车载信息娱乐系统框架介绍及发展概述

2021-07-05赵文棣黄红蓝

汽车电器 2021年6期

赵文棣，黄红蓝，李豪，汪攀

（上汽通用汽车有限公司武汉分公司，湖北武汉 430000）

汽车市场的高速发展催生了众多的汽车制造商。汽车市场的竞争愈演愈烈，车载信息娱乐系统已成为整车差异化的一个关键点。传统的车载系统功能单一，软件系统封闭，不能满足用户个性化功能需求，更不能满足当今由4G技术催生出的各种信息服务。在未来几年内，车载远程信息服务和娱乐系统市场将会持续高速发展，现在的汽车不再是纯粹的代步工具，单一功能正在向多功能方向发展．人们更关注汽车的安全、舒适、便捷、智能等。随着用户对驾车体验要求的提高，车载信息娱乐系统已逐渐成为车身、动力总成和底盘三大基本单元以外的第四大系统［1］。

1 车载信息娱乐系统组成

车载信息娱乐系统是采用车辆专用中央处理器，基于汽车总线系统和互联网服务形成的车辆综合信息处理系统。相较早期的汽车只配有单一的收音机、CD机等简单的功能，车载信息娱乐系统将汽车内外环境的各种信息单元进行集中收集和处理，并利用软件系统、无线通信、音频处理等技术实现多媒体娱乐、无线通信、导航、故障监测、车辆信息显示、车辆控制和后台服务等一系列功能，成为集多功能于一体的综合性产品，带给用户便利、安全、舒适上的全方位提升。

为了实现这些功能，需要多个模块和零件整合交互，组成了一个庞大的框架（图1），相关模块之间根据功能要求采用不同的通信方式。CAN总线使用串行数据传输方式，支持多主控制器，是最常用的一种通信方式。系统网络中的所有节点均可以报文形式广播给其他节点，发送报文优先级可配置，多个节点同时通信时，低优先级避让高优先级，不会对通信线路造成拥塞。同时通信速率可达到1Mb/s，具有高实时性、传输距离远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点，满足信息娱乐系统通信的基本要求。

图1 车载信息娱乐系统组成

随着娱乐系统功能和待传数据量的增多，以及无线互联、V2X等需求，CAN总线已逐渐无法满足各使用场景，车载以太网被应用到了娱乐系统架构中，尤其是在T-Box和驾驶员仪表间对实时性要求较高的数据传输。车载以太网采用单对非屏蔽双绞线，数据传输速率可达到100Mbit/s甚至1Gbit/s，同时具有高可靠性、低电磁辐射和低延迟的优势。除了CAN总线和车载以太网这两种代表主流和未来发展方向的通信，车载信息娱乐系统信息交互还包括LVDS、MOST、LIN、Flex Ray等，可根据功能需求选用合适的传输方式。

下文将对车辆信息娱乐系统三大主要模块：娱乐系统主机、T-Box模块以及驾驶员信息仪表进行介绍。

2 娱乐系统主机模块（Infotainment）

信息娱乐系统主机是整个车载信息娱乐系统的核心模块之一，现以一种典型的娱乐系统主机为例，介绍车载信息娱乐系统的框架特点。

2.1 软件架构

随着车载信息娱乐系统功能的丰富和车载电子外部交互和接口标准的增加，原先简单的嵌入式操作系统开始采用分层化、模块化、平台化的软件架构，在提升开发效率的同时可以降低成本。目前市场上主流的车载信息娱乐系统主机操作系统包括：Linux、Android、QNX、WinCE，其中采用安卓系统的娱乐主机由于其生态丰富的优势，发展尤为迅速。并且hypervisor虚拟化技术的发展，允许多个操作系统和应用共享硬件，将不同OS系统运行在同一个主控芯片，所以很多主机采用了Android和Linux双系统，Linux具有安全稳定运行高效、对硬件要求比较低的优势，而Android弥补了Linux应用匮乏的劣势。两个系统之间可通过RPC构建跨系统远程调用。如图2所示。除了Linux和Android的底层，系统还包括中间层和应用层。中间层由信号接收处理接口和调用接口的处理器组成，应用层包括APP及人机交互显示页面（HMI）［3］。在车辆启动时候，Linux可更快速地先启动，同时点亮娱乐系统页面显示，待Android应用层就绪后，整个系统所有功能完成启动，这种特性可以有效缩减系统的启动时间，给用户带来更好的体验。另外系统中还会包括fast boot、watch dog等程序，负责系统快速启动，系统运行状态监控与支持等功能。

