基于SA8155P芯片的智能座艙域控制器設(shè)計(jì)

王澤龍

關(guān)鍵詞：智能座艙；域控制器；Hypervisor ；視頻輸入輸出

0 引言

由于車規(guī)級(jí)系統(tǒng)芯片（SoC 芯片）的算力不斷增加，域控制器也成為汽車車輛電子領(lǐng)域的重要研究對(duì)象[1]。與傳統(tǒng)的汽車電子控制單元（ECU）相比，域控制器具備的計(jì)算能力強(qiáng)、外設(shè)資源充足以及功能更加多樣化等優(yōu)點(diǎn)被原廠配套（OEM）廠商廣泛認(rèn)可。域控制器的概念，使整車電子電氣結(jié)構(gòu)由過去的傳統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)變?yōu)榱思惺浇Y(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)分布式結(jié)構(gòu)中，各種信號(hào)之間的重復(fù)傳輸、ECU 內(nèi)部時(shí)間同步和多級(jí)ECU 的硬件成本昂貴等困難問題。

在中國汽車行業(yè)當(dāng)前電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化以及共享化等新四化科技發(fā)展的大背景下，對(duì)于汽車電子電氣架構(gòu)和域控制器提出了更高的要求[2]。隨著汽車用戶對(duì)智能座艙的舒適性、娛樂性等要求越來越高[3]，這就要求智能座艙系統(tǒng)具備高速計(jì)算性能、低延遲性、更有效的跨域通信以及軟件的不斷OTA 升級(jí)與更新。汽車電子電氣結(jié)構(gòu)也由傳統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)形態(tài)過渡到集中式的結(jié)構(gòu)形態(tài)[4]，如圖1 所示。

座艙域控制器是一個(gè)整合在同一塊芯片的控制器[5]，軟件與硬件的高度整合，采用硬件冗余的方法實(shí)現(xiàn)了后續(xù)的OTA 系統(tǒng)更新迭代。座艙域控制器的SoC 芯片能力也非常強(qiáng)勁，高通的SA8155P 芯片CPU 算力高達(dá)105K DMIPS?？梢岳密浖c硬件的高度解耦，實(shí)現(xiàn)底層軟件與上層軟件之間的不斷整合創(chuàng)新。

汽車域控制器大致可分成5 個(gè)區(qū)域，包括車體域、底盤域、發(fā)動(dòng)機(jī)域、智能座艙區(qū)域和自動(dòng)駕駛區(qū)域。不同域間功能分配的差異也使得相應(yīng)區(qū)域所用的處理器芯片是完全不同的。例如由于車身區(qū)域?qū)Π踩院蛯?shí)時(shí)性需求最高，所以使用的數(shù)據(jù)處理器芯片主要為英飛凌TC397、TC399 等系列；智能座艙域?qū)蕵废到y(tǒng)體驗(yàn)、視覺與聽覺交互要求較高，采用的芯片主要有高通的處理器SA8155P、瑞薩和芯馳等；自動(dòng)駕駛域則對(duì)傳感器采集與融合以及輔助駕駛算法的集成要求較高，采用的芯片主要有英偉達(dá)ORIN 系列、TI TDA4 系列等。本文研究的是智能座艙領(lǐng)域，所以選用高通的SA8155P 芯片為主芯片。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

座艙域控制器功能需求如表1 所示。

通過對(duì)上述主要功能需求進(jìn)行分析，本文給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案（圖2）。

該座艙域控制器SoC 芯片采用SA8155P 來實(shí)現(xiàn)。SA8155P的CPU 算力高達(dá)105K DMIPS，可以同時(shí)處理4 塊顯示屏輸出內(nèi)容和8 個(gè)攝像頭輸入圖像。視頻輸出包含DP 和DSI 的視頻串行器模塊，將DP 接口和DSI 接口輸出的視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理后傳輸?shù)斤@示屏端。視頻輸入3 個(gè)CSI 接口的視頻解串器模塊，將攝像頭傳輸過來的視頻流數(shù)據(jù)解碼成1lane ～ 4lane 的CSI 格式數(shù)據(jù)，再由 SA8155P CPU處理器進(jìn)行處理。

