車載信息娛樂系統(tǒng)框架介紹及發(fā)展概述

趙文棣，黃紅藍(lán)，李 豪，汪 攀

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430000）

汽車市場的高速發(fā)展催生了眾多的汽車制造商。汽車市場的競爭愈演愈烈，車載信息娛樂系統(tǒng)已成為整車差異化的一個關(guān)鍵點。傳統(tǒng)的車載系統(tǒng)功能單一，軟件系統(tǒng)封閉，不能滿足用戶個性化功能需求，更不能滿足當(dāng)今由4G技術(shù)催生出的各種信息服務(wù)。在未來幾年內(nèi)，車載遠(yuǎn)程信息服務(wù)和娛樂系統(tǒng)市場將會持續(xù)高速發(fā)展，現(xiàn)在的汽車不再是純粹的代步工具，單一功能正在向多功能方向發(fā)展．人們更關(guān)注汽車的安全、舒適、便捷、智能等。隨著用戶對駕車體驗要求的提高，車載信息娛樂系統(tǒng)已逐漸成為車身、動力總成和底盤三大基本單元以外的第四大系統(tǒng)［1］。

1 車載信息娛樂系統(tǒng)組成

車載信息娛樂系統(tǒng)是采用車輛專用中央處理器，基于汽車總線系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)形成的車輛綜合信息處理系統(tǒng)。相較早期的汽車只配有單一的收音機、CD機等簡單的功能，車載信息娛樂系統(tǒng)將汽車內(nèi)外環(huán)境的各種信息單元進(jìn)行集中收集和處理，并利用軟件系統(tǒng)、無線通信、音頻處理等技術(shù)實現(xiàn)多媒體娛樂、無線通信、導(dǎo)航、故障監(jiān)測、車輛信息顯示、車輛控制和后臺服務(wù)等一系列功能，成為集多功能于一體的綜合性產(chǎn)品，帶給用戶便利、安全、舒適上的全方位提升。

為了實現(xiàn)這些功能，需要多個模塊和零件整合交互，組成了一個龐大的框架（圖1），相關(guān)模塊之間根據(jù)功能要求采用不同的通信方式。CAN總線使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，支持多主控制器，是最常用的一種通信方式。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點均可以報文形式廣播給其他節(jié)點，發(fā)送報文優(yōu)先級可配置，多個節(jié)點同時通信時，低優(yōu)先級避讓高優(yōu)先級，不會對通信線路造成擁塞。同時通信速率可達(dá)到1Mb/s，具有高實時性、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點，滿足信息娛樂系統(tǒng)通信的基本要求。

圖1 車載信息娛樂系統(tǒng)組成

隨著娛樂系統(tǒng)功能和待傳數(shù)據(jù)量的增多，以及無線互聯(lián)、V2X等需求，CAN總線已逐漸無法滿足各使用場景，車載以太網(wǎng)被應(yīng)用到了娛樂系統(tǒng)架構(gòu)中，尤其是在T-Box和駕駛員儀表間對實時性要求較高的數(shù)據(jù)傳輸。車載以太網(wǎng)采用單對非屏蔽雙絞線，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到100Mbit/s甚至1Gbit/s，同時具有高可靠性、低電磁輻射和低延遲的優(yōu)勢。除了CAN總線和車載以太網(wǎng)這兩種代表主流和未來發(fā)展方向的通信，車載信息娛樂系統(tǒng)信息交互還包括LVDS、MOST、LIN、Flex Ray等，可根據(jù)功能需求選用合適的傳輸方式。

下文將對車輛信息娛樂系統(tǒng)三大主要模塊：娛樂系統(tǒng)主機、T-Box模塊以及駕駛員信息儀表進(jìn)行介紹。

2 娛樂系統(tǒng)主機模塊（Infotainment）

信息娛樂系統(tǒng)主機是整個車載信息娛樂系統(tǒng)的核心模塊之一，現(xiàn)以一種典型的娛樂系統(tǒng)主機為例，介紹車載信息娛樂系統(tǒng)的框架特點。