图2 软件架构

2.2 硬件组成

为了实现娱乐系统对应功能，硬件组成上包括了以下几个主要部分：主SoC，MCU，电源管理芯片（PMIC），负责音频的DSP&Tuner芯片，用于导航功能的GPS和Gyro芯片，用于连接USB的驱动芯片，负责以太网通信的芯片（BroadR-Reach Switch），蓝牙&WIFI芯片，对Carplay支持的IC，以及闪存（硬件+对应功能）。如图3所示。

图3 硬件组成

1）主SoC承担了娱乐系统的主要功能，搭载了Linux和Android，包括了Audio、收音机、显示、语音、蓝牙、导航、第三方APP等功能块，以及信息显示（HMI）的功能。MCU搭载了嵌入式程序，主要负责CAN通信、网络、故障信息诊断以及系统运行状态监测等功能。在车辆刚启动时，娱乐主机需要快速上电，并与整车建立通信，主SoC上功能较多所需启动时间较长，此时就需要MCU快速启动使CAN通信、诊断、chime等功能就绪，同时将SoC拉起。两个芯片之间的通信通常采用UART或SPI，二者都是常用的串行总线。

Infotainment模块作为整车通信网络中的重要节点，MCU内还定义了模块本身会接收哪些CAN消息，以及针对收到的CAN消息如何处理。接收到的CAN消息一部分会由MCU直接处理，例如唤醒信号、chime信号等，另外一部分SoC负责的功能会透传给SoC来处理，例如空调状态、车速及发动机转速等信息。同时模块会反馈状态信息，例如模块诊断信息以及故障码，到CAN总线，实现与车辆其他模块间的通信和交互。

2）主机所有功能的电源检测和管理由一块专门的电源管理芯片（PMIC）负责。娱乐系统主机由整车供电（12V），电源管理模块根据当前整车电源状态，每种状态下主机哪些模块需要工作，进行电源的管理分配，例如车辆由OFF切换到RUN状态，零件内部总线通信模块需要快速上电。另外，PMIC还要考虑到某些极端情况下的电流电压波动，例如蓄电池亏电或异常掉电等工况下，保障主机内电子元器件工作环境的相对稳定，避免元器件损坏。

3）娱乐主机中的多媒体功能，包括FM/AM广播、蓝牙音乐、音视频播放以及chime、VR语音、车载导航等功能都由音频系统负责。在音频系统实现中，DSP提供了音源选择、音量控制、音量补偿、音源平衡、EQ控制等功能接口。音频策略定义了各个应用场景下的音量的等级、混音策略以及响度补偿策略［3］。在此基础上，还要参考实车环境，例如内饰布局、材质会影响声音反射和吸收，VR语音和电话功能要避免回声和噪声对于语音识别率和通话品质的干扰等，对音量曲线、频响曲线、失真度、信噪比等进行调试，以达到最佳效果。另外受安全和法规的要求，音频系统还需要满足车辆刚启动时，各种报警音和提示音的快速输出。

4）随着高精地图和T-Box的发展，车载地图导航目前已经比较成熟成为娱乐系统不可缺少的功能。在导航功能中，GPS芯片提供经纬度和速度信息给车机进行定位，而在隧道、涵洞等一些GPS信号较弱的地方，Gyro芯片可提供实时加速度信息，通过计算可以得到此时车辆的速度和方向，进而推算出车辆位置，实现惯性导航，提高定位的准确性。

