朱敦堯　連　迅　謝　斌

摘要：未來的車載信息平臺是人、車、環(huán)境的充分交互，集電子、通信、網(wǎng)絡、嵌入式等技術為一體的高端車載綜合信息顯示平臺。

關鍵詞：車載信息平臺；FPGA；車載網(wǎng)絡

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)和電子技術的發(fā)展，車輛導航、通信、移動辦公、多媒體娛樂、安防輔助駕駛和遠程故障診斷等功能電子系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡技術聯(lián)網(wǎng)形成車載信息網(wǎng)絡系統(tǒng)。未來的汽車儀表系統(tǒng)向著集成化、智能化、全圖形化車載信息系統(tǒng)平臺的方向發(fā)展。

車載信息系統(tǒng)平臺綜述

未來的車載信息系統(tǒng)平臺將全面超越傳統(tǒng)汽車儀表的現(xiàn)有功能，系統(tǒng)主要功能包括：全圖形化數(shù)字儀表、GPS導航、車載多媒體影音娛樂、整車狀態(tài)顯示、遠程故障診斷、無線通信、網(wǎng)絡辦公、信息處理、智能交通輔助駕駛等等。未來的車載信息平臺是人、車、環(huán)境的充分交互，集電子、通信、網(wǎng)絡、嵌入式等技術為一體的高端車載綜合信息顯示平臺。

車載信息平臺領域的技術發(fā)展

車載信息平臺包括多方面技術，下面僅將其中涉及到的幾項關鍵技術簡單介紹如下：

基于嵌入式技術的Telematics系統(tǒng)

Telamatics的技術特征充分表現(xiàn)了現(xiàn)代科技的大融合。它應用5種主要技術：衛(wèi)星定位技術(GPS)；無線接入技術；蜂窩通信技術(2G／3G)；專用短程通信的窄帶網(wǎng)絡技術(DSRC)；數(shù)字廣播和多媒體廣播技術(DMB)。

Telematics裝置通常是一種嵌入式系統(tǒng)，它在軟、硬件系統(tǒng)架構設計上與普通嵌入式系統(tǒng)并沒有差異。在PC產(chǎn)業(yè)里，運算平臺的選擇，也就是處理器及其相關參考設計的選擇，是相當有限的，不外乎Intel或是AMD的那幾種，然而嵌入式系統(tǒng)的硬件卻需要面對各式各樣不同的需求。正確的選型及架構設計必須能符合客戶及產(chǎn)品需求，這是一件相當重要的事情。目前比較流行的一種基于嵌入式技術的Telematics系統(tǒng)設計，其硬件系統(tǒng)采用了高效、靈活的ARM+FPGA構架，其中ARM主要完成外部數(shù)據(jù)采集、整理、分析、存儲等功能，F(xiàn)PGA主要用于用戶界面的顯示。這種硬件架構一個比較典型的應用實例就是賽靈思與微軟汽車業(yè)務部推出的智能車載信息平臺，它又被稱為Microsoft Telematics Platform(微軟車載信息處理平臺)，巧妙地通過語音命令結合互聯(lián)網(wǎng)連接進行通信和控制，是一種用于集成各種移動設備和通過互聯(lián)網(wǎng)與無線網(wǎng)絡傳送信息的集線器。

對任何硬件平臺而言，靈活性和伸縮性對架構能否成功獲得市場接受都至關重要，無論是基本系統(tǒng)還是高性能的高端車載信息系統(tǒng)。鑒于此，微軟開發(fā)了一個真正可以定制和伸縮的汽車標準車載信息處理平臺。

該平臺整合了一個基于ARM 9的微控制器，支持32MB閃存／32MB DRAM以上的內存，并包含集成GPS藍牙和一個GSM電話模塊。外部車輛連接包括一個CAN網(wǎng)絡接口以及有保護的模擬和數(shù)字I／O，用于實現(xiàn)LED驅動和按鈕輸入等功能。該平臺的基本架構如圖1所示。

微軟利用了FPGA技術的靈活性和高集成度能力。該平臺使用了一個Spartan3 XC3S400 FPGA，用于實現(xiàn)多個獨立的目的，如GSM電話接口、車輛接口(CAN控制器和K－線路)以及復雜的音頻信號調節(jié)和路由功能(如圖2所示)。

FPGA提供的高集成度也具有在一個器件內包含多種總線、接口和時鐘的優(yōu)點，從而使利用EMI的設計容易管理。此外，減少組件數(shù)量和電路板空間將降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)更高的制造質量，在任何汽車設計中這些都是重要的因素。

在了解了車輛開發(fā)的實質和目前已有的眾多不同的車輛接口，微軟有意設計了一個靈活的解決方案，可允許對后端車輛接口進行快速修改而不影響下層架構和系統(tǒng)性能。例如，未來將有可能調節(jié)FPGA解決方案，使之能滿足帶有諸如MOST、IDB-1394或其它數(shù)字車輛網(wǎng)絡等汽車總線的最終應用的需求。

