智能网联汽车车载单元系统设计

智能网联汽车车载单元系统设计

严鉴1,2,彭振文1,2 ,林春敏1,2

（1.厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建 厦门 361023； 2.福建省客车安全与节能技术企业重点实验室，福建 厦门 361023）

摘要：车载数据单元是一种可以装置在车辆中，用于收集和处理车辆及其行驶过程中相关数据的设备。这些数据可以包括车速、行驶路线、油耗、车载设备状态等。随着技术的不断进步，需要一套智能网联汽车车载单元用于满足功能日益增多的智能网联汽车的需求。

关键词：车路协同； 智能网联汽车

引言

随着国家对新基建的定义以及推广，未来市场将主要集中在5G、人工智能、工业互联网、物联网为代表的新型信息数字化基础设施，交通运输作为新基建主要应用场景将迎来新的机遇和挑战，而随着信息技术的飞速发展，商务客车的生产与应用也从单车智能时代向着车路协同全智能方向开始迈进。在智慧交通系统中，最关键的两个方面就是智能车载平台以及智能路侧平台的建立，而智能车载平台和智能路侧平台的核心就是智能车载单元和智能路侧单元。单车智能存在成本高、超视距、视野盲区、恶劣天气感知局限等问题，必须依靠车路协同才能解决。路侧单元强依赖于道路建设，投资大周期长。智能车载单元的部署是车厂利用自身优势从而实现车路协同产业化落地应用的一大关键环节。

一、整体设计

智能网联汽车车载单元系统融合5G（第五代移动通信技术）和C-V2X（蜂窝车联网）网络通信技术于一体，内置GNSS（全球导航卫星系统）和高精度定位模组，与车载CAN(Controller Area Network,控制器局域网络)总线直接连接，实现全面的车路协同。整个系统硬件框图如图1所示，由电源管理模块、系统主控制器、5G/V2X模组和其他外部模块组成。

图1 车载单元系统硬件框图

如图 1（系统框图）所示，车载单元系统提供了丰富的外设接口来扩展相对应的应用。从5G/V2X模组上直接引出一路千兆网口，提供高速的数据传输；系统主控制器扩展多路CAN和RS232接口来与其他设备进行通信，并进行应用数据的处理；TF（Trans-flashCard）卡最大可提供 256G 的数据存储能力，同时还能通过 TF 卡对设备进行本地固件升级；USB Type-A 接口可以外扩很多设备，例如U盘等，也可以通过U盘对设备进行本地升级。

由于车路协同的应用与全球导航卫星系统息息相关，因此将GNSS/RTK模块的串口主要引入到5G/V2X模组内，与系统主控制器之间通过串口连接作为预留；人机交互设备（HMI,Human Machine Interface）主要涉及到车路协同的各应用场景的显示，所以与 HMI 交互的串口也直接跟 5G/V2X 模块相连，与系统主控制器之间串口连接作为预留。V2X 模块直接输出各应用场景信息，不需要通过系统主控制器中转输出，可以有效降低显示时延和软件设计复杂度。

系统中引入一颗低功耗MCU来做电源管理功能，它与系统主控制器之间通过一路串口UART通信。采集系统主供应电源和电池的电压与温度，当电池充满电或者电池温度超出一定范围时，停止继续对电池充电，保护电池，延长电池的使用寿命。当电源管理模块检测到车辆停止供应主电源时，则通知整个车载单元系统进入相应的待机/休眠模式，减少备用电池的耗电，维持实时时钟时间继续工作。

系统的GNSS/RTK 定位模组的串口通过硬件跳接方式同时连接到系统主控制器和5G/V2X模组，系统定位应用程序可以根据实际需求选择系统主控制器实现还是5G/V2X模组内实现。

系统设计有硬件加密模块（HSM,Hardware Security Module），用于对车载单元的通信等进行加密，硬件模块内有加密储存空间，用于保存系统关键信息和秘钥。