2 功能模塊硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)座艙域控制器的需求分析，本文主要對(duì)以下模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.1 視頻輸出設(shè)計(jì)

視頻輸出是智能座艙域控制器中最重要的功能之一，主要場(chǎng)景有中控顯示屏IVI、儀表顯示屏Cluster、副駕駛娛樂顯示屏和HUD 顯示屏等。SA8155P 支持1 個(gè)DP 接口和2 個(gè)DSI 接口，可以滿足8K 分辨率的顯示屏輸出。本文設(shè)計(jì)的顯示屏輸出可以支持4 塊顯示屏，最大可以支持6 塊顯示屏。視頻輸出的硬件框圖如圖3 所示，其中儀表Cluster 和抬頭顯示HUD 的顯示屏通過QNX 操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速顯示和功能安全的功能。中控IVI和副駕娛樂顯示屏的顯示通過Android 操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)信息娛樂的功能。

由于座艙域控制器和顯示屏之間距離較遠(yuǎn)，需要采用分離屏的方案，所以必須先對(duì)視頻流信號(hào)進(jìn)行串行編碼，以便于實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸。串行編碼后的信號(hào)通過差分線束傳輸?shù)斤@示屏端，顯示屏端的解串器再對(duì)串行的視頻信號(hào)進(jìn)行解碼后，生成雙路或者單路的LVDS 信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)顯示屏進(jìn)行顯示。DP 接口的串行器采用TI DS90UB983，可以支持3K 以上分辨率；DSI 接口的串行器采用DS90UB981，可以支持2K 以上分辨率。DS90UB983 將DP 視頻流信號(hào)串行為FPD-LINK 信號(hào)，DS90UB981 將DSI 視頻流信號(hào)串行為FPD-LINK 信號(hào)。串行器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)2 塊不同分辨率的屏幕是該設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。

視頻輸出的硬件設(shè)計(jì)如圖4 所示，DSI 視頻信號(hào)DSI0 ～ DSI3 通過4 對(duì)差分線輸出視頻信號(hào)，差分走線采用100 Ω 終端電阻匹配。編碼后輸出通過兩組差分信號(hào)DOUT±連接到HSD 連接器，由于編碼后傳輸速率很高，在輸出端連接100.0 nF 的AC 電容耦合。

2.2 視頻分屏輸出

一個(gè)視頻輸出口驅(qū)動(dòng)多塊顯示屏是技術(shù)上的一個(gè)難點(diǎn)，為了解決該技術(shù)難點(diǎn)，本研究設(shè)計(jì)了由SA8115P 的2 個(gè)視頻通道（pipeline）實(shí)現(xiàn)一個(gè)超級(jí)幀的視頻輸出。

為了實(shí)現(xiàn)幀的非對(duì)稱分離，可對(duì)生成的輸出圖像進(jìn)行裁剪。輸入視頻要求與對(duì)稱分離的要求相同，超級(jí)幀必須包含2 個(gè)相同大小的圖像。這些圖像的水平和垂直尺寸都會(huì)被裁剪以生成更小的圖像。這里時(shí)鐘頻率會(huì)保持在超級(jí)幀頻率的一半。

此外，水平和垂直消隱間隔會(huì)隨著裁剪幅度的增加而增加。圖5 所示為DSI0（也可以是 DSI1）上的一個(gè)超級(jí)幀流輸入，它被分離成了2 個(gè)不同的視頻分辨率。當(dāng)接收到超級(jí)幀時(shí)，該超級(jí)幀會(huì)重新格式化為交替像素3D 格式，然后再分離成2 個(gè)圖像?？梢暂敵霾煌直媛实? 塊視頻，比如一塊輸出1 080P 分辨率，另一塊輸出720P 分辨率。接下來會(huì)對(duì)生成圖像中的1 個(gè)或2 個(gè)圖像執(zhí)行裁剪功能以獲得所需的分辨率，然后會(huì)將圖像轉(zhuǎn)發(fā)到兼容的解串器和所連接的顯示屏。