5）与主机相连的触控屏幕实现了显示和控制功能，通常分为一体式和分体式。一体式即和娱乐主机模块集成在一起，通常用RGB信号连接，也有使用LVDS和HDMI接口。分体式即屏幕与娱乐主机分开，屏幕显示常通过LVDS或HDMI。触控功能常使用I2C通信。由于零件集成度越来越高，越来越多的车辆采用了模块和屏幕分开的方案。

3 T-Bo x模块（Telematics）

T-Box模块为车辆提供了网络及通信服务，模块内部集成了运营商的SIM卡，可为车辆联网的应用（例如基于云端的账户功能、车载导航、音乐APP等）提供数据连接。另外一个重要功能是提供导航位置信息，并将经纬度和时间等信息上传CAN总线供其他模块使用。T-Box还是车辆远程信息查询及控制服务的硬件基础，服务方后台通过T-Box获取到例如车辆胎压、位置等车辆信息，并通过后台下发指令实现远程启动、远程上锁、远程开窗等便捷服务；另外在检测到碰撞、安全气囊弹出等紧急情况，T-Box也会将碰撞信息上发给后台服务并自动触发救援求助，对保障成员安全有重要作用。如图4所示。

图4 T-Box/Infotainment通信

4 驾驶员信息仪表（Cluster）

驾驶员信息仪表是整车信息娱乐系统另外一个重要组成部分。早期的机械仪表功能简单，只能显示车速、发动机转速、油位、水温、故障灯等基本信息，随着整车电气化以及功能需求增多，仪表增加了电子显示屏，可显示车辆胎压、油耗、多媒体等。为了娱乐系统多屏实时交互和硬件一体化设计，仪表和娱乐主机间通信除了CAN外也引入了车载以太网，常见的娱乐主机将导航信息和路线投射在仪表上实时显示就是通过以太网传输实现的，方便了驾驶员观察，提高了行驶安全。驾驶员仪表还常与infotainment主机一起，根据车辆功能架构分配作为驾驶舱内各项报警音（chime）的仲裁或者发声装置，例如转向提示音、门开报警音等，可通过仪表内部扬声器来发声，或者经过仪表或娱乐主机仲裁之后由车内扬声器发声。

5 发展趋势

车载信息娱乐系统智能化是未来的发展大势。硬件方面，从早期机械式仪表、按键逐渐发展到半机械半液晶屏以及全液晶屏的样式，到目前的智能座舱，中控上大量的物理按键被触控以及语音操作所替代，整个人机交互更加方便友好，车辆信息呈现更加直观高效，驾驶感受和科技感得到了大大提升［4］。目前市面上常见的几种方案：以奔驰为代表的整合了驾驶员仪表和中控屏为一体的双联屏产品，以特斯拉为代表的取消驾驶员仪表，将仪表及空调调节等功能整合到中控大屏中进行统一管理和控制。在座舱显示和控制整合的背后，是基于多核高性能、具备更强算力的CPU/GPU芯片，将原本独立的娱乐主机和仪表等分散小型控制器加以整合成为域控制器，并配以开放式的整体架构，成为车载娱乐系统架构上的趋势。这种趋势也将扩展到HUD（抬头显示）、空调控制、驾驶员检测系统等更多功能模块，从独立分散的节点整合为一个娱乐信息系统域，配合以车载以太网，成为集成度和通信效率更高、功能更强大的整体。

另外，未来车辆不仅仅是交通工具，更是日常生活的一个重要节点，车载信息娱乐系统是车联网在车辆上的接口和功能实现。通过车内网、车际网和车载移动互联网的融合，利用云端服务大数据优势，提高系统表现。例如基于云端的智能导航系统，可以实时获取到最新的道路及周边路况信息；基于云端的语音系统，利用云端数据库的优势，可以支持更灵活的指令和话术，大大提高语音的识别率和准确性；另外还有基于用户习惯个性化推送的影音娱乐和生活服务等。通过与后台和云端的对接，车载信息娱乐系统可以摆脱车辆硬件的限制，大大提升了用户体验。