一種兩機四屏的車載多媒體AVNT系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn)

鐘克華，鐘蔓芩

（1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州510640；2.東南大學電氣工程學院，江蘇 南京210096）

時代的發(fā)展，車輛中控和儀表從原來的機械儀表和收音機組合發(fā)展成為了數(shù)字化的多媒體設(shè)備，集成AVNT（Audio Video Navigation Telematics，音視頻、導航、車聯(lián)網(wǎng)）功能，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求。隨著車輛舒適性提高，要求AVNT功能集成越來越多，性能要求也越來越高。然而功能和性能兩者間會存在矛盾，即功能多會影響性能指標，影響用戶體驗，包括響應速度和運行流暢等。為解決這種功能和性能的矛盾問題，一種兩機四屏的車載AVNT系統(tǒng)方案被提了出來。本文對其設(shè)計和實現(xiàn)進行介紹。

1 功能需求

系統(tǒng)組成：本方案的兩機四屏車載AVNT系統(tǒng)，由前主機、中控屏、儀表屏、后主機、左后娛樂屏、右后娛樂屏組成，分別組成兩個獨立單元；其中前主機與中控屏、儀表屏組成前排控制單元，后主機與左后娛樂屏、右后娛樂屏組成后排娛樂單元RSE（Rear Seat Entertainment，后座娛樂）。兩個單元可以獨立運行，也可以通過以太網(wǎng)進行交互，組成系統(tǒng)運行。

前排控制單元是系統(tǒng)的主要部分，提供車輛控制、車輛信息顯示、通信導航、生活娛樂和用戶個性化設(shè)置等功能，滿足車輛主體功能需求；后排娛樂單元是重要組成部分，提供音樂視頻、生活出行、應用生態(tài)、娛樂和游戲等功能，豐富車輛生態(tài)內(nèi)容。

經(jīng)過對用戶功能需求的分析和整理，分解為開發(fā)需求：前主機需求和后主機需求，兩部分通過以太網(wǎng)進行交互，形成一個完整的系統(tǒng)，如圖1所示。

1.1 前主機功能

1）主要功能：前主機的開發(fā)功能需求包括：儀表屏顯示、中控屏顯示、線控、收音、音效、BT（Blue tooth，藍牙）、WiFi（無英文全稱，一種無線局域網(wǎng)技術(shù)）、以太網(wǎng)、MIC（Microphone，麥克風）輸入、Horn（喇叭）音頻輸出、視頻輸入、視頻輸出、語音識別、安全加密、數(shù)據(jù)運行和存儲、GNSS（Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）衛(wèi)星定位、CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線接口、USB（Universal Serial Bus通用串行總線）接口等。其中：運行采用DDR（Double Data Rate，雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器，簡稱內(nèi)存）內(nèi)存；數(shù)據(jù)存儲采用EMMC（Embedded Multi Media Card，內(nèi)嵌式存儲卡，簡稱存儲卡）卡；衛(wèi)星定位，支持北斗和GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）；對數(shù)據(jù)采集和顯示需要進行大數(shù)據(jù)量的傳輸，采用LVDS（Low Voltage Differential Signal，低振幅差分信號技術(shù)）技術(shù)，支持高速數(shù)據(jù)傳送；為滿足用戶易用性，USB支持OTG（On The Go，一種應用于不同的設(shè)備或移動設(shè)備間的連接進行數(shù)據(jù)交換的技術(shù)）方式實現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送。

2）備選功能：考慮到用戶需求多樣性，滿足用戶選擇配置的需求，可以采用設(shè)計好功能以軟件激活的方式開通使用，功能包括：擬人助手、AVM（Around View Monitor，全景影像系統(tǒng)）全景環(huán)視、RVC（Rear View Camera，倒車影像）倒車影像功能，倒車影像數(shù)據(jù)傳輸采用CVBS（Composite Video Broadcast Signal，復合視頻廣播信號）技術(shù)。

3）擴展功能：考慮系統(tǒng)擴展性能，以利于日后功能擴展需要，可以采用預留硬件設(shè)計和接口，待需要時開發(fā)軟件的方式解決功能需求，這些功能包括：DMS（Driver Monitoring System，駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)）駕駛監(jiān)控、DVR（Digital Video Recorder，數(shù)字視頻錄像機）行車記錄、NV（Night Vision，夜視）夜視等功能。

1.2 后主機功能

后主機的開發(fā)功能需求包括：后排左右屏顯示、音頻輸出、BT、WiFi、以太網(wǎng)、視頻輸入輸出、安全加密、數(shù)據(jù)運行和存儲、CAN總線接口、USB接口，DSP（Digital Signal Process數(shù)字信號處理）處理等。

1.3 前后主機功能交互

前排主機和后排主機分處兩個獨立的單元，兩個主機間通過以太網(wǎng)進行信號傳輸和功能交互。利用虛擬網(wǎng)關(guān)（Gateway，網(wǎng)關(guān)）進行網(wǎng)絡(luò)管理。

2 硬件設(shè)計

2.1 電子系統(tǒng)圖

此兩機四屏方案中，電子系統(tǒng)框圖如圖2所示。前后兩個主機采用相同的主芯片，前主機運行內(nèi)存為8GB，存儲容量為64GB；后主機運行內(nèi)存6GB，存儲容量為32GB。

