一種車載智能座艙域控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐磊

摘 要：汽車電氣化、智能化的發(fā)展，帶來(lái)智能座艙Cockpit和輔助駕駛ADAS域控制器電子電氣架構(gòu)的變化。高階座艙域控制器系統(tǒng)對(duì)硬件平臺(tái)芯片及接口資源、軟件系統(tǒng)、多模態(tài)交互方式等提出更高的要求。本文根據(jù)高通SA8295車規(guī)級(jí)芯片主要特性和座艙應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)出智能座艙系統(tǒng)平臺(tái)的軟硬件架構(gòu)及其功能，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景詳細(xì)研究分析各功能模塊。

關(guān)鍵詞：智能化 智能座艙 域控制器系統(tǒng) 設(shè)計(jì)研究

1 引言

車載座艙系統(tǒng)在電氣化及智能化的發(fā)展背景下，功能越來(lái)越豐富。消費(fèi)類電子設(shè)備，尤其是智能手機(jī)和移動(dòng)平板設(shè)備的發(fā)展，給用戶帶來(lái)思維方式和生活習(xí)慣的改變。相較于傳統(tǒng)封閉式車載電子系統(tǒng)，汽車座艙系統(tǒng)也將會(huì)被消費(fèi)類電子帶來(lái)的變化所影響，如傳統(tǒng)座艙的導(dǎo)航、音響娛樂(lè)、電話、燈光、空調(diào)控制等功能需求變化。傳統(tǒng)車廠及零部件供應(yīng)商被迫思考從根本上轉(zhuǎn)型，如何改變座艙系統(tǒng)現(xiàn)有的封閉落后狀況，順應(yīng)行業(yè)趨勢(shì)發(fā)展，利用智能汽車載體設(shè)計(jì)出更符合用戶需求和習(xí)慣的智能座艙系統(tǒng)，成為行業(yè)面臨的課題。

2 座艙行業(yè)狀況

汽車座艙的發(fā)展有三個(gè)清晰的方向，分別是汽車硬件電子化、汽車控制系統(tǒng)集成化和座艙環(huán)境舒適化。為推進(jìn)這三個(gè)方向，座艙硬件、座艙控制系統(tǒng)、座艙駕駛輔助設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，就是智能座艙在今天和未來(lái)的發(fā)展方向。

汽車“新四化”[1]的快速發(fā)展背景下，大量相同功能的ECU重新整合，交由域控制器進(jìn)行統(tǒng)一管理調(diào)度，汽車電子電氣架構(gòu)從分布式邁向當(dāng)前域集中式，再到未來(lái)的中央集中式電氣架構(gòu)，整體呈現(xiàn)快速演進(jìn)態(tài)勢(shì)。

隨著整車E/E架構(gòu)集中化升級(jí)，智能座艙未來(lái)會(huì)經(jīng)歷四個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：

● 電子座艙：主要在基礎(chǔ)技術(shù)層面，將汽車EE架構(gòu)域內(nèi)整合、系統(tǒng)分層，決定汽車新的軟硬件定義方法。

● 智能助理：提升車輛內(nèi)部感知能力，駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS）、抬頭顯示系統(tǒng)（HUD）等。

● 人機(jī)共駕：車內(nèi)與車外感知相結(jié)合，車輛支持自主或半自主決策，主動(dòng)感知需求，向人提供服務(wù)。

● 第三生活空間：車輛場(chǎng)景生活化、豐富化（出行規(guī)劃、主動(dòng)訂餐、自動(dòng)停泊車/尋車+充電、智能內(nèi)容推送、影音/游戲娛樂(lè)、自動(dòng)支付等），車內(nèi)體驗(yàn)線上/下無(wú)縫聯(lián)動(dòng)的空間體驗(yàn)。

3 智能座艙系統(tǒng)資源

目前主流的智能座艙系統(tǒng)主要構(gòu)成可以分為三部分：硬件（座艙芯片、電子后視鏡、HUD等）、軟件、多模態(tài)交互（觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、生物識(shí)別）。

3.1 智能座艙硬件

傳統(tǒng)汽車ECU安裝數(shù)量多達(dá)200，且不便控制。在集中式E/E架構(gòu)趨勢(shì)下，新增的域控制器集成了更多的功能。主控芯片會(huì)用到高算力、高帶寬、多接口資源能力的SoC芯片，替代傳統(tǒng)的MCU。單SoC能減少域控制器內(nèi)部算力冗余，將多應(yīng)用共用一套硬件設(shè)備。集中式架構(gòu)SoC應(yīng)用，能完成高實(shí)時(shí)性的統(tǒng)一交互，減少ECU硬件數(shù)量和成本等總需求，增加用戶汽車體驗(yàn)舒適度。

