任廣樂，趙幗娟，李立安,3

（1.愛馳汽車（上海）有限公司，上海 200090；2.上海海事大學(xué)，上海 201306；3.愛馳汽車有限公司，江西 上饒 334000）

前言

當(dāng)代汽車設(shè)計(jì)中，車聯(lián)網(wǎng)和智能座艙成為提升用戶用車體驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，而智能座艙域控制器就是保證用戶用車體驗(yàn)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)中，儀表和娛樂系統(tǒng)為相互獨(dú)立的兩個(gè)系統(tǒng)，分別由位于駕駛員前方的儀表屏和位于儀表板中央的娛樂屏進(jìn)行內(nèi)容呈現(xiàn)。但是隨著娛樂系統(tǒng)的內(nèi)容越來越豐富，為了更好地在車輛行進(jìn)中為用戶提供更好的服務(wù)，需要將一些內(nèi)容顯示到儀表側(cè)，才能保證駕駛員安全地使用，比如導(dǎo)航信息、來電信息等。另一方面，儀表側(cè)一些功能為了提升體驗(yàn)，也需要借用原本娛樂系統(tǒng)側(cè)的載體來呈現(xiàn)，比如整車的報(bào)警聲。原本由儀表側(cè)提示報(bào)警音由自身布置的蜂鳴器或者小功率小體積揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)，聲學(xué)起始頻率不理想，呈現(xiàn)的聲音品質(zhì)不優(yōu)秀。而如果儀表側(cè)的報(bào)警通過整車音響發(fā)聲，可給用戶帶來優(yōu)秀的聽感，同時(shí)也可通過3D聲音設(shè)計(jì)和整車高品質(zhì)回放，給用戶呈現(xiàn)立體的聲音報(bào)警信息。因此，將儀表系統(tǒng)和娛樂系統(tǒng)集成整合，域控制器設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。

域控制器系統(tǒng)，一方面隨著硬件性能的大幅提升，相對(duì)座艙內(nèi)任何單一系統(tǒng)的需求都有所盈余。比如傳統(tǒng)的儀表設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)算能力的消耗不超過5 000DMIPS，娛樂系統(tǒng)運(yùn)算能力不超過12 000 DMIPS的控制器市場(chǎng)占比也很高。隨著ARM公司技術(shù)架構(gòu)的快速發(fā)展，以及芯片制造領(lǐng)域工藝制程的一系列突破，使得整個(gè)芯片行業(yè)運(yùn)算能力大幅提升。如上文講到，為了提升用戶體驗(yàn)又需要讓座艙內(nèi)的各個(gè)系統(tǒng)更加融會(huì)貫通，交互總線帶寬更為寬廣。因此，一個(gè)硬件平臺(tái)兩個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的虛擬化技術(shù)成為當(dāng)下一個(gè)重點(diǎn)推廣技術(shù)。如圖1表示一種虛擬化系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖。

圖1 一種虛擬化架構(gòu)設(shè)計(jì)

但是由于虛擬化技術(shù)本身對(duì)硬件資源的占用不可忽略不計(jì)，且虛擬化本身也處于成長中，它的穩(wěn)定性本身影響了其子系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)各虛擬化方案核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)均在國外，大概率會(huì)面臨開發(fā)資源控制力薄弱問題。本文試圖闡述一種基于雙SoC的域控制器設(shè)計(jì)，旨在提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低開發(fā)難度。

任何技術(shù)的進(jìn)步都不是一蹴而就的，都將經(jīng)歷一個(gè)螺旋上升的過程。汽車產(chǎn)品相比消費(fèi)電子而言，一個(gè)重要的特點(diǎn)，即其嚴(yán)肅性。即使有比較小的幾率，由于新技術(shù)的引入，導(dǎo)致用戶在使用過程中發(fā)生了系統(tǒng)卡頓、死機(jī)，也有風(fēng)險(xiǎn)釀成比較大的災(zāi)難，帶來嚴(yán)重的后果。從目前的雙控制器、雙SoC、雙系統(tǒng)，到單控制器、單SoC、雙系統(tǒng)，中間的過渡階段就應(yīng)該是單控制器、雙SoC、雙系統(tǒng)。這樣既可保證兩個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又因在布置階段按照單控制器實(shí)施，可當(dāng)虛擬化技術(shù)完全成熟落地時(shí)，大大減小了升級(jí)切換的代價(jià)。