2.1 軟件架構(gòu)

隨著車載信息娛樂系統(tǒng)功能的豐富和車載電子外部交互和接口標(biāo)準(zhǔn)的增加，原先簡單的嵌入式操作系統(tǒng)開始采用分層化、模塊化、平臺化的軟件架構(gòu)，在提升開發(fā)效率的同時可以降低成本。目前市場上主流的車載信息娛樂系統(tǒng)主機操作系統(tǒng)包括：Linux、Android、QNX、WinCE，其中采用安卓系統(tǒng)的娛樂主機由于其生態(tài)豐富的優(yōu)勢，發(fā)展尤為迅速。并且hypervisor虛擬化技術(shù)的發(fā)展，允許多個操作系統(tǒng)和應(yīng)用共享硬件，將不同OS系統(tǒng)運行在同一個主控芯片，所以很多主機采用了Android和Linux雙系統(tǒng)，Linux具有安全穩(wěn)定運行高效、對硬件要求比較低的優(yōu)勢，而Android彌補了Linux應(yīng)用匱乏的劣勢。兩個系統(tǒng)之間可通過RPC構(gòu)建跨系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)用。如圖2所示。除了Linux和Android的底層，系統(tǒng)還包括中間層和應(yīng)用層。中間層由信號接收處理接口和調(diào)用接口的處理器組成，應(yīng)用層包括APP及人機交互顯示頁面（HMI）［3］。在車輛啟動時候，Linux可更快速地先啟動，同時點亮娛樂系統(tǒng)頁面顯示，待Android應(yīng)用層就緒后，整個系統(tǒng)所有功能完成啟動，這種特性可以有效縮減系統(tǒng)的啟動時間，給用戶帶來更好的體驗。另外系統(tǒng)中還會包括fast boot、watch dog等程序，負(fù)責(zé)系統(tǒng)快速啟動，系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控與支持等功能。

圖2 軟件架構(gòu)

2.2 硬件組成

為了實現(xiàn)娛樂系統(tǒng)對應(yīng)功能，硬件組成上包括了以下幾個主要部分：主SoC，MCU，電源管理芯片（PMIC），負(fù)責(zé)音頻的DSP&Tuner芯片，用于導(dǎo)航功能的GPS和Gyro芯片，用于連接USB的驅(qū)動芯片，負(fù)責(zé)以太網(wǎng)通信的芯片（BroadR-Reach Switch），藍(lán)牙&WIFI芯片，對Carplay支持的IC，以及閃存（硬件+對應(yīng)功能）。如圖3所示。

圖3 硬件組成

1）主SoC承擔(dān)了娛樂系統(tǒng)的主要功能，搭載了Linux和Android，包括了Audio、收音機、顯示、語音、藍(lán)牙、導(dǎo)航、第三方APP等功能塊，以及信息顯示（HMI）的功能。MCU搭載了嵌入式程序，主要負(fù)責(zé)CAN通信、網(wǎng)絡(luò)、故障信息診斷以及系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測等功能。在車輛剛啟動時，娛樂主機需要快速上電，并與整車建立通信，主SoC上功能較多所需啟動時間較長，此時就需要MCU快速啟動使CAN通信、診斷、chime等功能就緒，同時將SoC拉起。兩個芯片之間的通信通常采用UART或SPI，二者都是常用的串行總線。

Infotainment模塊作為整車通信網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點，MCU內(nèi)還定義了模塊本身會接收哪些CAN消息，以及針對收到的CAN消息如何處理。接收到的CAN消息一部分會由MCU直接處理，例如喚醒信號、chime信號等，另外一部分SoC負(fù)責(zé)的功能會透傳給SoC來處理，例如空調(diào)狀態(tài)、車速及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等信息。同時模塊會反饋狀態(tài)信息，例如模塊診斷信息以及故障碼，到CAN總線，實現(xiàn)與車輛其他模塊間的通信和交互。