2.3 視頻輸出能力分析

視頻輸出是否帶動(dòng)2 塊顯示屏，還必須對(duì)串行器、連接器、線束和解串器逐一進(jìn)行傳輸能力的分析。在這里L(fēng)ine rate 是FPD-LINK 串行總線上的高速信號(hào)的速率，單位為bps（bit/s）。每個(gè)PCLK 會(huì)把24 bit RGB888 數(shù)據(jù)、控制信號(hào)（包括GPIO、I2C 等）以及時(shí)鐘信號(hào)編碼成為35 bit 的數(shù)據(jù)傳輸。line rate 和PCLK 之間存在固定的35 倍關(guān)系，串行總線上的一個(gè)UI 為line rate 的倒數(shù)，即Line rate= fPCLK×35。因此PCLK 速度越高，line rate 越高，1UI 對(duì)應(yīng)的時(shí)間越短。UI 參數(shù)可以用于眼圖與時(shí)鐘Jitter 的評(píng)估。由于FPD-LINK III 采用NRZ 編碼方式，在串行線纜上，高速信號(hào)的等效信號(hào)頻率為line rate 的一半。信號(hào)頻率參數(shù)可以用于指導(dǎo)線纜、連接器的選型。

視頻輸出需要的數(shù)據(jù)帶寬如表2 所示。為了驅(qū)動(dòng)多塊顯示屏進(jìn)行顯示，需要選擇對(duì)應(yīng)的串行器、解串器、連接器以及線束，以確保顯示鏈路不存在傳輸瓶頸。

通過對(duì)DP 和DSI 的視頻信號(hào)進(jìn)行串行化和解串化處理，可以大幅減少外部傳輸信號(hào)線的數(shù)量。同時(shí)可以有效延長傳輸距離，整車對(duì)于顯示屏的布置也更加方便。

2.4 視頻輸入設(shè)計(jì)

智能座艙域控制器中的視頻輸入功能也非常重要，主要應(yīng)用有后視攝像頭RVC、環(huán)視攝像頭AVM、乘客監(jiān)控?cái)z像頭OMS、行車記錄儀攝像頭DVR、駕駛員識(shí)別和監(jiān)控?cái)z像頭DMS 等。SA8155P 具有4 路MIPI CSI 接口，每路可以支持200 ～ 400 MP的攝像頭輸入。視頻輸入系統(tǒng)框如圖6 所示。

為了讓攝像頭可以更好地實(shí)現(xiàn)解碼和顯示功能，本研究對(duì)攝像頭數(shù)據(jù)格式、分辨率和供電等進(jìn)行了歸一化處理（表3）。歸一化處理后優(yōu)化了SoC 內(nèi)部ISP 處理過程，可以最多同時(shí)對(duì)8 路攝像頭進(jìn)行處理后輸出。

攝像頭采集到4 通道的YUV422 前端數(shù)據(jù)后會(huì)編碼成長數(shù)據(jù)包。長數(shù)據(jù)包由3 個(gè)元素組成，分別為：32 位的數(shù)據(jù)包報(bào)頭（PH），特定于應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)有效載荷（具有可變數(shù)量的8 位數(shù)據(jù)字），以及16 位的數(shù)據(jù)包頁腳（PF）。數(shù)據(jù)包報(bào)頭進(jìn)一步由3 個(gè)元素組成：1 個(gè)8 位的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符，一個(gè)16 位的字計(jì)數(shù)字段，和一個(gè)8位的ECC。包頁腳只有1 個(gè)元素，即1 個(gè)16 位的校驗(yàn)和（圖7）。

