基于環(huán)保理念的智能車載終端設(shè)計(jì)

蔡炎平，崔曉偉，李家祥

（1.清華大學(xué)電子工程系，北京100084；2.廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司福建廈門361008）

基于環(huán)保理念的智能車載終端設(shè)計(jì)

蔡炎平1，2，崔曉偉1，李家祥2

（1.清華大學(xué)電子工程系，北京100084；2.廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司福建廈門361008）

為了提高汽車的駕駛體驗(yàn)，適應(yīng)汽車節(jié)能與環(huán)保的發(fā)展需求，對(duì)各類傳統(tǒng)車載終端進(jìn)行功能整合與擴(kuò)展，設(shè)計(jì)一款涵蓋導(dǎo)航娛樂、上網(wǎng)、藍(lán)牙通話、行駛記錄、遠(yuǎn)程診斷與控制的新型車載終端。同時(shí)，通過硬件上的器件選型與電路設(shè)計(jì)、軟件上的工作模式管理與任務(wù)處理機(jī)制設(shè)計(jì)，提出了具有3種工作模式的功耗管理方案，很大程度降低了系統(tǒng)運(yùn)行功耗，休眠模式功耗小于0.1 W。裝車試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的車載終端不僅提高了汽車的增值服務(wù)，還大大延長(zhǎng)了汽車電平的使用壽命。

車載終端；智能設(shè)計(jì)；功耗管理；系統(tǒng)電源

《中國(guó)制造2025》［1］明確指出，中國(guó)汽車既要加大推進(jìn)新能源汽車的發(fā)展，也要做好汽車的節(jié)能減排工作，同時(shí)要將電子技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在汽車上，促進(jìn)汽車的低碳化、信息化和智能化。車載終端是汽車智能化最為直觀的體現(xiàn)，有很多企業(yè)單位和研究人員不斷地設(shè)計(jì)和開發(fā)出應(yīng)用于車輛監(jiān)管、車輛診斷、車載娛樂等智能化終端產(chǎn)品。2013年南京大學(xué)徐楊設(shè)計(jì)了汽車行駛記錄儀無線數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程、快速、準(zhǔn)確獲取汽車違章數(shù)據(jù)［2］；2014年天津安中通訊公司提出來基于OBDⅡ的汽車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，駕駛員可實(shí)時(shí)了解汽車情況，并在發(fā)生故障時(shí)及時(shí)處理［3］；2015年吉林大學(xué)白杰設(shè)計(jì)了一款車載娛樂信息系統(tǒng)，提供輔助駕駛、車載娛樂等服務(wù)。

對(duì)于現(xiàn)有的車載終端，存在著種類較多且安裝不便、功能單一、擴(kuò)展性差、體驗(yàn)不好等缺點(diǎn)，同時(shí)由于車上安裝的設(shè)備繁多，沒法進(jìn)行有效功耗管理，可能會(huì)導(dǎo)致電瓶耗光而使車輛無法啟動(dòng)。因此，文章從功能擴(kuò)展和功耗管理兩方面出發(fā)，提出一款新型車載終端設(shè)計(jì)和管理方法，能夠很好地解決存在的問題。

1　車載終端總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的車載終端，提高了設(shè)備集成度，不僅涵蓋了傳統(tǒng)終端上的基本功能，還增加了一些新功能體驗(yàn)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。車輛行駛過程中，車載終端能提供道路導(dǎo)航、FM/AM廣播收音、音樂播放，并對(duì)車輛的狀態(tài)信息和行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；在車輛停止過程中，還能提供視頻播放、4G/ WIFI上網(wǎng)功能；倒車過程中，車載終端10.4寸屏提供高清的倒車輔助視頻；10.4寸全觸摸操作給駕駛員很好的操作體驗(yàn)，行駛過程中的藍(lán)牙通話，能夠更好的保障司機(jī)駕駛安全。另外駕駛員可以通過手機(jī)APP對(duì)車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程查詢與控制，能夠?qū)崟r(shí)了解車輛油耗、故障信息，可能夠遠(yuǎn)程控制車輛，用于遠(yuǎn)程尋車、遠(yuǎn)程開空調(diào)、車輛解鎖等操作。

圖1　車載終端組成框圖

2　系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

車載終端的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由以下幾個(gè)部分電路組成：處理器最小系統(tǒng)電路、車輛信息采集與車身控制電路、上網(wǎng)模塊電路、收音機(jī)接收電路、藍(lán)牙免提電路、音頻處理與功放電路、倒車視頻采集電路、存儲(chǔ)模塊電路、定位數(shù)據(jù)接收電路及人機(jī)交互模塊電路。系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)芯片瑞芯微RK2928作為核心處理，芯片采用單核Cortex-A9架構(gòu)設(shè)計(jì)，支持1080P視頻解碼和H.264的1080P視頻編碼，具有足夠的I2C/USB/UART等資源，提供一路的LVDS接口。