二、系统电源管理

电源管理模块采集系统主供应电源和电池的电压与温度，当电池充满电或者电池温度超出一定范围时，停止继续对电池充电，保护电池，延长电池的使用寿命。

当电源管理模块检测到车辆停止供应主电源时，则通知整个车载单元系统进入相应的待机/休眠模式，减少备用电池的耗电，维持实时时钟时间继续工作。

同时，电源管理模块根据车辆ACC的状态，对车载单元系统的休眠和唤醒进行控制。

三、系统功能说明

车载单元系统各处理器模块实现的功能如表1-3所示。

表1  电源管理模块功能表

表2  系统主控制器功能表

表3  5G/V2X模组功能表

四、系统模式管理

    车载单元系统模式包含运行模式、休眠模式、静默模式、工厂模式和测试模式。

运行模式：系统各个模块都处于上电运行模式，具有5G联网和V2X通信等完全能力，是系统满负荷运行的模式；

休眠模式：GNSS定位模块下电，5G/V2X模组进入休眠模式，电源管理模块和系统主控制器也进入休眠模式；此时可以通过车辆ACC信号和系统实时时钟唤醒；

静默模式：GNSS定位模块、5G/V2X模组和系统主控制器下电，电源管理模块进入休眠模式，进一步降低系统的功耗；

工厂模式：车载单元系统工厂生产或者安装到车上时使用。进入该模式，可以写入车载单元系统和车辆的一些关键系统配置参数，如设备SN码、车架号等设备相关信息。退出工厂模式，系统配置参数等信息只能读取不能写入。

测试模式：该模式下可以对系统的特定功能进行测试，如蜂窝网络和V2X射频测试等。

五、启动运行时序设计

系统内部各主要模块的的启动运行流程如图2所示：

图2 启动运行时序图

六、系统软件框架

系统软件框架如图3所示，包含硬件适配层、系统组件、服务层和应用层。

图3 系统软件框架图

（一）硬件适配层

硬件适配层包含操作系统相关接口和硬件外设接口驱动。

操作系统相关的应用程序编程接口有：内存操作、任务、信号量、互斥量、消息队列、事件和定时器等。实现OS相关API供上层应用统一调用，上层应用调用时配置不同的相关参数。

硬件外设接口实现各个外设的初始化或者打开、发送或者写数据、接收或者读数据和反初始化或者关闭等API。实现的硬件接口有串口、串行外设接口、I2C总线和网络套接字等接口。

（二）系统组件

系统组件包含定位、V2X、网络、车身数据获取与控制、安全模块、特定协议和 系统等各个模块。

（1）定位：GNSS 基础定位和高精度差分定位，涉及协议有NMEA0183、Ntrip Client 和 RTCM；

（2）V2X：包含接入层接口、网络层和消息层协议实现；

（3）网络：5G 网络拨号和APN等管理、系统路由配置；

（4）车身数据获取与控制：车辆CAN协议（J1939）、特定串口通信协议；

（5）安全模块：证书申请、证书管理、安全存储、安全数据服务、密码运算和安全报告；

（6）特定协议：JT/T808 部标协议、人机交互通信串口协议、系统各模块之间底层通信协议等；

（7）系统：系统日志输出和存储、数据存储和惯性传感器模块。

（三）服务层

服务层包含系统管理、网络管理、V2X 危险检测算法、车联网服务和设备固件升级等各种服务：

（1）系统管理：负责系统运行模式调度、系统诊断接口实现等逻辑；

（2）网络管理：负责网络状态监控、掉线重新拨号等逻辑；

（3）V2X 危险检测算法：综合车辆位置信息、车身数据和 V2X 信息对车辆危险状况作出检测，危险检测包含目标分类、历史路径和轨迹、危险仲裁、路口匹配和地图匹配；

（4）车联网服务：负责与车联网平台通信；

（5）设备固件升级：实现本地和远程升级。

（四）应用层

应用层包含车路协同应用场景具体实现以及相关的人机交互服务。

七、总结

随着社会经济的飞速发展与工业化进程的加快，由汽车化社会带来的交通堵塞、能源消耗和环境污染等问题越来越严重。以“保障安全、提高效率、改善环境、节约能源”为目标的“智能交通系统”广受关注，车联网是实现智能交通的必要途径，车载单元系统是车联网的重要组成部分。

智能网联车载单元系统在硬件架构上，具备数据域功能，并采用高速通讯总线，相比传统车辆上ECU(Electronic Control Unit,电子控制单元)多与传感器独自对应的硬件架构上，总线结构得到简化，硬件集成化，功能集成化；

软件架构上，基于微服务架构的分布式场景开发方法，使得不同服务模块自由组合组成应用场景，方便单独部署、分布式管理和代码解耦，应用可以独立更新和扩展，降低硬件平台耦合性，提高软件可移植性。

智能网联车载单元系统除了实现车辆位置、CAN总线与以太网数据收集等基础连接和人车交互，还可以实现车联网3.0阶段的5G、V2X和车载传感器以及数据深度挖掘和智能交互的应用，满足车路协同、车载数据终端、智能驾驶等多功能的叠加，满足用户多样化需求。构筑人车路全域数据感知，为自动驾驶与智能交通提供泛在连接技术与端到端应用服务。

参考文献：

[1]GB/T 32960.2-2016, 电动汽车远程服务与管理系统技术规范　第2部分：车载终端[S].

[2]JT/T 794-2019, 道路运输车辆卫星定位系统车载终端技术要求[S].

资助基金：厦门市重大科技项目(项目编号：3502Z20221001 )