基于环保理念的智能车载终端设计

蔡炎平，崔晓伟，李家祥

（1.清华大学电子工程系，北京100084；2.厦门雅迅网络股份有限公司福建厦门361008）

基于环保理念的智能车载终端设计

蔡炎平1，2，崔晓伟1，李家祥2

（1.清华大学电子工程系，北京100084；2.厦门雅迅网络股份有限公司福建厦门361008）

为了提高汽车的驾驶体验，适应汽车节能与环保的发展需求，对各类传统车载终端进行功能整合与扩展，设计一款涵盖导航娱乐、上网、蓝牙通话、行驶记录、远程诊断与控制的新型车载终端。同时，通过硬件上的器件选型与电路设计、软件上的工作模式管理与任务处理机制设计，提出了具有3种工作模式的功耗管理方案，很大程度降低了系统运行功耗，休眠模式功耗小于0.1 W。装车试验表明，设计的车载终端不仅提高了汽车的增值服务，还大大延长了汽车电平的使用寿命。

车载终端；智能设计；功耗管理；系统电源

《中国制造2025》［1］明确指出，中国汽车既要加大推进新能源汽车的发展，也要做好汽车的节能减排工作，同时要将电子技术和互联网技术应用在汽车上，促进汽车的低碳化、信息化和智能化。车载终端是汽车智能化最为直观的体现，有很多企业单位和研究人员不断地设计和开发出应用于车辆监管、车辆诊断、车载娱乐等智能化终端产品。2013年南京大学徐杨设计了汽车行驶记录仪无线数据检测系统，可以远程、快速、准确获取汽车违章数据［2］；2014年天津安中通讯公司提出来基于OBDⅡ的汽车监测系统，驾驶员可实时了解汽车情况，并在发生故障时及时处理［3］；2015年吉林大学白杰设计了一款车载娱乐信息系统，提供辅助驾驶、车载娱乐等服务。

对于现有的车载终端，存在着种类较多且安装不便、功能单一、扩展性差、体验不好等缺点，同时由于车上安装的设备繁多，没法进行有效功耗管理，可能会导致电瓶耗光而使车辆无法启动。因此，文章从功能扩展和功耗管理两方面出发，提出一款新型车载终端设计和管理方法，能够很好地解决存在的问题。

1　车载终端总体设计

系统设计的车载终端，提高了设备集成度，不仅涵盖了传统终端上的基本功能，还增加了一些新功能体验，系统框图如图1所示。车辆行驶过程中，车载终端能提供道路导航、FM/AM广播收音、音乐播放，并对车辆的状态信息和行驶数据进行存储；在车辆停止过程中，还能提供视频播放、4G/ WIFI上网功能；倒车过程中，车载终端10.4寸屏提供高清的倒车辅助视频；10.4寸全触摸操作给驾驶员很好的操作体验，行驶过程中的蓝牙通话，能够更好的保障司机驾驶安全。另外驾驶员可以通过手机APP对车辆进行远程查询与控制，能够实时了解车辆油耗、故障信息，可能够远程控制车辆，用于远程寻车、远程开空调、车辆解锁等操作。

图1　车载终端组成框图

2　系统详细设计

2.1系统硬件设计

车载终端的系统硬件结构如图2所示，主要由以下几个部分电路组成：处理器最小系统电路、车辆信息采集与车身控制电路、上网模块电路、收音机接收电路、蓝牙免提电路、音频处理与功放电路、倒车视频采集电路、存储模块电路、定位数据接收电路及人机交互模块电路。系统采用国产芯片瑞芯微RK2928作为核心处理，芯片采用单核Cortex-A9架构设计，支持1080P视频解码和H.264的1080P视频编码，具有足够的I2C/USB/UART等资源，提供一路的LVDS接口。

车辆信息采集与车身控制电路主要进行车上胎压、汽车电瓶、油耗、里程、刹车状态等信号的采集及输出对车门、喇叭、转向灯的控制，由于车载CAN网络节点模块由高速CAN和低速CAN节点组成［4］，因此需要两路CAN收发器接口。鉴于较差的车载环境，CAN收发器选用抗干扰能力较强的芯片TJA1042，提供差动发送和接收功能，传输速率高达1 Mbit/s，具有58V的耐过压及8 KV抗静电能力。CAN总线经过收发器之后，连接到带CAN控制器的解析芯片PIC18F2480，解析芯片负责将解析完后的数据传给核心处理器或者将下发的控制执行发送到车上CAN网络实施控制，PIC18F2480与核心处理器直接采用串口RX/TX进行通信。