基于車載網(wǎng)絡技術的多媒體信息，娛樂系統(tǒng)

對于購買配有車載網(wǎng)絡汽車的用戶來說，最大的受益是能在網(wǎng)絡中共享信息。汽車可以通過車載網(wǎng)絡，將視頻、音頻和數(shù)據(jù)內容傳給乘客，用戶可以通過這種網(wǎng)絡，用互聯(lián)網(wǎng)或者預訂服務訪問家用網(wǎng)絡上的內容。隨著3G時代的到來，迫切需要建立能夠提供這些服務、傳輸這些內容的多媒體安全信息娛樂系統(tǒng)。

多媒體傳輸系統(tǒng)的設計方案

媒體和信息網(wǎng)絡主要面向遠程信息處理、多媒體、導航系統(tǒng)等，網(wǎng)絡協(xié)議的傳輸比特率在250kbit／s～400Mbit／s之間。要實現(xiàn)車載系統(tǒng)中多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽惹行枰鉀Q以下4個問題。

·這些新的應用要求網(wǎng)絡的頻帶比現(xiàn)有汽車上的網(wǎng)絡頻帶寬一個數(shù)量級，例如，控制器局域網(wǎng)絡(CAN)和局域互聯(lián)網(wǎng)絡(LIN)。

·視頻和音頻內容的性質決定了它們在發(fā)布內容時，必須考慮到發(fā)布的方式能夠為用戶所接受。音頻延遲或者是在顯示屏上出現(xiàn)錯誤的顯示像素，是人們不能忍受的。

·由于內容是以數(shù)字形式向外發(fā)布的，那么，設計人員必須十分關心如何保證內容的安全。

·因為連接到客戶的外設上時，有可能會不經(jīng)意地把病毒帶進來，所以必須確保網(wǎng)絡的安全，以防止病毒的入侵。

隨著嵌入式產(chǎn)品市場的發(fā)展，隨之而來的是系統(tǒng)方面的一些難題，許多新出現(xiàn)的技術競相成為主流的解決方案。歸納起來，共有4種主要的技術。

·CAN技術。CAN技術是目前正在使用的一種技術，而且新版的CAN已經(jīng)提高了帶寬。但這個協(xié)議并不支持高質量的服務。

·Firewire接口(IEEE1394)。在汽車市場中，從事消費產(chǎn)品的公司都推崇Firewire接口。

·面向多媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)。用塑料纖維實現(xiàn)這項技術，重量輕、成本低，深受供應商的歡迎，而且在寶馬、奔馳和奧迪的一些汽車上已經(jīng)采用了這項技術。從技術的角度看，這個協(xié)議在設計時從一開始就支持多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，由總線提供同步通道，以確保足夠的帶寬。

·無線技術。由于眾多原因，汽車市場在采用新標準方面進展緩慢。盡管超寬頻帶技術(UWB)簡化了安裝和維修，在價格方面還有優(yōu)勢，而且在技術上它似乎更適合于噪聲環(huán)境下的短距離高速數(shù)據(jù)傳輸，但是由于缺乏一個明確的單一標準，整機制造商不愿使用它，也阻礙了它的推廣。多個標準存在的時間越長，安裝MOST技術的數(shù)量就會越大。

在過去10年中，為促進遠程信息處理和車載多媒體系統(tǒng)的應用，汽車行業(yè)制定了許多規(guī)范，IDB(Intelligent Data Bus)是其中一個重要內容。它首次確定了汽車行業(yè)用于信息、通信和娛樂系統(tǒng)的接口標準。目前SAE已將各種IDB設備分為三類：低速設備

(IDB-C)、高速設備(IDB-M)和無線通信設備(IDB－Wireless)。

IDB-C發(fā)展較快，估計今后數(shù)年可在一些車輛中配置。由于它結合了CAN技術，而目前許多汽車生產(chǎn)商已將CAN網(wǎng)絡產(chǎn)品應用于多種車載平臺，因此IDB-C引起了汽車生產(chǎn)廠商的極大關注。IDB－C目前已成為SAE J2366標準。

IDB－M包括D2B、MOST(MediaOriented System Transport)、IDB1394等傳輸速率較高的標準和協(xié)議，其中D2B已在Mercedes1999S型轎車中得到應用。D2B技術于20世紀80年代后期由Philips、Sony、Matsushita等公司共同開發(fā)，1992年，被Honda、Alpine公司應用于汽車的多媒體控制系統(tǒng)中。D2B技術使汽車變成了一個流動的多媒體工具。但是D2B的速度還是太慢，因而在1998年，Audi、BMW等公司又聯(lián)合開發(fā)了MOST協(xié)議，它是專門用于汽車工業(yè)的多媒體光纖網(wǎng)絡標準，速率可達50Mbit／s。BMW目前在業(yè)界率先采用了MOST協(xié)議，Daimler Chrysler等歐洲汽車制造商也計劃采用該協(xié)議。

