三十年前，汽車(chē)堪稱(chēng)機(jī)械工程領(lǐng)域的奇跡之作，但以如今的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，其構(gòu)造相當(dāng)簡(jiǎn)單。入門(mén)級(jí)汽車(chē)僅配有收音機(jī)和電子點(diǎn)火裝置。車(chē)窗升降器是手動(dòng)的。儀表盤(pán)上裝有機(jī)電式速度計(jì)和一些警示燈。電力通過(guò)儀表盤(pán)上的開(kāi)關(guān)直接從電池傳輸至前大燈。那時(shí)的汽車(chē)沒(méi)有防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)和安全氣囊，也沒(méi)有中央計(jì)算機(jī)。所有部件都使用模擬信號(hào)，并且相互獨(dú)立。

如今，車(chē)輛集成了數(shù)百種功能，其中許多功能是法規(guī)強(qiáng)制要求或消費(fèi)者所需求的。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，汽車(chē)制造商陸續(xù)安裝了電子控制單元(ECU)。每個(gè)系統(tǒng)（制動(dòng)、照明、信息娛樂(lè)等）均配備了各自的ECU、軟件和布線(xiàn)。隨著時(shí)間的推移，單輛汽車(chē)中形成了由100到150個(gè)ECU組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，并且這個(gè)網(wǎng)絡(luò)變得越來(lái)越復(fù)雜。

為了突破這種復(fù)雜性，汽車(chē)制造商開(kāi)始采用軟件定義汽車(chē)(SDV)架構(gòu)。SDV旨在實(shí)現(xiàn)軟件控制的集中化，從而簡(jiǎn)化功能的更新、管理和擴(kuò)展。然而，即使實(shí)現(xiàn)了這種轉(zhuǎn)變，若汽車(chē)制造商不重新考量車(chē)輛的物理架構(gòu)，底層的布線(xiàn)和分布式硬件仍可能成為系統(tǒng)瓶頸。

于是，區(qū)域控制架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，這是一種基于位置的現(xiàn)代設(shè)計(jì)策略，對(duì)SDV原則起到補(bǔ)充作用，并顯著簡(jiǎn)化了車(chē)輛系統(tǒng)。

什么是區(qū)域控制架構(gòu)？

區(qū)域控制架構(gòu)是一種范式轉(zhuǎn)變，它依據(jù)位置而非功能來(lái)組織車(chē)輛電子設(shè)備。不再為每個(gè)子系統(tǒng)配備專(zhuān)屬的ECU，而是在車(chē)輛的各個(gè)區(qū)域（如左前角、右后角或車(chē)艙內(nèi)）安裝區(qū)域控制器。這些控制器管理各自區(qū)域內(nèi)的本地設(shè)備，如車(chē)燈、開(kāi)關(guān)和傳感器。并非每個(gè)組件都運(yùn)行各自的軟件，而是由區(qū)域控制器充當(dāng)中心樞紐，負(fù)責(zé)配電和數(shù)據(jù)通信。

這些區(qū)域控制器連接到中央計(jì)算機(jī)，中央計(jì)算機(jī)中裝有定義車(chē)輛行為的核心軟件。因此，對(duì)于中央門(mén)鎖、照明或溫度控制，無(wú)需單獨(dú)的ECU，中央計(jì)算單元做出決策，區(qū)域控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行。

這種轉(zhuǎn)變用更簡(jiǎn)單、更易于管理的區(qū)域布局取代了數(shù)百條點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的線(xiàn)路，顯著提高了設(shè)計(jì)的清晰度和系統(tǒng)效率。

實(shí)施區(qū)域控制架構(gòu)的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)

盡管區(qū)域控制架構(gòu)優(yōu)勢(shì)顯著，但實(shí)施過(guò)程并非毫無(wú)挑戰(zhàn)。首先，并非所有邊緣模塊都可以完全去除智能功能。一些組件（例如先進(jìn)的照明系統(tǒng)）為實(shí)現(xiàn)性能、安全性或?qū)Ｓ泄δ埽孕枰镜靥幚?。一?jí)供應(yīng)商提供的這些模塊帶有內(nèi)置軟件，因?yàn)樗麄儞碛袑?duì)模塊進(jìn)行編程和控制的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

這給采用區(qū)域設(shè)計(jì)的SDV帶來(lái)了一項(xiàng)核心挑戰(zhàn)，即需在集中控制與本地化靈活性之間找到平衡。在許多情況下，汽車(chē)制造商負(fù)責(zé)處理中央計(jì)算軟件，而一級(jí)供應(yīng)商則管理所制造模塊的嵌入式軟件。實(shí)現(xiàn)純軟件的中央大腦是目標(biāo)，但往往需要做出妥協(xié)。