2）主機所有功能的電源檢測和管理由一塊專門的電源管理芯片（PMIC）負(fù)責(zé)。娛樂系統(tǒng)主機由整車供電（12V），電源管理模塊根據(jù)當(dāng)前整車電源狀態(tài)，每種狀態(tài)下主機哪些模塊需要工作，進(jìn)行電源的管理分配，例如車輛由OFF切換到RUN狀態(tài)，零件內(nèi)部總線通信模塊需要快速上電。另外，PMIC還要考慮到某些極端情況下的電流電壓波動，例如蓄電池虧電或異常掉電等工況下，保障主機內(nèi)電子元器件工作環(huán)境的相對穩(wěn)定，避免元器件損壞。

3）娛樂主機中的多媒體功能，包括FM/AM廣播、藍(lán)牙音樂、音視頻播放以及chime、VR語音、車載導(dǎo)航等功能都由音頻系統(tǒng)負(fù)責(zé)。在音頻系統(tǒng)實現(xiàn)中，DSP提供了音源選擇、音量控制、音量補償、音源平衡、EQ控制等功能接口。音頻策略定義了各個應(yīng)用場景下的音量的等級、混音策略以及響度補償策略［3］。在此基礎(chǔ)上，還要參考實車環(huán)境，例如內(nèi)飾布局、材質(zhì)會影響聲音反射和吸收，VR語音和電話功能要避免回聲和噪聲對于語音識別率和通話品質(zhì)的干擾等，對音量曲線、頻響曲線、失真度、信噪比等進(jìn)行調(diào)試，以達(dá)到最佳效果。另外受安全和法規(guī)的要求，音頻系統(tǒng)還需要滿足車輛剛啟動時，各種報警音和提示音的快速輸出。

4）隨著高精地圖和T-Box的發(fā)展，車載地圖導(dǎo)航目前已經(jīng)比較成熟成為娛樂系統(tǒng)不可缺少的功能。在導(dǎo)航功能中，GPS芯片提供經(jīng)緯度和速度信息給車機進(jìn)行定位，而在隧道、涵洞等一些GPS信號較弱的地方，Gyro芯片可提供實時加速度信息，通過計算可以得到此時車輛的速度和方向，進(jìn)而推算出車輛位置，實現(xiàn)慣性導(dǎo)航，提高定位的準(zhǔn)確性。

5）與主機相連的觸控屏幕實現(xiàn)了顯示和控制功能，通常分為一體式和分體式。一體式即和娛樂主機模塊集成在一起，通常用RGB信號連接，也有使用LVDS和HDMI接口。分體式即屏幕與娛樂主機分開，屏幕顯示常通過LVDS或HDMI。觸控功能常使用I2C通信。由于零件集成度越來越高，越來越多的車輛采用了模塊和屏幕分開的方案。

3 T-Bo x模塊（Telematics）

T-Box模塊為車輛提供了網(wǎng)絡(luò)及通信服務(wù)，模塊內(nèi)部集成了運營商的SIM卡，可為車輛聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用（例如基于云端的賬戶功能、車載導(dǎo)航、音樂APP等）提供數(shù)據(jù)連接。另外一個重要功能是提供導(dǎo)航位置信息，并將經(jīng)緯度和時間等信息上傳CAN總線供其他模塊使用。T-Box還是車輛遠(yuǎn)程信息查詢及控制服務(wù)的硬件基礎(chǔ)，服務(wù)方后臺通過T-Box獲取到例如車輛胎壓、位置等車輛信息，并通過后臺下發(fā)指令實現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動、遠(yuǎn)程上鎖、遠(yuǎn)程開窗等便捷服務(wù)；另外在檢測到碰撞、安全氣囊彈出等緊急情況，T-Box也會將碰撞信息上發(fā)給后臺服務(wù)并自動觸發(fā)救援求助，對保障成員安全有重要作用。如圖4所示。