電子后視鏡通過(guò)車輛攝像頭的視角，實(shí)時(shí)拍攝車輛外部畫(huà)面，能將無(wú)損、無(wú)延遲的畫(huà)面在中央后視鏡顯示屏真實(shí)呈現(xiàn)出來(lái)。相比于傳統(tǒng)玻璃后視鏡，能減少視覺(jué)盲區(qū)，提高夜間畫(huà)面清晰度。目前流媒體后視鏡通過(guò)車輛后置攝像頭，實(shí)時(shí)拍攝車輛后方的畫(huà)面；車內(nèi)電子后視鏡通過(guò)后視鏡側(cè)視攝像頭，將感知到的外部數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳輸?shù)桨惭b在A柱和門把手間的屏幕進(jìn)行顯示。

HUD抬頭顯示儀，基本原理為將重要信息光源通過(guò)反射映照在顯示板或前擋風(fēng)玻璃上。駕駛員不必低頭就可以看清重要汽車信息，且不遮擋視野，極大的提升了駕駛過(guò)程的行車安全和交互便利。HUD投影成像技術(shù)有三種：C-HUD將信息鏡像到透明面板上；W-HUD將信息直接顯示在擋風(fēng)玻璃上，駕駛員看到的是虛擬圖像，通常距離駕駛員的眼睛約2米；AR-HUD，具有數(shù)據(jù)融合和圖像處理功能，可將圖像精確地繪制到道路上向駕駛員導(dǎo)航。

3.2 智能座艙軟件

在軟件定義汽車的大趨勢(shì)下，座艙操作系統(tǒng)（Operating System，OS）指控制和管理計(jì)算設(shè)備的硬件和軟件資源[2]的窗口，是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)汽車向智能化升級(jí)的關(guān)鍵。座艙域控制器操作系統(tǒng)包括QNX、Linux、Android，通過(guò)Hypervisor虛擬機(jī)模擬完整的硬件系統(tǒng)功能，運(yùn)行在一個(gè)完全隔離環(huán)境的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。域控制器底層OS在虛擬環(huán)境下，靈活調(diào)度CPU、內(nèi)存和I/O等硬件資源，實(shí)現(xiàn)多操作系統(tǒng)在虛擬機(jī)的協(xié)調(diào)下單元整合與算力共享。

OTA遠(yuǎn)程在線升級(jí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載升級(jí)包對(duì)車輛自動(dòng)升級(jí)。OTA分兩種，SOTA：遠(yuǎn)程給汽車軟件系統(tǒng)升級(jí)和完善，主要服務(wù)于車載信息和娛樂(lè)系統(tǒng)。FOTA：遠(yuǎn)程給汽車固件系統(tǒng)升級(jí)和完善，主要服務(wù)于自動(dòng)駕駛、車身控制和動(dòng)力系統(tǒng)。OTA是汽車在全生命周期中實(shí)現(xiàn)軟件及功能更新的重要途徑。座艙系統(tǒng)虛擬化后，OTA能為車機(jī)安全、軟件提供漏洞補(bǔ)丁并導(dǎo)入新功能，用戶可在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方，對(duì)車輛升級(jí)。目前可OTA升級(jí)的座艙系統(tǒng)包含：中控屏界面、操作按鈕、娛樂(lè)系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、油門踏板力度等。

3.3 智能座艙多模態(tài)交互

多模態(tài)人機(jī)交互[3]利用AI技術(shù)和傳感器配合，完成自動(dòng)駕駛輔助安全功能和提升座艙多?；?dòng)便利。交互方式有觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、生物識(shí)別等技術(shù)特征。

觸覺(jué)技術(shù)包括實(shí)體按鍵和屏幕觸控等。座艙多屏化、大屏化[4]使得觸控范圍同步在擴(kuò)大，如從前排屏擴(kuò)展到后排屏同步觸控和異步多點(diǎn)觸控等，這加速了車端座艙智能化的步伐，讓艙內(nèi)體驗(yàn)環(huán)境更豐富。