以太網(wǎng)在區(qū)域設(shè)計(jì)中的作用

傳統(tǒng)的ECU使用CAN和LIN等傳統(tǒng)通信協(xié)議，這些協(xié)議適用于獨(dú)立模塊，但在區(qū)域控制架構(gòu)中擴(kuò)展時(shí)會(huì)變得難以管理。這正是汽車(chē)以太網(wǎng)（特別是10BASE-T1S）發(fā)揮作用的地方。

10BASE-T1S是一種專(zhuān)為汽車(chē)應(yīng)用設(shè)計(jì)的低速（10 Mbps）多分支以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。它允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)（如前大燈、轉(zhuǎn)向燈和門(mén)鎖）共享一對(duì)雙絞線(xiàn)，減少了對(duì)昂貴點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的需求。

圖1. 10BASE-T1S 多分支連接示例

這種方法簡(jiǎn)化了布線(xiàn)，降低了成本，并利用了以太網(wǎng)成熟的生態(tài)系統(tǒng)（包括時(shí)間同步和錯(cuò)誤恢復(fù)功能），避免了100BASE-T1或千兆以太網(wǎng)等高速以太網(wǎng)的開(kāi)銷(xiāo)。對(duì)于低帶寬設(shè)備來(lái)說(shuō)，這些高速以太網(wǎng)是不必要的。

配電中的智能開(kāi)關(guān)

區(qū)域控制器不僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中繼，還為其所在區(qū)域內(nèi)的組件配電。這意味著它們?cè)谙到y(tǒng)安全和診斷方面起著關(guān)鍵作用。安森美(onsemi)的智能開(kāi)關(guān)功能遠(yuǎn)不止基本的電路保護(hù)。這些智能器件具備以下特性：

每個(gè)通道的電壓和電流監(jiān)測(cè)功能

支持ASIL B、ASIL D 等汽車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)

故障安全和故障運(yùn)行模式，即使檢測(cè)到故障，也能確保功能持續(xù)運(yùn)行

例如，在發(fā)生故障時(shí)，智能開(kāi)關(guān)可以降低功率、隔離故障，或進(jìn)入安全回退模式，而不是完全關(guān)閉前大燈等關(guān)鍵系統(tǒng)。這種洞察和控制能力對(duì)于更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

圖2.典型的區(qū)域配電架構(gòu)

區(qū)域控制架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

區(qū)域控制架構(gòu)在車(chē)輛開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)方面具有五大優(yōu)勢(shì)：

降低布線(xiàn)復(fù)雜性和重量：減少電線(xiàn)和連接器的使用，既減輕了車(chē)重，又縮短了制造時(shí)間。

降低材料和裝配成本：簡(jiǎn)化布線(xiàn)意味著制造成本降低，維護(hù)更加簡(jiǎn)便。

提高可擴(kuò)展性：通過(guò)軟件即可添加或更改新功能，無(wú)需重新設(shè)計(jì)硬件布局。

集中軟件控制：簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程，并支持無(wú)線(xiàn) (OTA)更新，這是 SDV的關(guān)鍵推動(dòng)因素。

更智能的功能協(xié)調(diào)：以照明為例。在傳統(tǒng)車(chē)輛中，要實(shí)現(xiàn)解鎖時(shí)前大燈閃爍，需要集成多個(gè)ECU。在區(qū)域設(shè)計(jì)中，中央計(jì)算機(jī)發(fā)送單個(gè)命令，然后由相應(yīng)的區(qū)域控制器執(zhí)行該命令，無(wú)需冗余布線(xiàn)或單獨(dú)的照明邏輯。

安森美助力汽車(chē)制造商向區(qū)域控制架構(gòu)轉(zhuǎn)型

區(qū)域控制架構(gòu)體現(xiàn)了車(chē)輛設(shè)計(jì)與制造方式的范式轉(zhuǎn)變。通過(guò)按物理位置對(duì)功能進(jìn)行分組，并利用基于以太網(wǎng)的通信，汽車(chē)制造商顯著降低了系統(tǒng)復(fù)雜性、布線(xiàn)成本和維護(hù)難度。

與軟件定義汽車(chē)的原則相結(jié)合時(shí)，區(qū)域設(shè)計(jì)為更快的創(chuàng)新、更廣泛的定制和更智能的診斷鋪平了道路。

借助10BASE-T1S、遠(yuǎn)程控制協(xié)議IC和智能配電等支持技術(shù)，安森美正在助力汽車(chē)制造商實(shí)現(xiàn)這一愿景，提供可擴(kuò)展、安全且高效的區(qū)域控制方案，以滿(mǎn)足現(xiàn)代出行不斷變化的需求。