2. SBW系统架构设计

任务定义

设计一个满足ASIL-D功能安全要求的线控转向（SBW）系统整体架构，覆盖传感器层、控制器层、执行器层、通信网络与电源分配五个子系统，并明确各子系统间的信号流向与冗余策略。本案例交付物为架构设计方案及对应的系统架构图。

系统架构设计

SBW系统采用双通道冗余架构，每个通道包含独立的传感器组、控制器与执行器，两通道间通过交叉监控链路实现故障检测与降级控制。方向盘总成与转向执行器之间无机械连接，路感反馈由方向盘端的力矩电机模拟生成。

1. 传感器层

每个通道配置：方向盘转角传感器（±720°，精度0.1°）、方向盘扭矩传感器（±10Nm，精度0.05Nm）、车速传感器（来自ESC，经网关转发）、横摆角速度传感器（来自ESC）。传感器信号经去噪与合理性校验后，通过私有CAN-FD总线以10ms周期发送至主控制器。

2. 控制器层

主控制器（ECU_SBW_1）与从控制器（ECU_SBW_2）均采用英飞凌TC397三核锁步MCU。主控制器运行路感控制算法与转向执行控制算法，从控制器运行相同的算法副本并执行结果比对。两控制器间通过100Base-T1以太网建立心跳监控（周期5ms），通过SPI总线共享传感器原始数据用于交叉校验。

3. 执行器层

前轴转向执行器采用双绕组永磁同步电机（PMSM），每个绕组由独立逆变器驱动，电机输出轴通过蜗轮蜗杆减速机构（减速比18:1）驱动转向齿条。方向盘路感电机采用单电机+机械限位备份方案，当系统检测到执行通道完全失效时，路感电机切换为阻尼模式提供被动回正力矩。

4. 通信网络

采用混合网络拓扑：控制器间关键信号走100Base-T1以太网（带宽充足，延迟<1ms）；传感器与控制器间走CAN-FD（波特率2Mbps）；执行器逆变器与控制器间走私有SPI（速率10Mbps，周期1ms）。网关负责与整车CAN（500kbps）交互车速、横摆角速度及诊断报文。

5. 电源分配

采用双路独立供电：蓄电池1（12V/60Ah）经电源管理单元PMU_1为通道1传感器、ECU_SBW_1、逆变器1供电；蓄电池2（12V/60Ah）经PMU_2为通道2传感器、ECU_SBW_2、逆变器2供电。PMU内部集成理想二极管ORing电路，单路电源失效时自动切换至另一路，切换时间<5ms。路感电机由双路电源经二极管并联供电，确保单路失效时仍可工作。

架构图

冗余与降级策略

系统定义三级降级模式：模式A（全功能）——双通道均正常，主控制器输出控制指令，从控制器实时比对；模式B（降级）——单通道传感器或执行器失效，由健康通道独立完成转向控制，路感电机切换至阻尼模式；模式C（安全停车）——两通道均失效，激活电子驻车制动并点亮红色警告灯，方向盘机械限位锁止。模式切换由健康状态管理模块基于心跳监控与传感器自检结果决策，切换时间不超过50ms。

// 当前案例缺失代码：SBW系统架构设计（架构图数据与组件定义）
// 补充：架构图绘制所需的数据结构与组件清单

// 1. 架构组件枚举
typedef enum {
    COMP_SENSOR_WHEEL_ANGLE = 0,    // 方向盘转角传感器
    COMP_SENSOR_TORQUE,             // 扭矩传感器
    COMP_SENSOR_VEHICLE_SPEED,      // 车速传感器
    COMP_SENSOR_YAW_RATE,           // 横摆角速度传感器
    COMP_ECU_STEERING,              // 转向ECU（主控制器）
    COMP_ECU_BACKUP,                // 备份ECU
    COMP_ACTUATOR_FRONT_LEFT,       // 前左轮转向执行器
    COMP_ACTUATOR_FRONT_RIGHT,      // 前右轮转向执行器
    COMP_ACTUATOR_FEEDBACK,         // 方向盘路感反馈执行器
    COMP_NETWORK_CAN,               // CAN通信网络
    COMP_NETWORK_ETHERNET,          // 以太网通信网络
    COMP_POWER_DISTRIBUTION,        // 电源分配单元
    COMP_POWER_BATTERY_12V,         // 12V蓄电池
    COMP_POWER_BATTERY_48V,         // 48V高压电池（冗余）
    COMP_COUNT
} SBW_ComponentType;

