电流突然变大时，保险丝不会马上烧掉，而是会在高电流状态持续一段时间，温度达到一定高度之后才会烧掉。而cmos方案下，只要电流超过了一定范围，相应线路就会自动断开，从而保护其他电流正常的线路，而且这个反应时间是微妙级的。

2.4.2 网络安全

针对网络安全，iDVP也有相应的对策。

iDVP有三层防御能力，针对车外网络，iDVP通过设备认证，安全服务，安全协议等技术，防止黑客从车云批量攻击车辆，提升远程操控指令操作的安全性；针对车内网络，iDVP有车载信任环，防止假冒件/水货接入车内网络后触发错误行车动作，规避驾驶安全隐患；针对车身部件，iDVP采用一车一授权的方式，确保车身部件都是正版，实行部件级的安全启动和升级。

3. 华为与客户的合作模式

有了iDVP的平台，车企可以聚焦于和用户体验直接相关的应用层，迅速开发新功能，满足用户对智能化的需求，在软件定义汽车时代更好地服务用户。

那在实践中，车企等客户如何与华为合作，让iDVP给自己赋能呢？

车企可以采用平台模式——华为提供基础管理软件和设备抽象，车企自己开发原子服务和应用软件；也可以采用共创模式——华为提供基础管理软件和设备抽象，车企和第三方共同开发原子服务和应用软件；或者直接采用全栈交付模式——华为提供包括基础管理软件、设备抽象、原子服务、应用软件等全套服务。如下图所示：