圖4 T-Box/Infotainment通信

4 駕駛員信息儀表（Cluster）

駕駛員信息儀表是整車信息娛樂系統(tǒng)另外一個重要組成部分。早期的機械儀表功能簡單，只能顯示車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油位、水溫、故障燈等基本信息，隨著整車電氣化以及功能需求增多，儀表增加了電子顯示屏，可顯示車輛胎壓、油耗、多媒體等。為了娛樂系統(tǒng)多屏實時交互和硬件一體化設(shè)計，儀表和娛樂主機間通信除了CAN外也引入了車載以太網(wǎng)，常見的娛樂主機將導(dǎo)航信息和路線投射在儀表上實時顯示就是通過以太網(wǎng)傳輸實現(xiàn)的，方便了駕駛員觀察，提高了行駛安全。駕駛員儀表還常與infotainment主機一起，根據(jù)車輛功能架構(gòu)分配作為駕駛艙內(nèi)各項報警音（chime）的仲裁或者發(fā)聲裝置，例如轉(zhuǎn)向提示音、門開報警音等，可通過儀表內(nèi)部揚聲器來發(fā)聲，或者經(jīng)過儀表或娛樂主機仲裁之后由車內(nèi)揚聲器發(fā)聲。

5 發(fā)展趨勢

車載信息娛樂系統(tǒng)智能化是未來的發(fā)展大勢。硬件方面，從早期機械式儀表、按鍵逐漸發(fā)展到半機械半液晶屏以及全液晶屏的樣式，到目前的智能座艙，中控上大量的物理按鍵被觸控以及語音操作所替代，整個人機交互更加方便友好，車輛信息呈現(xiàn)更加直觀高效，駕駛感受和科技感得到了大大提升［4］。目前市面上常見的幾種方案：以奔馳為代表的整合了駕駛員儀表和中控屏為一體的雙聯(lián)屏產(chǎn)品，以特斯拉為代表的取消駕駛員儀表，將儀表及空調(diào)調(diào)節(jié)等功能整合到中控大屏中進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制。在座艙顯示和控制整合的背后，是基于多核高性能、具備更強算力的CPU/GPU芯片，將原本獨立的娛樂主機和儀表等分散小型控制器加以整合成為域控制器，并配以開放式的整體架構(gòu)，成為車載娛樂系統(tǒng)架構(gòu)上的趨勢。這種趨勢也將擴(kuò)展到HUD（抬頭顯示）、空調(diào)控制、駕駛員檢測系統(tǒng)等更多功能模塊，從獨立分散的節(jié)點整合為一個娛樂信息系統(tǒng)域，配合以車載以太網(wǎng)，成為集成度和通信效率更高、功能更強大的整體。

另外，未來車輛不僅僅是交通工具，更是日常生活的一個重要節(jié)點，車載信息娛樂系統(tǒng)是車聯(lián)網(wǎng)在車輛上的接口和功能實現(xiàn)。通過車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)的融合，利用云端服務(wù)大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，提高系統(tǒng)表現(xiàn)。例如基于云端的智能導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實時獲取到最新的道路及周邊路況信息；基于云端的語音系統(tǒng)，利用云端數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢，可以支持更靈活的指令和話術(shù)，大大提高語音的識別率和準(zhǔn)確性；另外還有基于用戶習(xí)慣個性化推送的影音娛樂和生活服務(wù)等。通過與后臺和云端的對接，車載信息娛樂系統(tǒng)可以擺脫車輛硬件的限制，大大提升了用戶體驗。

6 結(jié)語

本文概述了車載信息娛樂系統(tǒng)的整體框架、主要模塊的功能特點以及軟硬件架構(gòu)，對目前主流的信息娛樂系統(tǒng)有了更清楚的了解。并對未來信息娛樂新系統(tǒng)發(fā)展方向進(jìn)行了探討，對新一代信息娛樂系統(tǒng)開發(fā)，帶給用戶更好的體驗，具有實際價值和意義。