宝马新一代电子架构于2016年初开始设计,2018年9月正式量产,大量使用以太网和域控制器,设计先进程度远超更晚设计的特斯拉Model 3。
上图为宝马新一代整车电子架构图。KOMBI:仪表。DCS:驾驶员状态监控系统。TCB:即T-box。RAM:音频接收系统。Booster:高级音响系统。RSE:后座娱乐系统。TRSVC:360环视。KAFAS:前视三目ADAS系统。FRS:前雷达。FRSF:前长距离雷达。SAS:ADAS域控制器。SRSNVR:前右侧雷达。SRSNVL:前左侧雷达。HRSNL:后左侧雷达。HRSNR:后右侧雷达。PMA:自动泊车系统。DSC/VIP:制动执行器。WCA:无线充电。ZGM:中央网关。ACSM:被动安全控制器。FLEL:前左灯。FLER:前右灯。EGS:电子变速箱控制。灰色代表以太网节点,深红色代表Flexray节点,橙色代表CAN节点,CAN总线再分为本地CAN、K-CAN和PT-CAN。K是Kommunikation的缩写,即德语的通讯,跟英语的Communication差不多。PT是PowerTratin缩写。K-CAN5连接FBD(遥控接收)、无线充电和NFC。K-CAN4连接FZD(车顶功能中心,包括基于TOF相机的手势识别系统)、Headunit、TCB和RAM。K-CAN2主要是座椅和拖车系统。K-CAN6为车灯控制。本地CAN主要是毫米波雷达与控制器之间连接。PT-CAN分两路,一路是仪表到BDC,DME,发动机管理系统到BDC。另一路主要是变速箱和NVE夜视系统。BDC,车身域控制器;
Headunit即MGU,座舱域控制器;
SAS(选装设备),即ADAS域控制器。
每个域控制器核心是以太网交换器和网关,在360环视也就是TRSVC里,也有一个以太网交换器。宝马用的以太网交换器由博通提供,型号可能是BCM89501(2011年)或BCM89531(第二代,2015年),特别支持802.1AS协议,即精准时间同步协议,这也是TSN网络的关键部分。反观特斯拉用的是针对车载娱乐系统的EAVB(起自2005年,2012年11月EAVB取消,改为TSN)系统,使用EAVB交换器88E6321,没有802.1AS,这本是Marvell LINK-STREET系列中特别分出了一个针对汽车音视频娱乐应用的EAVB系列产品。宝马底盘系统用的Flexray总线具备安全备份、时间触发功能,安全性也远在特斯拉用的CAN(无备份,事件触发,低可靠性)总线之上。
上图为宝马新一代座舱电子架构,即第五代MGU(Media Graphics Unit), 其Headunit,宝马内部代号HU-H3。以欧美市场为例,早期宝马的中控或者说Infotainment将导航与基础功能分开,1、2、3、4系列和X1、X2、X3、X4系列目前仍然如此,入门车型不带导航。高端的5、6、7和X5、X6、X7和8系列是合二为一。宝马自2001年导入操作系统idrive,简称ID。
第五代MGU有了重大改变,放弃了QNX操作系统,改用宝马再开发的LINUX系统,也就是GENIVI+LINUX。GENIVI是一个联盟,致力于将LINUX和其他开源软件用于汽车座舱电子中,主要OEM成员包括宝马、现代、本田、戴姆勒、日产、PSA和上汽。主要Tier1包括阿尔派、安波福、歌乐(佛吉亚)、电装、现代摩比斯、LG和博世。芯片厂家包括NXP、瑞萨、英伟达、联发科、ADI、ARM和Telechips。中间件与软件厂家包括东软、风河、QT、KPIT、绿山。MGU也是宝马首次用LINUX系统。MGU最早用在2019年的3系顶配上,然后是7系全系列、Z4、X5和X7以及8系上。未来会全面引入。MGU放弃MOST总线,改用OABR (OPEN Alliance BroadR-Reach)车载以太网,联盟由宝马、现代、NXP、飞思卡尔、HARMAN、意法半导体、博通在2011年发起成立。OPEN是One Pair Ethernet Network的缩写,OABR 已经由 IEEE 标准化,并命名为100BASE-T1。传统的百兆以太网的名字是100BASE-TX,二者在物理层上差别很大。二者最显著的区别就是,100BASE-T1在物理连接上使用了一对双绞线实现全双工的信息传输,而100BASE-TX则使用了两对双绞线实现全双工,一对用于收,另一对用于发。100BASE-T1利用所谓的回音消除技术(echo cancellation)实现了在一对双绞线上的全双工通信。回音消除技术的大概过程是这样的,作为发送方的节点将自己要发送的差分电压加载到双绞线上,而作为接收者的节点则将双绞线上的总电压减去自己发出去的电压,做减法得到的结果就是发送节点发送的电压。BroadR-Reach是Broadcom公司针对自己车载以太网产品的专用商标。因此可以认为100BASE-T1=OABR=BroadR-Reach。不过缺点是OABR主要支持点对点通讯,双向100MBits,在OBD2里仍然使用传统以太网。反观特斯拉用的是针对车载娱乐系统的EAVB系统,使用EAVB交换器88E6321,这本是Marvell针对SOHO办公的LINK-STREET系列产品。