1 顯示內(nèi)容融合

傳統(tǒng)智能座艙設(shè)計(jì)中，儀表和娛樂系統(tǒng)往往由獨(dú)立的兩個(gè)顯示屏進(jìn)行呈現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)智能座艙顯示屏布置

但隨著汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，各主機(jī)廠成本意識(shí)越來越強(qiáng)，再加上日漸流行的極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)風(fēng)格，逐漸出現(xiàn)了一個(gè)“弱化儀表顯示，強(qiáng)化娛樂系統(tǒng)顯示”的趨勢(shì)。比如吉利幾何系列，長城摩卡系列，均配備比較小尺寸的儀表顯示屏。甚至特斯拉Model 3和Model Y系列車型取消了儀表顯示屏，如圖3所示。本文闡述的智能座艙系統(tǒng)即為融合顯示的單一顯示屏設(shè)計(jì)。當(dāng)然，通過打造個(gè)性化的儀表傳遞更為清晰明確高效的內(nèi)容，也是一個(gè)主機(jī)廠嘗試的方向[1]。

圖3 特斯拉Model 3智能座艙圖示

2 系統(tǒng)功能概述

本文闡述的智座艙系統(tǒng)，主要功能如下：

（1）雙SoC設(shè)計(jì)，集成儀表系統(tǒng)與娛樂系統(tǒng)；

（2）儀表側(cè)SoC為NXP i.MX8QXP，娛樂系統(tǒng)側(cè)SoC為瑞薩H3；

（3）儀表系統(tǒng)軟件系統(tǒng)為Linux；

（4）娛樂系統(tǒng)軟件系統(tǒng)為安卓P；

（5）支持3路視頻輸出，其中2路為預(yù)留；

（6）支持BT/Wi-Fi；

（7）支持6路USB；

（8）支持100 M以太網(wǎng)，支持2路CAN總線，支持1路LIN總線；

（9）支持內(nèi)/外置功放；

（10）支持4路麥克風(fēng)輸入；

（11）支持6路視頻輸入；

（12）支持DVR功能。

本系統(tǒng)采用的融合顯示屏，主要參數(shù)如下：

（1）AA區(qū)有效顯示尺寸為14.6英寸；

（2）分辨率為1 920*1 080，16:9；

（3）標(biāo)準(zhǔn)亮度不低于1 000 nits；

（4）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比度不低于1 000:1；

（5）標(biāo)準(zhǔn)色域不低于75%；

（6）TFT材質(zhì)為LTPS；

（7）觸控技術(shù)為in-Cell；

（8）蓋板玻璃材質(zhì)為鋁硅玻璃；

（9）貼合方式為OCA全貼合。

3 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的原理，即：將原本兩個(gè)控制器的硬件設(shè)計(jì)，通過公用MCU，電源管理等周邊電路設(shè)計(jì)的方式，部署一個(gè)控制器中。概要性的設(shè)計(jì)原理，如圖4所示。

圖4 雙SoC硬件設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)有下面兩個(gè)方面：

（1）將兩個(gè)控制器的硬件內(nèi)容集成到一個(gè)控制器中，但是要控制在相對(duì)較小的體積內(nèi)并保證散熱性能。

（2）由于儀表系統(tǒng)與娛樂系統(tǒng)的強(qiáng)交互性，要在硬件設(shè)計(jì)過程中做好底層通訊保證。

本系統(tǒng)詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

圖5 硬件設(shè)計(jì)原理

由原理圖可以看出，本硬件系統(tǒng)的主要特征點(diǎn)：

（1）瑞薩H3和i.MX8QXP均為獨(dú)立的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，均獨(dú)立配置了運(yùn)行存儲(chǔ)DDR單元和eMMC ROM存儲(chǔ)單元；