目前的IDB-Wireless主要是指“藍牙”技術。

MOST網(wǎng)絡的構建

MOST網(wǎng)絡技術使得汽車制造商和供應商能夠簡便地在車內增加一系列多媒體設備，進一步增強模塊化功能。MOST網(wǎng)絡的性能取決于光纖發(fā)射器和接收器(用于傳送數(shù)據(jù)，以運行信息娛樂系統(tǒng))能否在各種溫度下正常運行。

MOST光纖網(wǎng)絡為在車內的娛樂和信息設備之間進行音頻、視頻、數(shù)據(jù)和控制信息的交換提供了基礎設施，而不再需要體積龐大的銅纜布線。MOST是支持車內信息娛樂系統(tǒng)的骨干技術。采用MOST網(wǎng)絡技術的汽車在2001年首次問世，如今，已在23種車型中安裝了超過1000萬個節(jié)點。

要連接到MOST網(wǎng)絡上，一般需要通過智能網(wǎng)絡接口控制器(iNIC)，iNIC實現(xiàn)了PHY功能和MAC的大部分功能。車載信息平臺系統(tǒng)是通過一個三引腳的串行總線——媒體本地總線(Media LB)，連接到iNIC上(見圖3)。Media LB能夠支持所有的MOST網(wǎng)絡數(shù)據(jù)類型。

這個網(wǎng)絡必須包含有連接點，這樣，最終用戶可以通過連接不包含在汽車之內、要單獨購買的設備。最可能出現(xiàn)的情況是不只有一個專用網(wǎng)絡。一個“可信的”網(wǎng)絡將支持汽車出廠之前已經(jīng)裝上去的設備。用戶可以通過第二個“不可信的”網(wǎng)絡聯(lián)接到用戶設備上。我們可以通過一個網(wǎng)關來實現(xiàn)兩個領域間的訪問控制功能。

汽車遠程故障診斷系統(tǒng)

目前，在汽車工業(yè)發(fā)達的國家，車載信息平臺和導航服務項目已經(jīng)逐漸成為標準配置。與此同時，汽車制造商正規(guī)劃著信息服務的下一個發(fā)展階段：使每輛汽車能夠通過Internet與特約汽車維修廠進行數(shù)據(jù)通訊。在不久的將來，汽車制造商通過Internet或移動電話可以告知汽車駕駛員，他所擁有汽車的下一次檢測日期；當汽車“拋錨”時，不管該車是處于什么地方，他都能夠獲得在線快速服務，并通過移動網(wǎng)絡，讓特約汽車維修廠能夠隨時知道他的汽車的運行和技術狀況。

·汽車遠程故障診斷系統(tǒng)的結構

圖4為汽車遠程故障診斷系統(tǒng)的結構示意圖。其工作過程為：用戶通過車載信息平臺對汽車上的控制模塊進行數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測后向遠程診斷服務中心發(fā)出遠程診斷請求；服務中心經(jīng)權限檢驗后，對用戶請求做出響應，啟動相應功能模塊，開始診斷工作，并借助網(wǎng)絡與用戶進行實時的信息交互傳遞。

·車載信息平臺的遠程診斷功能

車載信息平臺的工作過程是：用戶通過鍵盤向車載信息平臺發(fā)出進行遠程診斷的指令，嵌入式處理器通過與車內其它功能模塊的進行通信，獲得車內各系統(tǒng)的工作狀態(tài)，將這些數(shù)據(jù)存儲在存儲器中；然后再通過無線傳輸模塊向遠程故障診斷服務中心的請求診斷服務，請求得到允許后，車載信息平臺將存儲在存儲器中的車輛工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障代碼信息發(fā)送到遠端的診斷服務器；診斷服務器收到數(shù)據(jù)后進行診斷分析，將診斷結果返回，車載信息平臺將接收到的診斷結果進行顯示，從而達到診斷的目的。

·車載信息平臺與遠程故障診斷中心的通信

要實現(xiàn)遠程診斷，必須要有遠程通信技術的支持才有實現(xiàn)的可能。由于汽車的位置是不確定的，所以不可能通過有線的方式聯(lián)接到Internet，這樣要進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸就需要依靠無線通信。常用的無線通信實現(xiàn)方式有：

·利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(GSM／GPRS、CDMA移動網(wǎng)等)和相應的無線通信產(chǎn)品；

·通過無線收發(fā)設備，如無線Modem、無線網(wǎng)橋等專門的無線局域網(wǎng)；

·利用收發(fā)集成芯片在監(jiān)測站端實現(xiàn)電路板級與監(jiān)控中心的無線通信。