上图为整个座舱系统框架图
(1为CentralInformation Display,CID,2为HU-H3,3为用户界面,4为应用软件,5为连接系统)
HU-H3连接4路以太网,分别是仪表、RAM、BDC和TCB。
在HU-H3的侧后方有一个USB供电接口,在正后方则是主要8个接口,见上图。1为蓝牙空中接口,2为WLAN空中接口,3为USB Type-A接口,4为USB Type-C接口,5为外接CD的USB接口,6为APIX显示接口,连接中控屏(Central Information Display,CID),7为CAN连接,8为以太网接口。MGU在某些国家,如东欧或俄罗斯,采用内置CD机设计(中国人早就把CD机淘汰了,欧洲人特别俄罗斯还是用CD多),但没有导航功能。 因为是2016年初开始设计,因此还是使用机械硬盘做主要存储,硬盘容量320GB,其中导航占160GB,娱乐占34GB,联网音乐16GB,可用空间34GB。
上图为宝马第三代即NBT的架构,目前德州仪器的DRA44X系列芯片(即J6)已经不公开销售。NBT EVO可能改用了DRA71x系列。图中还少了一颗做显卡的芯片,即英伟达的EMP9。入门级产品则用FPGA取代德州仪器的DRA44X。宝马持续沿用这种架构设计,英特尔的ATOM E660(NBT是使用E660,MGU使用一颗保密型号J626C159,推测是英特尔A3930,特斯拉是A3950)主要负责操作系统和联网服务。J6负责导航与外设。
上图为RAM,1为CAN连接,2为以太网连接,3为SDRAS空中接口连接,4为AM/FM收音空中接口。在MGU上,延续这种双处理器设计,但是也有很大不同。宝马将音频接收和导航单独放在RAM一个单独的盒子里,物理上分开。HU-H3盒子里和NBT几乎没有改动,还是英特尔的Atom和瑞萨的RH850 MCU,这种设计保留了原来的设计成果,也增加了灵活性,可谓相当先进,就是硬件成本大幅度增加。HU-H3里也包含WLAN和蓝牙,采用博通的蓝牙与WLAN二合一模块91UWM255。
10为HU-H3,6为RAM,8为Booster,3是驾驶员侧麦克风,5是乘客侧麦克风。宝马对音响系统尤其重视,共分三个版本,标准版(SA676)的功率是205瓦,包括3个高音,5个中音,2个低音单元。中级版(SA688)是哈曼卡顿环绕声,功率464瓦,包括5个高音,5个中音,2个低音单元。高级版(SA6F1)是Bowers&Wilkins钻石环绕声,功率1200瓦,包括7个高音,7个中音,2个低音。RAM里的导航板设计复杂,采用瑞萨的R-CAR H3做主芯片。
上图为R-CAR H3内部框架图
宝马不惜成本疯狂使用以太网,可能是希望线束精简,在线束上降低成本,减轻线束重量。根据连线图,R-CAR H3可能使用了两路以太输出,一路是音频转以太网输出给Booster,这有点大材小用,音频实时性和带宽需求都不高。另外一路是视频输出转换为以太网输出,H3有4路视频输出,包括一路模拟视频、一路LVDS和两路HDMI,MGU使用了三路,估计分别是CID、仪表和HUD。RAM需要将这三路都转换为以太网格式,HDMI转以太网也就是IP格式很容易,LVDS略微麻烦,然后加一个小型以太网交换器。这两路都加了一个Marvell的以太网Phy芯片。销售到日本的MGU会添加一个V2X芯片,因为日本基本建成了一套称之为VICS的V2X系统,硬件上需要加一个VICS解码芯片。VICS基于DSRC技术,VICS并不逊色于目前非常火爆但始终未落地的5G V2I。最重要的是日本几乎所有新车都配备了VICS。为保证音质,宝马MGU采用三片NXP的TDF8546功率放大模块,每个模块可输出4路45瓦的音频功率,TDF8546采用高音质的桥式推挽BTL电路,而不是目前主流的D类功率放大,D类功率放大虽然成本低效率高,但是音质生硬尖冷,没有音响爱好者会认同D类的声音。BTL虽然效率略低于D类,但音质远在D类之上。除了豪华车,几乎没有厂家在意音质。CID有10.25英寸和12.3英寸两种,分辨率都是1920*720。宝马新一代顶配车型仪表为12.3英寸全液晶仪表,由博世提供,显示屏由LG提供。
上图为宝马的HUD与仪表之间连接图,HU-H3通过APIX2系统与CID连接,同时与仪表以太网连接,仪表再通过APIX2与HUD抬头显示器连接。APIX(AutomotivePixel link)是德国Inova Semiconductorsnova开发的多通道技术,类似于美信的GMSL和德州仪器的FPDLINK,可能有宝马的投资吧,宝马全系列都使用APIX技术,是Inova的主要客户,捷豹、大众和沃尔沃部分车型也有使用。全新 APIX3 版本通过单独双绞线(STP)可实现高达 6Gbps 的传输速度,通过四双绞线(QTP)速度可达 12Gbps。
宝马使用INAP375R芯片,方框图如下:
下篇主要分析宝马的ADAS系统、驾驶员监控系统、手势识别系统、语音识别系统、自动泊车系统、以太网构成的360环视系统。敬请期待。
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