（2）瑞薩H3系統(tǒng)為安卓系統(tǒng)，i.MX8QXP為Linux系統(tǒng)，由Linux系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)唯一的外置顯示屏；

（3）瑞薩H3系統(tǒng)通過HDMI輸出視頻流，并通過HDMI to CSI轉(zhuǎn)換，輸入到Linux系統(tǒng)；

（4）H3系統(tǒng)與i.MX8QXP通過RGMII高速總線進(jìn)行數(shù)據(jù)流通信；

（5）由DSP統(tǒng)一管理兩個(gè)系統(tǒng)的音頻輸出，支持內(nèi)置功放以4*25 W驅(qū)動(dòng)外置揚(yáng)聲器，也支持以A2B的形式擴(kuò)展外部功放；

（6）支持4路麥克風(fēng)差分信號(hào)的輸入，語音降噪以軟件方案集成于H3，因此節(jié)省掉了獨(dú)立語音芯片的費(fèi)用，即軟件方案的降噪與聲源定位和定向拾音；

（7）支持DVR攝像頭的接入，同時(shí)以外接USB的形式進(jìn)行DVR視頻存儲(chǔ)；

（8）為提升穩(wěn)定性，將以太網(wǎng)接入放到Linux端，通過RGMII路由到H3，可靈活升級(jí)到儀表的SOME/IP通訊開發(fā)；

（9）H3有兩路獨(dú)立的視頻輸出預(yù)留，該平臺(tái)可靈活升級(jí)到拓展多個(gè)屏幕。

下文將針對(duì)視頻流和音頻流，對(duì)硬件進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 視頻流設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)視頻流設(shè)計(jì)原理圖如圖6所示。由于傳統(tǒng)的座艙域控制器中SoC均不配備ISP，且為了保證平臺(tái)性兼容多種攝像頭配置，將ISP放置于攝像頭端為更優(yōu)的方案選擇。

圖6 視頻流硬件設(shè)計(jì)

方案中，將4路360環(huán)視攝像頭通過4合1的MAXIM GMSL方案輸入H3，使娛樂系統(tǒng)可以整合360環(huán)視的軟件能力。同時(shí)為了兼容高配的外置AVM控制器，系統(tǒng)也支持通過TI FPD-Link方案將外置AVM合成后的全景畫面輸入H3，通過優(yōu)化安卓底層的快顯邏輯滿足快速倒車的需求。

方案中，整個(gè)融合顯示屏均由Linux，即儀表系統(tǒng)來推動(dòng)，因此使得儀表系統(tǒng)有了觸控交互的能力。通過觸控交互，相比傳統(tǒng)的方向盤按鍵式的交互方式，在效率和豐富性上有了大幅的提升。同時(shí)為了滿足娛樂系統(tǒng)的觸控，融合顯示屏的觸控信號(hào)通過FPD-Link的I2C回傳后，Linux將信號(hào)直接路由至H3，使得安卓系統(tǒng)具備觸控交互能力，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，延遲時(shí)間在毫秒級(jí)，使用延遲可忽略不計(jì)。

3.2 音頻流設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)音頻流設(shè)計(jì)原理圖如圖7所示。

圖7 音頻流硬件設(shè)計(jì)

如圖所示，本方案支持4路麥克風(fēng)輸入，可通過集成于H3內(nèi)的語音識(shí)別SDK，實(shí)現(xiàn)降噪、聲源定位和定向拾音。

語音系統(tǒng)中，語音喚醒是一個(gè)最為重要的功能。為了保證用戶在多媒體、在線音樂使用過程中的語音喚醒成功率，務(wù)必需要引入回音消除的算法才能保證。該方案中兼容內(nèi)置功放和外置功放高低配兩種方案。內(nèi)置功放方案中，由于內(nèi)置功放僅為對(duì)模擬音頻信號(hào)的線性放大且?guī)缀醪簧婕罢{(diào)音算法運(yùn)算，因此不考慮延時(shí)性，從內(nèi)置DSP端回傳參考信號(hào)即可滿足要求。外置功放方案中，由于外置功放對(duì)輸入音頻進(jìn)行非線性調(diào)音工作，且算法存在運(yùn)行時(shí)間因此有一定延時(shí)性，因此務(wù)必從外置功放DSP后端取參考信號(hào)。本方案中，由于使用了A2B總線，可以數(shù)字信號(hào)形式對(duì)外置功放參考音進(jìn)行回傳，有效保證語音喚醒的成功率。