上网模块电路为车载终端提供上网服务，包括WIFI模块电路和4G模块电路，当有WIFI信号时，采用WIFI方式上网，否则自动切换到4G网络。两个模块均通过USB与核心处理器进行通信，4G模块采用上海芯讯通公司的SIM7100C模块，其在TDD-LTE/FDD-LTE模式下通信速率可达到上行速率50Mbps，下行速率为100Mbps。WIFI模块采用RL-UM12BS，工作在2.4～2.483 5 GHz，支持24 Mbps、54 Mbps、90 Mbps等多种传输速率，最大可达150 Mbps。

收音机接收电路实现FM/AM无线广播信号的接收，采用NXP6621集成芯片设计，满足国内接收频率范围要求：FM频率范围：87.5～108 MHz，AM频率范围：520～1 710kHz，CPU能通过I2C实现搜台、锁台、存台的功能，实现收音机播放，需要注意75欧的阻抗匹配及保证供电电源足够干净，从而提高收音机信噪比和灵敏度。蓝牙模块电路主要提供蓝牙麦克输入、音频输出及与CPU的串口通信。音效处理及功放电路主要提供收音机音频、MP3/MP5音频、蓝牙音频的通道切换及音效处理，实现音量调节、音效EQ设置，最终通过功放芯片TDA7388输出到汽车喇叭进行播放。功放输出接汽车4个4欧/20W的喇叭，因此发热较为严重，需要增加大面积的散热片，提高散热效果，保证系统稳定性。

倒车视频电路是用来倒车摄像头的A/D采集，经过编解码最终输出到10.4寸屏上进行显示。当倒车信号有效时，摄像头输出的CVBS信号经过视频转换芯片采样编码，再输出到核心处理器进行存储于显示。倒车视频电路包括视频转换芯片、时钟电路、供电电源及通信接口。

图2　系统硬件结构图

导航定位模块电路提供导航所需要的位置时间信息，采用深圳天工测控公司的SKG12BL模块进行设计，采用3.3V供电，定位精度在3m以内。定位模块输出的NMEA0813再通过串口传给核心处理器，结合SD卡存储的地图，实现车辆导航。

车载终端存储和处理的数据较多，需要提供较大的存储空间。系统提供2G的DDR3电路设计及2G的内部flash设计，用于进行程序和数据存储。另外还提供了U盘接口电路及SD卡接口电路，SD卡最大可达32G，实现导航地图和音视频数据存储。

2.2系统软件设计

系统软件包括两个部分设计，基于核心处理器的Android操作系统设计与基于PIC18F2480的实时操作系统，如图3所示。PIC控制器主要完成的任务有：与核心处理器之间的串口心跳程序及数据传输协议设计，车辆CAN总线数据采集解析及车身控制指令发送。系统软件设计需遵循J1939、ISO15765等CAN总线诊断和控制协议，提供初始化、报文发送、报文接收和错误处理［5］。接收到的诊断数据发送到核心处理器进行屏幕显示或者远程以短信形式发送给手机，而接收的控制指令既可以来自远程指令，也可以是本地指令。

Android操作系统软件完成的工作：一方面系统需要对车辆数据、视频数据、定位数据进行记录与存储，实时监测着是否有本地或者远程控制指令；一方面要处理一些娱乐业务请求，包括收音机业务、蓝牙通话、上网娱乐、MP3/MP5播放等。在UI界面上，在主菜单设计上和子层菜单设计上，注意菜单布局，将常用菜单放置于易于操作界面上，提供更好的用户体验。

3　系统功耗管理

所设计的车载终端，任务较多，各个模块的功耗也不一样，需要通过计划性地设计与管理，才能尽可能降低终端功耗，提高汽车电瓶利用率。其中，系统硬件是基础，软件是执行者，软硬件的协调是分不开的。

3.1器件选型

器件功耗分为静态功耗和动态功耗：当电路的状态没有进行翻转（保持高电平或低电平）时，电路的功耗属于静态功耗，其大小等于电路电压与流过电流的乘积［6］；动态功耗指的电路状态翻转过程中产生的功耗，在总功耗中占据较大比例。因此，在器件选型时，尽量选用低静态电流、低工作电压的器件及具有休眠功能的器件。系统选用的RK2928处理器通过电源管理芯片可以支持DVFS（Dynamic voltage and frequency scaling）功耗调节功能，在处理低运行模式时可以关闭外设电源，并降低内核电压。TDA7388功放芯片具有standby模式，在静态模式下，功放静态电流达190 mA，而在standby模式下，电流可降到50 uA以下，只要功放不工作时直接关掉，不仅大大减少功耗，也能减少散热片发热。10.4寸显示屏的功耗也不容忽视，可以通过PWM调节背光亮度，在允许调节下降低亮度，从而减少功耗。