2.2 主芯片

1）主芯片：采用Renesas（瑞薩，芯片公司）芯片，型號為R-car M3，是一種SOC（System on Chip，系統(tǒng)級芯片）汽車芯片，提供ARM（Acorn RISC Machine，Acorn公司的微處理器）雙核cortex-A57以及4核cortex-A53的高性能CPU、3D圖像識別處理引擎，符合ISO 26262（ASIL-B）的安全等級，支持系統(tǒng)級封裝SIP，集成高速緩存，帶有HSM（Hardware Security Module，硬件安全模塊）功能。

圖1 車輛AVNT系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2）微控制單元：MCU采用Renesas的RH850 32位芯片，型號為R7F7016213AFP，支持CAN信號處理。

3）藍牙和WiFi模塊：采用Murata（村田，芯片公司）的WiFi+Bluetooth Module芯片，型號為：SP-LBEE6ZZ1TD，藍牙支持Bluetooth V 4.2協(xié)議、WiFi支持IEEE 802.11a/b/g/n/ac協(xié)議。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)包括前主機和后主機，前后主機擔負的功能不同，按兩套不同的軟件進行設(shè)計。其中，前主機承擔系統(tǒng)的控制等核心功能，要求較高，軟件更復雜；后主機承擔娛樂功能，豐富系統(tǒng)的生活及娛樂功能，整體較簡單。

3.1 前主機軟件設(shè)計

前主機采用雙系統(tǒng)設(shè)計，分為QNX系統(tǒng)（Quick UNIX，汽車電子端的Unix操作系統(tǒng)）和Android（安卓操作系統(tǒng)，移動設(shè)備端的Linux操作系統(tǒng)）系統(tǒng)兩個系統(tǒng)。

3.1.1 雙系統(tǒng)軟件功能分工

QNX系統(tǒng)具有穩(wěn)定和響應快速的特點，把需要快速響應的功能布置在QNX系統(tǒng)上，包括：QNX操作系統(tǒng)、電源管理模塊、診斷模塊、RVC和OPS（optical parking system，可視化駐車系統(tǒng)）信息顯示、儀表應用、HVAC（Heating Ventilation and Air Conditioning，空調(diào)）空調(diào)應用、調(diào)試與資源管理、安全。

圖2 電子系統(tǒng)框圖

Andriod系統(tǒng)具有開放和便利的特點，可把對響應時間要求不太高的功能布置在Android系統(tǒng)上，包括：Android OS（operation system，操作系統(tǒng)）、Android Framework框架、電源管理、Tuner收音、多媒體、音源管理、藍牙管理、本地語音和在線語音模塊、WLAN無線網(wǎng)絡(luò)模塊、導航與地圖、圖片瀏覽、Carplay（蘋果公司Carplay應用）& carlife（百度公司Carlife應用）手機互聯(lián)、軟件下載模塊、Web瀏覽、通過OEM（Original Equipment Manufacturer，定點生產(chǎn)）在線服務(wù)、第三方應用、APP應用商店、安全、AVM全景模塊、DVR功能、DMS系統(tǒng)、FOTA（File Over the Air，空中下載）遠程升級。

3.1.2 整體軟件架構(gòu)

軟件采用分層設(shè)計。前主機軟件的整體軟件架構(gòu)，分別包括MCU、SOC QNX和Android整體軟件架構(gòu)，分別如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

在SOC架構(gòu)中，采用Hypervisor（中間軟件層，也叫virtual machine monitor，虛擬機監(jiān)視器）虛擬化技術(shù)，雙系統(tǒng)（Android OS和QNX OS）共享硬件資源。

3.1.3 前主機兩個系統(tǒng)間信息交互

前主機的雙系統(tǒng)信息交互采用虛擬以太網(wǎng)的方式交互，如圖7所示。CAN信息［1-2］交互采用虛擬SPI的方式交互，如圖8所示。

圖3 MCU整體軟件架構(gòu)圖

圖4 SOC整體軟件架構(gòu)圖

圖5 QNX整體軟件架構(gòu)圖

圖6 Android整體軟件架構(gòu)圖

圖7 前主機信息交互

圖8 前主機CAN信息交互

3.2 后主機軟件設(shè)計

1）應用雙開：RSE系統(tǒng)的后主機使用Android操作系統(tǒng)。使用Android系統(tǒng)所支持的多用戶功能，利用應用雙開技術(shù)，實現(xiàn)一機雙屏。兩個用戶的應用彼此分開，隔離開來，獨立運行，如圖9所示。

2）系統(tǒng)架構(gòu)：后主機SOC的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖10所示。

圖9 后主機應用雙開

圖10 后主機系統(tǒng)架構(gòu)

4 實現(xiàn)與應用

因設(shè)計時采取了備選功能和擴展功能方式進行設(shè)計，故應用中可以獲得多方式組合，以實現(xiàn)車載多媒體的高、中、低配置等多種配置方案?？梢越M合成如下方案。

1）方案1（高配方案）：二機四屏前后交互方案。前排主機一機兩屏（中控+儀表），后排主機一機兩屏，前排與后排交互功能。

2）方案2（中配方案）：二機四屏前后無交互方案。前排主機一機兩屏（中控+儀表），后排主機一機兩屏，前排與后排無交互功能。

3）方案3（低配方案）：一機兩屏方案。前排主機一機兩屏（中控+儀表）。方案3是一個節(jié)省成本的方案，后排沒有主機和雙屏。