鐘克華，鐘蔓芩

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

時(shí)代的發(fā)展，車輛中控和儀表從原來(lái)的機(jī)械儀表和收音機(jī)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(dǎo)航、車聯(lián)網(wǎng)）功能，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求。隨著車輛舒適性提高，要求AVNT功能集成越來(lái)越多，性能要求也越來(lái)越高。然而功能和性能兩者間會(huì)存在矛盾，即功能多會(huì)影響性能指標(biāo)，影響用戶體驗(yàn)，包括響應(yīng)速度和運(yùn)行流暢等。為解決這種功能和性能的矛盾問(wèn)題，一種兩機(jī)四屏的車載AVNT系統(tǒng)方案被提了出來(lái)。本文對(duì)其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。

1 功能需求

系統(tǒng)組成：本方案的兩機(jī)四屏車載AVNT系統(tǒng)，由前主機(jī)、中控屏、儀表屏、后主機(jī)、左后娛樂(lè)屏、右后娛樂(lè)屏組成，分別組成兩個(gè)獨(dú)立單元；其中前主機(jī)與中控屏、儀表屏組成前排控制單元，后主機(jī)與左后娛樂(lè)屏、右后娛樂(lè)屏組成后排娛樂(lè)單元RSE（Rear Seat Entertainment，后座娛樂(lè)）。兩個(gè)單元可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行交互，組成系統(tǒng)運(yùn)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(dǎo)航、生活?yuàn)蕵?lè)和用戶個(gè)性化設(shè)置等功能，滿足車輛主體功能需求；后排娛樂(lè)單元是重要組成部分，提供音樂(lè)視頻、生活出行、應(yīng)用生態(tài)、娛樂(lè)和游戲等功能，豐富車輛生態(tài)內(nèi)容。

經(jīng)過(guò)對(duì)用戶功能需求的分析和整理，分解為開(kāi)發(fā)需求：前主機(jī)需求和后主機(jī)需求，兩部分通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行交互，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，如圖1所示。

1.1 前主機(jī)功能

1）主要功能：前主機(jī)的開(kāi)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(lán)牙）、WiFi（無(wú)英文全稱，一種無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)）、以太網(wǎng)、MIC（Microphone，麥克風(fēng)）輸入、Horn（喇叭）音頻輸出、視頻輸入、視頻輸出、語(yǔ)音識(shí)別、安全加密、數(shù)據(jù)運(yùn)行和存儲(chǔ)、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(yùn)行采用DDR（Double Data Rate，雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱內(nèi)存）內(nèi)存；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用EMMC（Embedded Multi Media Card，內(nèi)嵌式存儲(chǔ)卡，簡(jiǎn)稱存儲(chǔ)卡）卡；衛(wèi)星定位，支持北斗和GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）；對(duì)數(shù)據(jù)采集和顯示需要進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的傳輸，采用LVDS（Low Voltage Differential Signal，低振幅差分信號(hào)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(yīng)用于不同的設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備間的連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的技術(shù)）方式實(shí)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(jì)好功能以軟件激活的方式開(kāi)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(fù)合視頻廣播信號(hào)）技術(shù)。

3）擴(kuò)展功能：考慮系統(tǒng)擴(kuò)展性能，以利于日后功能擴(kuò)展需要，可以采用預(yù)留硬件設(shè)計(jì)和接口，待需要時(shí)開(kāi)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(jī)）行車記錄、NV（Night Vision，夜視）夜視等功能。

1.2 后主機(jī)功能

后主機(jī)的開(kāi)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(yùn)行和存儲(chǔ)、CAN總線接口、USB接口，DSP（Digital Signal Process數(shù)字信號(hào)處理）處理等。

1.3 前后主機(jī)功能交互

前排主機(jī)和后排主機(jī)分處兩個(gè)獨(dú)立的單元，兩個(gè)主機(jī)間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行信號(hào)傳輸和功能交互。利用虛擬網(wǎng)關(guān)（Gateway，網(wǎng)關(guān)）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電子系統(tǒng)圖

此兩機(jī)四屏方案中，電子系統(tǒng)框圖如圖2所示。前后兩個(gè)主機(jī)采用相同的主芯片，前主機(jī)運(yùn)行內(nèi)存為8GB，存儲(chǔ)容量為64GB；后主機(jī)運(yùn)行內(nèi)存6GB，存儲(chǔ)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(hào)為R-car M3，是一種SOC（System on Chip，系統(tǒng)級(jí)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(shí)別處理引擎，符合ISO 26262（ASIL-B）的安全等級(jí)，支持系統(tǒng)級(jí)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(hào)為R7F7016213AFP，支持CAN信號(hào)處理。

3）藍(lán)牙和WiFi模塊：采用Murata（村田，芯片公司）的WiFi+Bluetooth Module芯片，型號(hào)為：SP-LBEE6ZZ1TD，藍(lán)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(jì)

本系統(tǒng)包括前主機(jī)和后主機(jī)，前后主機(jī)擔(dān)負(fù)的功能不同，按兩套不同的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，前主機(jī)承擔(dān)系統(tǒng)的控制等核心功能，要求較高，軟件更復(fù)雜；后主機(jī)承擔(dān)娛樂(lè)功能，豐富系統(tǒng)的生活及娛樂(lè)功能，整體較簡(jiǎn)單。

3.1 前主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

前主機(jī)采用雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(dòng)設(shè)備端的Linux操作系統(tǒng)）系統(tǒng)兩個(gè)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(yīng)快速的特點(diǎn)，把需要快速響應(yīng)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(yīng)用、HVAC（Heating Ventilation and Air Conditioning，空調(diào)）空調(diào)應(yīng)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(kāi)放和便利的特點(diǎn)，可把對(duì)響應(yīng)時(shí)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(lán)牙管理、本地語(yǔ)音和在線語(yǔ)音模塊、WLAN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊、導(dǎo)航與地圖、圖片瀏覽、Carplay（蘋果公司Carplay應(yīng)用）& carlife（百度公司Carlife應(yīng)用）手機(jī)互聯(lián)、軟件下載模塊、Web瀏覽、通過(guò)OEM（Original Equipment Manufacturer，定點(diǎn)生產(chǎn)）在線服務(wù)、第三方應(yīng)用、APP應(yīng)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(yuǎn)程升級(jí)。

3.1.2 整體軟件架構(gòu)

軟件采用分層設(shè)計(jì)。前主機(jī)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(jī)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(jī)兩個(gè)系統(tǒng)間信息交互

前主機(jī)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(jī)信息交互

圖8 前主機(jī)CAN信息交互

3.2 后主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

1）應(yīng)用雙開(kāi)：RSE系統(tǒng)的后主機(jī)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(yīng)用雙開(kāi)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)雙屏。兩個(gè)用戶的應(yīng)用彼此分開(kāi)，隔離開(kāi)來(lái)，獨(dú)立運(yùn)行，如圖9所示。

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

圖9 后主機(jī)應(yīng)用雙開(kāi)

圖10 后主機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

4 實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

因設(shè)計(jì)時(shí)采取了備選功能和擴(kuò)展功能方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，故應(yīng)用中可以獲得多方式組合，以實(shí)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(jī)四屏前后交互方案。前排主機(jī)一機(jī)兩屏（中控+儀表），后排主機(jī)一機(jī)兩屏，前排與后排交互功能。

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

3）方案3（低配方案）：一機(jī)兩屏方案。前排主機(jī)一機(jī)兩屏（中控+儀表）。方案3是一個(gè)節(jié)省成本的方案，后排沒(méi)有主機(jī)和雙屏。