語(yǔ)音交互從過(guò)去的被動(dòng)式向當(dāng)下的主動(dòng)式演進(jìn)，再到未來(lái)主動(dòng)交互+情感式陪伴等組合方式，終極目標(biāo)是替代用戶完成所有車內(nèi)需要?jiǎng)邮值牟僮?。語(yǔ)音軟件在座艙語(yǔ)音交互技術(shù)中扮演重要角色，通過(guò)精準(zhǔn)的座艙語(yǔ)音助手和算法處理能力，完成聲源定位、語(yǔ)義理解、單句多任務(wù)等功能。艙內(nèi)場(chǎng)景如聲源定位，后排左邊乘客發(fā)出語(yǔ)音指令“打開(kāi)天窗”，就能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，打開(kāi)天窗。語(yǔ)義理解能憑借粗略描述精準(zhǔn)反饋結(jié)果，同時(shí)車端互動(dòng)配置情感色彩。單句多任務(wù)打破原先“一句一操”的呆板互動(dòng)，變成從關(guān)上車窗、打開(kāi)空調(diào)、導(dǎo)航的一次性連貫性操作。

視覺(jué)是基于面部和手勢(shì)識(shí)別大量應(yīng)用座艙內(nèi)。面部識(shí)別以DMS為主，系統(tǒng)基于攝像頭和近紅外技術(shù)，檢測(cè)駕駛員凝視方向、打哈欠和頭部運(yùn)動(dòng)、閉眼、疲勞及其他異常駕駛等狀態(tài)。若出現(xiàn)情況，及時(shí)啟用語(yǔ)音燈光警示駕駛員，防范駕駛嚴(yán)重事故。手勢(shì)識(shí)別在座艙場(chǎng)景中，補(bǔ)充交互模態(tài)上車，應(yīng)用于多媒體切換、音量控制、接電話、燈光控制等；在ADAS方面，基于車外視覺(jué)感知功能，實(shí)現(xiàn)車輛停泊車、召喚、啟動(dòng)等功能。

生物識(shí)別技術(shù)主要有指紋、虹膜/眼球追蹤、靜脈/心率等。應(yīng)用場(chǎng)景包括，用戶ID記錄、車內(nèi)支付；車載健康概念；增強(qiáng)DMS/OMS等艙內(nèi)監(jiān)控精度，未來(lái)可能應(yīng)用在意圖預(yù)測(cè)、主動(dòng)推薦方面等。

4 高通SA8295芯片資源

汽車智能化電子電氣架構(gòu)的發(fā)展，給SoC芯片原廠帶來(lái)“減重降本”、“智能網(wǎng)聯(lián)化”、“快速迭代”、“商業(yè)模式顛覆”等四大方面的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。基于E/EA電子電氣架構(gòu)的演變，高通近些年在智能座艙SoC芯片領(lǐng)域也做了提升變化，見(jiàn)圖1。

SoC芯片端高通對(duì)性能是有質(zhì)的提升，目前市場(chǎng)主要應(yīng)用7nm的SA8155P平臺(tái)。2023年第三季度，高通SA8295量產(chǎn)，且已經(jīng)得到很多國(guó)內(nèi)外車廠的廣泛定點(diǎn)。

5 高通SA8295智能座艙域控制器系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)高通SA8295的芯片資源，結(jié)合整車對(duì)于連接器、電源、信號(hào)、通信各方面的要求，對(duì)智能座艙域控制器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。域控制器系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖如下圖2所示。

5.1 高通SA8295座艙域控制器系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方案

結(jié)合上述座艙硬件架構(gòu)系統(tǒng)平臺(tái)，本文基于高通SA8295智能座艙域控制器系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案多元化配置。

音頻模塊主要依賴于功放系統(tǒng)模塊來(lái)發(fā)聲，達(dá)到滿意音頻效果。高通SA8295座艙SoC自帶音頻aDSP處理音效，其集成度高、價(jià)格和軟件開(kāi)發(fā)成本優(yōu)勢(shì)明顯，音頻處理實(shí)時(shí)性更高（延時(shí)極低），加上軟件配置特殊算法如ANC主動(dòng)降噪、3D環(huán)繞等音效；豐富的音頻接口，能靈活支持外置功放和內(nèi)置功放，能讓音頻效果通過(guò)A2B接口發(fā)揮更多的想象和處理空間。主流產(chǎn)品使用外置功放，其優(yōu)點(diǎn)高功率輸出、通道數(shù)多。另外，音頻模塊能集中對(duì)AM/FM發(fā)聲，讓硬件開(kāi)發(fā)難度降低，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化配置。