車輛信息采集與車身控制電路主要進(jìn)行車上胎壓、汽車電瓶、油耗、里程、剎車狀態(tài)等信號(hào)的采集及輸出對(duì)車門、喇叭、轉(zhuǎn)向燈的控制，由于車載CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊由高速CAN和低速CAN節(jié)點(diǎn)組成［4］，因此需要兩路CAN收發(fā)器接口。鑒于較差的車載環(huán)境，CAN收發(fā)器選用抗干擾能力較強(qiáng)的芯片TJA1042，提供差動(dòng)發(fā)送和接收功能，傳輸速率高達(dá)1 Mbit/s，具有58V的耐過壓及8 KV抗靜電能力。CAN總線經(jīng)過收發(fā)器之后，連接到帶CAN控制器的解析芯片PIC18F2480，解析芯片負(fù)責(zé)將解析完后的數(shù)據(jù)傳給核心處理器或者將下發(fā)的控制執(zhí)行發(fā)送到車上CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)施控制，PIC18F2480與核心處理器直接采用串口RX/TX進(jìn)行通信。

上網(wǎng)模塊電路為車載終端提供上網(wǎng)服務(wù)，包括WIFI模塊電路和4G模塊電路，當(dāng)有WIFI信號(hào)時(shí)，采用WIFI方式上網(wǎng)，否則自動(dòng)切換到4G網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)模塊均通過USB與核心處理器進(jìn)行通信，4G模塊采用上海芯訊通公司的SIM7100C模塊，其在TDD-LTE/FDD-LTE模式下通信速率可達(dá)到上行速率50Mbps，下行速率為100Mbps。WIFI模塊采用RL-UM12BS，工作在2.4～2.483 5 GHz，支持24 Mbps、54 Mbps、90 Mbps等多種傳輸速率，最大可達(dá)150 Mbps。

收音機(jī)接收電路實(shí)現(xiàn)FM/AM無線廣播信號(hào)的接收，采用NXP6621集成芯片設(shè)計(jì)，滿足國(guó)內(nèi)接收頻率范圍要求：FM頻率范圍：87.5～108 MHz，AM頻率范圍：520～1 710kHz，CPU能通過I2C實(shí)現(xiàn)搜臺(tái)、鎖臺(tái)、存臺(tái)的功能，實(shí)現(xiàn)收音機(jī)播放，需要注意75歐的阻抗匹配及保證供電電源足夠干凈，從而提高收音機(jī)信噪比和靈敏度。藍(lán)牙模塊電路主要提供藍(lán)牙麥克輸入、音頻輸出及與CPU的串口通信。音效處理及功放電路主要提供收音機(jī)音頻、MP3/MP5音頻、藍(lán)牙音頻的通道切換及音效處理，實(shí)現(xiàn)音量調(diào)節(jié)、音效EQ設(shè)置，最終通過功放芯片TDA7388輸出到汽車?yán)冗M(jìn)行播放。功放輸出接汽車4個(gè)4歐/20W的喇叭，因此發(fā)熱較為嚴(yán)重，需要增加大面積的散熱片，提高散熱效果，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

倒車視頻電路是用來倒車攝像頭的A/D采集，經(jīng)過編解碼最終輸出到10.4寸屏上進(jìn)行顯示。當(dāng)?shù)管囆盘?hào)有效時(shí)，攝像頭輸出的CVBS信號(hào)經(jīng)過視頻轉(zhuǎn)換芯片采樣編碼，再輸出到核心處理器進(jìn)行存儲(chǔ)于顯示。倒車視頻電路包括視頻轉(zhuǎn)換芯片、時(shí)鐘電路、供電電源及通信接口。

圖2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

導(dǎo)航定位模塊電路提供導(dǎo)航所需要的位置時(shí)間信息，采用深圳天工測(cè)控公司的SKG12BL模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用3.3V供電，定位精度在3m以內(nèi)。定位模塊輸出的NMEA0813再通過串口傳給核心處理器，結(jié)合SD卡存儲(chǔ)的地圖，實(shí)現(xiàn)車輛導(dǎo)航。