// 2. 架构连接关系（数据流/电源流）
typedef struct {
    SBW_ComponentType source;
    SBW_ComponentType target;
    uint8_t is_power_flow;      // 0=数据流, 1=电源流
    uint8_t is_redundant;       // 1=冗余通道
} SBW_ArchConnection;

// 3. 当前案例架构连接表（补充核心连接）
const SBW_ArchConnection sbw_arch_connections[] = {
    // 传感器 -> 主ECU（数据流）
    {COMP_SENSOR_WHEEL_ANGLE, COMP_ECU_STEERING, 0, 0},
    {COMP_SENSOR_TORQUE, COMP_ECU_STEERING, 0, 0},
    {COMP_SENSOR_VEHICLE_SPEED, COMP_ECU_STEERING, 0, 0},
    {COMP_SENSOR_YAW_RATE, COMP_ECU_STEERING, 0, 0},
    // 传感器 -> 备份ECU（冗余数据流）
    {COMP_SENSOR_WHEEL_ANGLE, COMP_ECU_BACKUP, 0, 1},
    {COMP_SENSOR_TORQUE, COMP_ECU_BACKUP, 0, 1},
    // 主ECU -> 执行器（控制流）
    {COMP_ECU_STEERING, COMP_ACTUATOR_FRONT_LEFT, 0, 0},
    {COMP_ECU_STEERING, COMP_ACTUATOR_FRONT_RIGHT, 0, 0},
    {COMP_ECU_STEERING, COMP_ACTUATOR_FEEDBACK, 0, 0},
    // 备份ECU -> 执行器（冗余控制流）
    {COMP_ECU_BACKUP, COMP_ACTUATOR_FRONT_LEFT, 0, 1},
    {COMP_ECU_BACKUP, COMP_ACTUATOR_FRONT_RIGHT, 0, 1},
    // ECU间通信（以太网冗余）
    {COMP_ECU_STEERING, COMP_ECU_BACKUP, 0, 1},
    // 电源分配（电源流）
    {COMP_POWER_BATTERY_12V, COMP_POWER_DISTRIBUTION, 1, 0},
    {COMP_POWER_BATTERY_48V, COMP_POWER_DISTRIBUTION, 1, 1},
    {COMP_POWER_DISTRIBUTION, COMP_ECU_STEERING, 1, 0},
    {COMP_POWER_DISTRIBUTION, COMP_ECU_BACKUP, 1, 1},
    {COMP_POWER_DISTRIBUTION, COMP_ACTUATOR_FRONT_LEFT, 1, 0},
    {COMP_POWER_DISTRIBUTION, COMP_ACTUATOR_FRONT_RIGHT, 1, 0},
    {COMP_POWER_DISTRIBUTION, COMP_ACTUATOR_FEEDBACK, 1, 0},
    // 通信网络挂接
    {COMP_ECU_STEERING, COMP_NETWORK_CAN, 0, 0},
    {COMP_ECU_BACKUP, COMP_NETWORK_CAN, 0, 1},
    {COMP_ECU_STEERING, COMP_NETWORK_ETHERNET, 0, 1},
    {COMP_ECU_BACKUP, COMP_NETWORK_ETHERNET, 0, 1},
};