視頻輸入單元支持360°攝像頭環(huán)視感知與融合，經(jīng)內(nèi)部高吞吐AI引擎處理后，供屏幕單元顯示。視頻輸出支持中控/儀表屏、AR-HUD、后座顯示器RSE、電子后視鏡e-Mirror和車內(nèi)DMS/OMS等。高通SA8295平臺(tái)提供的攝像頭MIPI CSI和屏幕DSI、DP、eDP接口，通過(guò)串行器和解串器芯片，支持主流的GSML和FPD-Link接口協(xié)議，完成攝像頭傳感器端和屏幕端的互聯(lián)和數(shù)據(jù)鏈路傳輸，實(shí)現(xiàn)環(huán)視數(shù)據(jù)融合在座艙中。

本座艙系統(tǒng)平臺(tái)硬件搭載符合功能安全ASIL等級(jí)MCU，確保座艙內(nèi)車控車設(shè)及駕駛員安全狀態(tài)的同時(shí)，也提供豐富通訊接口。低速通訊接口以傳統(tǒng)的LIN總線為主，能滿足車機(jī)內(nèi)大部分車控車設(shè)、車燈預(yù)警、雨量雨刮控制等功能應(yīng)用；MCU也支持CAN/CAN FD總線，最高達(dá)5Mbps帶寬數(shù)據(jù)傳輸，可實(shí)現(xiàn)多控制器信息互聯(lián)通訊和數(shù)據(jù)傳輸。

整機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)通訊單元支持以太網(wǎng)MAC接口，通過(guò)外置的PHY和Switch完成高速、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)帶寬最高達(dá)SERDES級(jí)別，其應(yīng)用端可接高精度雷達(dá)和高速互聯(lián)模塊，完成高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。系統(tǒng)配置高性能BT&WiFi、USB接口設(shè)備，確保艙內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下，高數(shù)據(jù)帶寬的有線和無(wú)線傳輸，車端應(yīng)用主要集中在娛樂(lè)，如聽(tīng)音樂(lè)、觀影、打電子游戲和AR/VR眼鏡。

高通SA8295系統(tǒng)平臺(tái)硬件實(shí)物如下圖3。

5.2 高通SA8295座艙域控制器系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方案

座艙平臺(tái)符合主流的SOA軟件設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)，如信息安全域、儀表盤和IVI系統(tǒng)等，用戶狀態(tài)軟件選用功能安全等級(jí)較高的OS、QNX、Linux等操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境，確保車機(jī)整體安全狀態(tài)。這些系統(tǒng)協(xié)同在同一個(gè)虛擬機(jī)監(jiān)視器Hypervisor[5]下運(yùn)行。車控車設(shè)外掛的MCU在AutoSAR操作系統(tǒng)下，完成各個(gè)接口模塊高實(shí)時(shí)、高安全性、高穩(wěn)定性通訊任務(wù)。SA8295智能座艙系統(tǒng)平臺(tái)軟件架構(gòu)如下圖4所示。

系統(tǒng)支持Andriod開(kāi)發(fā)，用戶可靈活地選擇使用不同的應(yīng)用程序，來(lái)滿足自己的需求。根據(jù)自己的喜好進(jìn)行自定義和個(gè)性化設(shè)置，如主題、桌面、鍵盤等可以隨意更換。這也是高通平臺(tái)主打娛樂(lè)系統(tǒng)的亮點(diǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

智能座艙是汽車智能化時(shí)代研究的重點(diǎn)，其受車規(guī)芯片SoC性能、接口資源及操作系統(tǒng)軟件影響。本文結(jié)合新形勢(shì)下座艙發(fā)展和電子電氣架構(gòu)演變，介紹了座艙的發(fā)展情況和應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)；基于高通SA8295系統(tǒng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出智能座艙域控制器；并重點(diǎn)介紹座艙域控制器平臺(tái)硬件軟硬件架構(gòu)，同時(shí)重點(diǎn)闡述架構(gòu)平臺(tái)的系統(tǒng)資源和功能作用。系統(tǒng)平臺(tái)擴(kuò)大了座艙的功能范圍，豐富了感知融合實(shí)現(xiàn)方式，有助于座艙智能化科技體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉毅剛.智能座艙趨勢(shì)研究[J].廣東化工，2019，46（08）：120-122.

[2]李丹，鄭紅麗，回姝等.智能網(wǎng)聯(lián)時(shí)代汽車智能座艙操作系統(tǒng)的發(fā)展[J].汽車文摘，2022，No.556（05）：1-6.

[3]劉堯，李亞楠.智能座艙多模態(tài)交互技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2023，48（01）：182-187.

[4]閔志剛.基于智能駕駛需求的汽車智能座艙設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)探究[J].時(shí)代汽車，2022（15）：127-129.

[5]周毅.基于QNX Hypervisor技術(shù)的汽車智能座艙研究與設(shè)計(jì)[D].上海交通大學(xué)，2021.