車載終端存儲(chǔ)和處理的數(shù)據(jù)較多，需要提供較大的存儲(chǔ)空間。系統(tǒng)提供2G的DDR3電路設(shè)計(jì)及2G的內(nèi)部flash設(shè)計(jì)，用于進(jìn)行程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。另外還提供了U盤接口電路及SD卡接口電路，SD卡最大可達(dá)32G，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航地圖和音視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括兩個(gè)部分設(shè)計(jì)，基于核心處理器的Android操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與基于PIC18F2480的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如圖3所示。PIC控制器主要完成的任務(wù)有：與核心處理器之間的串口心跳程序及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)，車輛CAN總線數(shù)據(jù)采集解析及車身控制指令發(fā)送。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)需遵循J1939、ISO15765等CAN總線診斷和控制協(xié)議，提供初始化、報(bào)文發(fā)送、報(bào)文接收和錯(cuò)誤處理［5］。接收到的診斷數(shù)據(jù)發(fā)送到核心處理器進(jìn)行屏幕顯示或者遠(yuǎn)程以短信形式發(fā)送給手機(jī)，而接收的控制指令既可以來自遠(yuǎn)程指令，也可以是本地指令。

Android操作系統(tǒng)軟件完成的工作：一方面系統(tǒng)需要對(duì)車輛數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)著是否有本地或者遠(yuǎn)程控制指令；一方面要處理一些娛樂業(yè)務(wù)請(qǐng)求，包括收音機(jī)業(yè)務(wù)、藍(lán)牙通話、上網(wǎng)娛樂、MP3/MP5播放等。在UI界面上，在主菜單設(shè)計(jì)上和子層菜單設(shè)計(jì)上，注意菜單布局，將常用菜單放置于易于操作界面上，提供更好的用戶體驗(yàn)。

3　系統(tǒng)功耗管理

所設(shè)計(jì)的車載終端，任務(wù)較多，各個(gè)模塊的功耗也不一樣，需要通過計(jì)劃性地設(shè)計(jì)與管理，才能盡可能降低終端功耗，提高汽車電瓶利用率。其中，系統(tǒng)硬件是基礎(chǔ)，軟件是執(zhí)行者，軟硬件的協(xié)調(diào)是分不開的。

3.1器件選型

器件功耗分為靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗：當(dāng)電路的狀態(tài)沒有進(jìn)行翻轉(zhuǎn)（保持高電平或低電平）時(shí)，電路的功耗屬于靜態(tài)功耗，其大小等于電路電壓與流過電流的乘積［6］；動(dòng)態(tài)功耗指的電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的功耗，在總功耗中占據(jù)較大比例。因此，在器件選型時(shí)，盡量選用低靜態(tài)電流、低工作電壓的器件及具有休眠功能的器件。系統(tǒng)選用的RK2928處理器通過電源管理芯片可以支持DVFS（Dynamic voltage and frequency scaling）功耗調(diào)節(jié)功能，在處理低運(yùn)行模式時(shí)可以關(guān)閉外設(shè)電源，并降低內(nèi)核電壓。TDA7388功放芯片具有standby模式，在靜態(tài)模式下，功放靜態(tài)電流達(dá)190 mA，而在standby模式下，電流可降到50 uA以下，只要功放不工作時(shí)直接關(guān)掉，不僅大大減少功耗，也能減少散熱片發(fā)熱。10.4寸顯示屏的功耗也不容忽視，可以通過PWM調(diào)節(jié)背光亮度，在允許調(diào)節(jié)下降低亮度，從而減少功耗。

3.2電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)方面，采取幾點(diǎn)措施以降低功耗：1）所有芯片均采用單電源供電，減小電路復(fù)雜度；2）對(duì)于RK2928和PIC控制器不使用的CPU引腳，增加100K電阻的上下拉處理，防止懸空引腳受干擾無法進(jìn)入低功耗模式；3）各類總線，滿足速率要求情況下，加大上下拉電阻，由2K增加到10K，可減少的功耗也不少；4）系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)采用可控的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)收音機(jī)、4G模塊、顯示屏等外設(shè)的電源進(jìn)行開關(guān)控制電路設(shè)計(jì)，為方便軟件進(jìn)行外設(shè)電源管理提供硬件基礎(chǔ)。

3.3工作模式設(shè)計(jì)

對(duì)于車輛的不同運(yùn)行狀態(tài)，車載終端也應(yīng)該有不同的工作模式，在滿足汽車行駛要求的情況下進(jìn)入更低功耗的工作模式。如圖4所示為車載終端的3種工作模式，系統(tǒng)根據(jù)不同的外部條件在各個(gè)模式直接進(jìn)行切換。休眠模式：只保留實(shí)時(shí)時(shí)鐘工作，4G模塊工作在sleep模式，功耗低至100 mW（設(shè)備采用14V供電）；省電模式：核心處理器處于待機(jī)工作模式，背光、喇叭、收音機(jī)等外設(shè)處于關(guān)閉狀態(tài)，車輛診斷模塊處于工作狀態(tài)，功耗為600 mW左右；運(yùn)行模塊：系統(tǒng)處于全運(yùn)行狀態(tài)，處理各種任務(wù)，系統(tǒng)功耗大于3.5 W。