// 4. 架构图绘制辅助：节点坐标（用于生成架构图）
typedef struct {
    SBW_ComponentType comp;
    int x, y;   // 画布坐标
    const char* label;
} SBW_ArchNode;

const SBW_ArchNode sbw_arch_nodes[] = {
    {COMP_SENSOR_WHEEL_ANGLE, 100, 100, "方向盘转角传感器"},
    {COMP_SENSOR_TORQUE, 100, 180, "扭矩传感器"},
    {COMP_SENSOR_VEHICLE_SPEED, 100, 260, "车速传感器"},
    {COMP_SENSOR_YAW_RATE, 100, 340, "横摆角速度传感器"},
    {COMP_ECU_STEERING, 350, 200, "转向ECU(主)"},
    {COMP_ECU_BACKUP, 350, 320, "转向ECU(备份)"},
    {COMP_ACTUATOR_FRONT_LEFT, 600, 150, "前左执行器"},
    {COMP_ACTUATOR_FRONT_RIGHT, 600, 250, "前右执行器"},
    {COMP_ACTUATOR_FEEDBACK, 600, 350, "路感反馈执行器"},
    {COMP_NETWORK_CAN, 350, 100, "CAN总线"},
    {COMP_NETWORK_ETHERNET, 350, 420, "以太网(冗余)"},
    {COMP_POWER_DISTRIBUTION, 600, 450, "电源分配单元"},
    {COMP_POWER_BATTERY_12V, 750, 400, "12V电池"},
    {COMP_POWER_BATTERY_48V, 750, 500, "48V电池(冗余)"},
};

// 5. 架构图绘制函数（简化版，输出SVG或Mermaid格式）
void SBW_DrawArchitecture(void) {
    // 输出Mermaid格式架构图（可直接用于文档）
    printf("graph TD\n");
    printf("    S1[方向盘转角传感器] -->|CAN| ECU1[转向ECU主]\n");
    printf("    S2[扭矩传感器] -->|CAN| ECU1\n");
    printf("    S3[车速传感器] -->|CAN| ECU1\n");
    printf("    S4[横摆角速度传感器] -->|CAN| ECU1\n");
    printf("    S1 -->|冗余| ECU2[转向ECU备份]\n");
    printf("    S2 -->|冗余| ECU2\n");
    printf("    ECU1 -->|控制| A1[前左执行器]\n");
    printf("    ECU1 -->|控制| A2[前右执行器]\n");
    printf("    ECU1 -->|控制| A3[路感反馈执行器]\n");
    printf("    ECU2 -->|冗余控制| A1\n");
    printf("    ECU2 -->|冗余控制| A2\n");
    printf("    ECU1 <-->|以太网| ECU2\n");
    printf("    B12[12V电池] --> PDU[电源分配]\n");
    printf("    B48[48V电池] -->|冗余| PDU\n");
    printf("    PDU --> ECU1\n");
    printf("    PDU --> ECU2\n");
    printf("    PDU --> A1\n");
    printf("    PDU --> A2\n");
    printf("    PDU --> A3\n");
}

验证方法

搭建硬件在环（HIL）测试台架，将ECU_SBW_1与ECU_SBW_2连接至实时仿真机（模拟车辆动力学与传感器信号）。测试步骤如下：

1. 注入方向盘转角阶跃输入（0°→90°，速率500°/s），观测前轴执行电机是否在100ms内响应并跟踪目标转角，稳态误差应小于±0.5°；
2. 断开通道1的转角传感器信号，确认系统在50ms内切换至模式B，且由通道2独立完成转向控制，方向盘转角跟踪误差不超过±1°；
3. 同时断开两通道的CAN-FD通信，确认系统在100ms内进入模式C并触发安全停车指令；
4. 模拟蓄电池1失效，观测PMU_1在5ms内完成电源切换，ECU_SBW_1无复位现象。

判定标准：上述四项测试全部通过，且测试过程中无ASIL-D安全目标违背（无不可控转向、无意外加速），即可判定架构设计满足要求。