4 顆攝像頭經(jīng)過解串器解碼后，會(huì)解碼成MIPI CSI 的格式。CSI-2 定義的引腳包含1 對(duì)時(shí)鐘線以及1 ～ 4 對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)線（datalane），其數(shù)據(jù)都是以byte 為單位，在每個(gè)lane 上分布。以4 對(duì)data lane數(shù)據(jù)分布情況為例（圖8），byte 0～byte n從lane 0～lane3 依次分布。具體byte 0 ～ byte n-1 的內(nèi)容就是CSI-2 協(xié)議定義的數(shù)據(jù)包，主要分為兩大類。一類是短包（short packet），主要用來傳遞行場(chǎng)同步信號(hào)，由固定的32 bit（4 byte）數(shù)據(jù)組成。還有一類是長包（long packet），主要用來傳遞圖像數(shù)據(jù)。每一行圖像會(huì)被打包成一個(gè)長包，長度不固定，取決于每一行圖像的像素個(gè)數(shù)以及每個(gè)像素的顏色深度。

攝像頭的數(shù)據(jù)會(huì)通過虛擬ID 分配號(hào)對(duì)應(yīng)虛擬通道地址VC ID，用來識(shí)別圖像數(shù)據(jù)來源于哪顆攝像頭。

3 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 Hypervisor 架構(gòu)

座艙域控制器的軟件相較于傳統(tǒng)的ECU 要復(fù)雜得多，其軟件架構(gòu)也與傳統(tǒng)ECU 之間存在很大差別。本研究設(shè)計(jì)的座艙域控制器軟件架構(gòu)采用QNX Hypervisor 技術(shù)[6]，在一個(gè)控制器上實(shí)現(xiàn)2 個(gè)客戶端（圖9）。其中，娛樂系統(tǒng)運(yùn)行的是Android 客戶機(jī)，主要完成中控娛樂和副駕駛娛樂的功能；儀表系統(tǒng)運(yùn)行的是具有實(shí)時(shí)性和功能安全的QNX 操作系統(tǒng)，主要完成與功能安全相關(guān)的儀表和HUD 功能。在硬件的基礎(chǔ)上，該架構(gòu)采用Hypervisor 技術(shù)對(duì)Android 和QNX 系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，構(gòu)建出HAL、Framework 實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，APP 層再通過接口對(duì)中間層和底層進(jìn)行調(diào)用。

3.2 多屏互動(dòng)架構(gòu)

QNX 和Android 之間的進(jìn)程間通訊主要包含系統(tǒng)間的控制命令/ 數(shù)據(jù)通訊，通過FDBus 來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)間的大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)通訊（比如圖像/ 音頻）可以通過共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊（圖10）。

屏幕的輸出使用WFD 框架，屏幕的輸出接口控制在QNX 端。Android 端使用代理與QNX 端通訊，可以實(shí)現(xiàn)中控屏、儀表屏、其他顯示屏之間的互動(dòng)。

4 結(jié)束語

座艙域控制器的研發(fā)及使用已經(jīng)成為趨勢(shì)。本文根據(jù)智能座艙域的場(chǎng)景特征，構(gòu)建設(shè)計(jì)了一款基于SA8155P 芯片的智能座艙域控制器并對(duì)各個(gè)主要模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。在智能座艙領(lǐng)域中，中控顯示屏IVI、儀表顯示屏Cluster、副駕駛娛樂顯示屏、HUD顯示屏、后視攝像頭RVC 以及環(huán)視攝像頭AVM 等應(yīng)用是最為重要且基本的，因此必須對(duì)視頻輸出輸入的系統(tǒng)解決方案做出合理的設(shè)計(jì)，才能滿足用戶良好的使用體驗(yàn)。區(qū)別于傳統(tǒng)的ECU，座艙域控制器硬件冗余設(shè)計(jì)也保證了在底層軟件和上層軟件設(shè)計(jì)得更為復(fù)雜，尤其是對(duì)于QNX Hypervisor 的軟件，能夠讓座艙域控制器更好地發(fā)揮其優(yōu)越性能。