本方案中，由于儀表系統(tǒng)和娛樂系統(tǒng)均通過整車音響系統(tǒng)發(fā)聲，因此DSP同時(shí)從H3和i.MX8QXP通過I2S通道獲取發(fā)聲源。但由于安卓系統(tǒng)無法保證快速啟動(dòng)，但儀表報(bào)警為強(qiáng)實(shí)時(shí)性需求，因此DSP的控制權(quán)由i.MX8QXP負(fù)責(zé)，可在系統(tǒng)啟動(dòng)后DSP經(jīng)過極短的初始化時(shí)間后，即可響應(yīng)儀表的聲音報(bào)警需求。

4 交互設(shè)計(jì)

如前文提及，本系統(tǒng)一個(gè)顯著特點(diǎn)，即：儀表系統(tǒng)和娛樂系統(tǒng)，融合顯示在一個(gè)顯示屏內(nèi)。一方面，此種方式節(jié)省了儀表顯示屏，有效降低了整車成本；另一方面，為儀表系統(tǒng)引入了觸控交互的屬性，增強(qiáng)了儀表交互的效率和豐富性。圖8為顯示內(nèi)容分區(qū)情況。

圖8 顯示分區(qū)情況

從上圖可看出，融合顯示屏的左側(cè)大概三分之一的區(qū)域?yàn)閮x表顯示區(qū)，右側(cè)大概三分之二的區(qū)域?yàn)閵蕵废到y(tǒng)顯示區(qū)。

儀表主要顯示區(qū)內(nèi)，主要顯示內(nèi)容包括：

（1）車速信息；

（2）檔位信息；

（3）故障、提示、報(bào)警燈；

（4）功率表（百分比顯示）；

（5）Ready信息；

（6）電量與續(xù)航里程信息；

（7）充電信息；

（8）駕駛模式信息。

以上信息為駕駛員行車過程中極度重要的信息，位于整個(gè)顯示屏的左上角，一方面此區(qū)域?yàn)轳{駛員行車過程中觀看時(shí)視角偏離最小的區(qū)域；另一方面此區(qū)域完全不受方向盤遮擋，且反光問題也完全不會(huì)發(fā)生，盡量保證駕駛過程中的安全性[2]。

儀表主要顯示區(qū)下方設(shè)置卡片區(qū)，包括：

（1）胎壓界面卡片；

（2）里程Trip A和Trip B卡片；

（3）故障列表卡片；

（4）自動(dòng)駕駛/輔助駕駛場(chǎng)景重構(gòu)3D畫面卡片；

（5）彈窗報(bào)警卡片；

（6）整車門開狀態(tài)即快捷開關(guān)卡片；

（7）巡航及限速設(shè)定開關(guān)。

此區(qū)域?yàn)閮x表主要交互的需求，用戶可通過滑動(dòng)或者點(diǎn)擊的方式進(jìn)行整車上鎖、解鎖，打開充電口蓋，或者任意位置打開和關(guān)閉行李箱蓋。用戶可通過左右滑動(dòng)的形式切換大卡片查看想要的信息，也可通過點(diǎn)擊的方式進(jìn)行巡航速度和跟車距離相關(guān)的設(shè)定。

快速入口區(qū)，允許用戶自定義三個(gè)快捷開關(guān)，系統(tǒng)默認(rèn)放置開關(guān)為充電設(shè)置，自動(dòng)泊車和全車透氣，用戶也可自定義其他快捷入口。