3.2电路设计

电路设计方面，采取几点措施以降低功耗：1）所有芯片均采用单电源供电，减小电路复杂度；2）对于RK2928和PIC控制器不使用的CPU引脚，增加100K电阻的上下拉处理，防止悬空引脚受干扰无法进入低功耗模式；3）各类总线，满足速率要求情况下，加大上下拉电阻，由2K增加到10K，可减少的功耗也不少；4）系统电源设计采用可控的拓扑结构设计，对收音机、4G模块、显示屏等外设的电源进行开关控制电路设计，为方便软件进行外设电源管理提供硬件基础。

3.3工作模式设计

对于车辆的不同运行状态，车载终端也应该有不同的工作模式，在满足汽车行驶要求的情况下进入更低功耗的工作模式。如图4所示为车载终端的3种工作模式，系统根据不同的外部条件在各个模式直接进行切换。休眠模式：只保留实时时钟工作，4G模块工作在sleep模式，功耗低至100 mW（设备采用14V供电）；省电模式：核心处理器处于待机工作模式，背光、喇叭、收音机等外设处于关闭状态，车辆诊断模块处于工作状态，功耗为600 mW左右；运行模块：系统处于全运行状态，处理各种任务，系统功耗大于3.5 W。

1）检测到汽车点火ACC有效时，从休眠状态切换到省电模式状态；

图3　系统软件设计结构图

2）检测到车辆点火ACC无效后20分钟，系统由省电模块切换到休眠模块；

3）检测到电源按键触发启动、车辆速度或者远程唤醒，系统由省电模式切换到运行模块；

4）检测到电源按键触发关闭或者点火ACC有效条件下没有收音机、MP3、视频、上网等业务请求后5分钟或者点火ACC无效时，系统从运行模块切换到省电模块；

5）当有远程唤醒时，系统可以直接由休眠模式切换到运行模块，无需经过省电模块的过渡。

图4　系统工作模式切换流程图

3.4系统任务执行策略设计

系统在运行模块下的功耗是最大的，且执行不同任务的功耗是有差别的，设计过程中，要尽可能少地减少外设工作数量及没必要的后台任务，

图5　系统任务执行流程图

从而降低功耗，如图5所示为系统的任务执行流程。首先，划分任务类型、优先级及涉及到的功能模块，规定各个任务触发机制；其次，在没有功能任务执行时，系统处于待机等待状态，CPU处于低运行速率，相应功能外设处于关闭状态；最后，当相应的中断任务处理完毕后，需要关闭相关外设模块和处理器外设，释放相应的CPU资源，再次进入待机状态，等待中断。

4　结论

系统以功能整合为基础，设计了智能车载终端的硬件电路和软件架构，并从器件选型、电路、工作模式及任务执行策略等方面对车载终端的功耗管理进行详细设计，既保证了任务执行的效率，也在很大程度上降低了系统运行功耗。设计的智能车载终端在GL8别克车上装车实验测试，得到了用户的好评，并且在相同的汽车电瓶下，工作时间延长了一倍，功耗管理取得了不错的效果。

［1］中华网.中国制造2025［EB/OL］.［2002-04-15］.http://news.china.com/domestic/945/20150519/19710486_all.html.

［2］徐杨.汽车行驶记录仪无线数据检测系统的设计与实现［D］.江苏:南京大学，2013.

［3］武艳红.基于OBDⅡ的汽车监测系统的设计［J］.中国电子商务，2014（11）:47-48.

［4］穆胜亮，秦贵和.基于3G网络和CAN总线的汽车远程控制系统设计［J］.计算机测量与控制，2015，23（7）:2396-2397.

［5］沈瑶，李小青，周云飞.基于CAN总线的电动车控制系统设计［J］.电子设计工程，2010，18（11）:143-145.

［6］文桦，张亚军.嵌入式系统低功耗设计研究［J］.现代电子技术，2009（22）:20-25.

Design of the intelligent vehicle terminal based on environmental protection

CAI Yan-ping1，2，CUI Xiao-wei1，LI Jia-xiang2
（1.Department of Electronic Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.Yaxon Network Co.，Ltd.，Xiamen 361008，China）

In order to improve the driving experience of the car and meet the development need of the energy saving and environmental protection，a new vehicle terminal is designed with the functions of navigation，entertainment，Internet，bluetooth phone，driving record，remote diagnosis and control.At the same time，devices select methods，hardware circuit design methods，working modes management and tasks processing mechanism are used to reduce the power consumption of system.The power consumption in sleep mode is less than 0.1 W.As a result，the vehicle terminal improves the service of the car and the car battery can work more longer.

vehicle terminal；intelligent design；power management；system power supply

TN929.5

A

1674－6236（2016）17-0178-03

2015-09-13稿件编号：201509089

蔡炎平（1989—），男，福建厦门人，硕士研究生，助理工程师。研究方向：汽车电子应用。