1）檢測(cè)到汽車點(diǎn)火ACC有效時(shí)，從休眠狀態(tài)切換到省電模式狀態(tài)；

圖3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2）檢測(cè)到車輛點(diǎn)火ACC無效后20分鐘，系統(tǒng)由省電模塊切換到休眠模塊；

3）檢測(cè)到電源按鍵觸發(fā)啟動(dòng)、車輛速度或者遠(yuǎn)程喚醒，系統(tǒng)由省電模式切換到運(yùn)行模塊；

4）檢測(cè)到電源按鍵觸發(fā)關(guān)閉或者點(diǎn)火ACC有效條件下沒有收音機(jī)、MP3、視頻、上網(wǎng)等業(yè)務(wù)請(qǐng)求后5分鐘或者點(diǎn)火ACC無效時(shí)，系統(tǒng)從運(yùn)行模塊切換到省電模塊；

5）當(dāng)有遠(yuǎn)程喚醒時(shí)，系統(tǒng)可以直接由休眠模式切換到運(yùn)行模塊，無需經(jīng)過省電模塊的過渡。

圖4　系統(tǒng)工作模式切換流程圖

3.4系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行策略設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在運(yùn)行模塊下的功耗是最大的，且執(zhí)行不同任務(wù)的功耗是有差別的，設(shè)計(jì)過程中，要盡可能少地減少外設(shè)工作數(shù)量及沒必要的后臺(tái)任務(wù)，

圖5　系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行流程圖

從而降低功耗，如圖5所示為系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行流程。首先，劃分任務(wù)類型、優(yōu)先級(jí)及涉及到的功能模塊，規(guī)定各個(gè)任務(wù)觸發(fā)機(jī)制；其次，在沒有功能任務(wù)執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)處于待機(jī)等待狀態(tài)，CPU處于低運(yùn)行速率，相應(yīng)功能外設(shè)處于關(guān)閉狀態(tài)；最后，當(dāng)相應(yīng)的中斷任務(wù)處理完畢后，需要關(guān)閉相關(guān)外設(shè)模塊和處理器外設(shè)，釋放相應(yīng)的CPU資源，再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待中斷。

4　結(jié)論

系統(tǒng)以功能整合為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了智能車載終端的硬件電路和軟件架構(gòu)，并從器件選型、電路、工作模式及任務(wù)執(zhí)行策略等方面對(duì)車載終端的功耗管理進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，既保證了任務(wù)執(zhí)行的效率，也在很大程度上降低了系統(tǒng)運(yùn)行功耗。設(shè)計(jì)的智能車載終端在GL8別克車上裝車實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到了用戶的好評(píng)，并且在相同的汽車電瓶下，工作時(shí)間延長(zhǎng)了一倍，功耗管理取得了不錯(cuò)的效果。

［1］中華網(wǎng).中國(guó)制造2025［EB/OL］.［2002-04-15］.http://news.china.com/domestic/945/20150519/19710486_all.html.

［2］徐楊.汽車行駛記錄儀無線數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.江蘇:南京大學(xué)，2013.

［3］武艷紅.基于OBDⅡ的汽車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)電子商務(wù)，2014（11）:47-48.

［4］穆勝亮，秦貴和.基于3G網(wǎng)絡(luò)和CAN總線的汽車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（7）:2396-2397.

［5］沈瑤，李小青，周云飛.基于CAN總線的電動(dòng)車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（11）:143-145.

［6］文樺，張亞軍.嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（22）:20-25.

Design of the intelligent vehicle terminal based on environmental protection

CAI Yan-ping1，2，CUI Xiao-wei1，LI Jia-xiang2
（1.Department of Electronic Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.Yaxon Network Co.，Ltd.，Xiamen 361008，China）

In order to improve the driving experience of the car and meet the development need of the energy saving and environmental protection，a new vehicle terminal is designed with the functions of navigation，entertainment，Internet，bluetooth phone，driving record，remote diagnosis and control.At the same time，devices select methods，hardware circuit design methods，working modes management and tasks processing mechanism are used to reduce the power consumption of system.The power consumption in sleep mode is less than 0.1 W.As a result，the vehicle terminal improves the service of the car and the car battery can work more longer.

vehicle terminal；intelligent design；power management；system power supply

TN929.5

A

1674－6236（2016）17-0178-03

2015-09-13稿件編號(hào)：201509089

蔡炎平（1989—），男，福建廈門人，碩士研究生，助理工程師。研究方向：汽車電子應(yīng)用。