IVI中控畫面區(qū)域，為娛樂系統(tǒng)顯示的主區(qū)域，娛樂系統(tǒng)的全部顯示內(nèi)容，包括導(dǎo)航、語音、車輛設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置、在線音樂、賬號(hào)設(shè)置、使用手冊(cè)等內(nèi)容均在此處呈現(xiàn)。

娛樂系統(tǒng)Control Bar區(qū)域，可進(jìn)行快捷的空調(diào)設(shè)置和音量設(shè)置，用戶也可通過系統(tǒng)設(shè)置自定義其他顯示內(nèi)容。

5 結(jié)構(gòu)與散熱設(shè)計(jì)

本控制器將儀表與娛樂系統(tǒng)兩個(gè)控制器硬件上合二為一，一方面大大增多了電子物料的數(shù)量，導(dǎo)致PCB設(shè)計(jì)以及Layout困難。但是如果完全按照兩個(gè)控制器體積加和的設(shè)計(jì)方法，會(huì)帶來總布置上的挑戰(zhàn)；另外一方面由于結(jié)構(gòu)更緊湊，導(dǎo)致散熱會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

本控制器設(shè)計(jì)時(shí)，為了降低布置的難度，采用的1.5DIN的體積空間有效降低了在儀表板內(nèi)的布置難度；同時(shí)采用了風(fēng)扇型的主動(dòng)散熱方案。控制器實(shí)物如圖9所示。

圖9 控制器3D效果圖

為了充分利用控制器內(nèi)空間，PCB設(shè)計(jì)上采用了上下雙板設(shè)計(jì)。上層板為核心板，主要布置瑞薩H3和i.MX8QXP兩顆SoC以及DDR、eMMC等外圍芯片以及電源管理、視頻編解串芯片等。下層板為擴(kuò)展板，主要放置功放、A2B、DSP、MCU、TUNER、GNSS等外圍芯片?？梢钥闯錾蠈影迨侵饕l(fā)熱源，因此主動(dòng)散熱的設(shè)計(jì)也主要圍繞上層板，尤其是瑞薩H3芯片展開。控制器剖視圖見圖10。

圖10 控制器剖視圖

冷風(fēng)從蓋板蜂窩網(wǎng)孔進(jìn)入，從風(fēng)扇位置抽離控制器并帶走芯片運(yùn)行產(chǎn)生的熱量。通過仿真，核心板主要芯片位置的熱度控制均滿足芯片工作要求。熱分析結(jié)果見圖11。

圖11 熱仿真圖示

6 結(jié)束語

本文提出了一種雙SoC的智能座艙域控制器，并對(duì)其必要性、硬件原理、視頻流、音頻流、交互內(nèi)容、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)等進(jìn)行了概述。本系統(tǒng)利用瑞薩H3硬件運(yùn)行基于安卓的娛樂系統(tǒng)，利用i.MX8QXP硬件運(yùn)行基于Linux的儀 表系統(tǒng)，娛樂系統(tǒng)通過HDMI to CSI將視頻流畫面輸入到儀表系統(tǒng)，儀表系統(tǒng)將其進(jìn)行管理并融合入自身儀表的顯示畫面，通過FPD-Link輸出到融合顯示器進(jìn)行顯示，使顯示器左側(cè)顯示儀表內(nèi)容，顯示器右側(cè)顯示娛樂系統(tǒng)內(nèi)容并均可通過觸控進(jìn)行交互，且儀表和娛樂系統(tǒng)的聲音均通過整車揚(yáng)聲器進(jìn)行播放來顯著提升儀表報(bào)警聲品質(zhì)。通過雙層板和主動(dòng)散熱的設(shè)計(jì)滿足了芯片運(yùn)行溫控要求。

本文也已說明，此形態(tài)或許不是智能座艙域控制器設(shè)計(jì)的最終形態(tài)，但在虛擬化尚不完全成熟的今天，本著車載產(chǎn)品的嚴(yán)肅性，此設(shè)計(jì)可保證控制器運(yùn)行的穩(wěn)定性，且保留了后期升級(jí)切換為虛擬化座艙域控制器的靈活性。