一种车载智能座舱域控制器系统设计

徐磊

摘 要：汽车电气化、智能化的发展，带来智能座舱Cockpit和辅助驾驶ADAS域控制器电子电气架构的变化。高阶座舱域控制器系统对硬件平台芯片及接口资源、软件系统、多模态交互方式等提出更高的要求。本文根据高通SA8295车规级芯片主要特性和座舱应用要求，设计出智能座舱系统平台的软硬件架构及其功能，结合实际应用场景详细研究分析各功能模块。

关键词：智能化 智能座舱 域控制器系统 设计研究

1 引言

车载座舱系统在电气化及智能化的发展背景下，功能越来越丰富。消费类电子设备，尤其是智能手机和移动平板设备的发展，给用户带来思维方式和生活习惯的改变。相较于传统封闭式车载电子系统，汽车座舱系统也将会被消费类电子带来的变化所影响，如传统座舱的导航、音响娱乐、电话、灯光、空调控制等功能需求变化。传统车厂及零部件供应商被迫思考从根本上转型，如何改变座舱系统现有的封闭落后状况，顺应行业趋势发展，利用智能汽车载体设计出更符合用户需求和习惯的智能座舱系统，成为行业面临的课题。

2 座舱行业状况

汽车座舱的发展有三个清晰的方向，分别是汽车硬件电子化、汽车控制系统集成化和座舱环境舒适化。为推进这三个方向，座舱硬件、座舱控制系统、座舱驾驶辅助设备的不断涌现，就是智能座舱在今天和未来的发展方向。

汽车“新四化”[1]的快速发展背景下，大量相同功能的ECU重新整合，交由域控制器进行统一管理调度，汽车电子电气架构从分布式迈向当前域集中式，再到未来的中央集中式电气架构，整体呈现快速演进态势。

随着整车E/E架构集中化升级，智能座舱未来会经历四个发展趋势：

● 电子座舱：主要在基础技术层面，将汽车EE架构域内整合、系统分层，决定汽车新的软硬件定义方法。

● 智能助理：提升车辆内部感知能力，驾驶员监控系统（DMS）、抬头显示系统（HUD）等。

● 人机共驾：车内与车外感知相结合，车辆支持自主或半自主决策，主动感知需求，向人提供服务。

● 第三生活空间：车辆场景生活化、丰富化（出行规划、主动订餐、自动停泊车/寻车+充电、智能内容推送、影音/游戏娱乐、自动支付等），车内体验线上/下无缝联动的空间体验。

3 智能座舱系统资源

目前主流的智能座舱系统主要构成可以分为三部分：硬件（座舱芯片、电子后视镜、HUD等）、软件、多模态交互（触觉、听觉、视觉、生物识别）。

3.1 智能座舱硬件

传统汽车ECU安装数量多达200，且不便控制。在集中式E/E架构趋势下，新增的域控制器集成了更多的功能。主控芯片会用到高算力、高带宽、多接口资源能力的SoC芯片，替代传统的MCU。单SoC能减少域控制器内部算力冗余，将多应用共用一套硬件设备。集中式架构SoC应用，能完成高实时性的统一交互，减少ECU硬件数量和成本等总需求，增加用户汽车体验舒适度。

电子后视镜通过车辆摄像头的视角，实时拍摄车辆外部画面，能将无损、无延迟的画面在中央后视镜显示屏真实呈现出来。相比于传统玻璃后视镜，能减少视觉盲区，提高夜间画面清晰度。目前流媒体后视镜通过车辆后置摄像头，实时拍摄车辆后方的画面；车内电子后视镜通过后视镜侧视摄像头，将感知到的外部数据，实时传输到安装在A柱和门把手间的屏幕进行显示。

HUD抬头显示仪，基本原理为将重要信息光源通过反射映照在显示板或前挡风玻璃上。驾驶员不必低头就可以看清重要汽车信息，且不遮挡视野，极大的提升了驾驶过程的行车安全和交互便利。HUD投影成像技术有三种：C-HUD将信息镜像到透明面板上；W-HUD将信息直接显示在挡风玻璃上，驾驶员看到的是虚拟图像，通常距离驾驶员的眼睛约2米；AR-HUD，具有数据融合和图像处理功能，可将图像精确地绘制到道路上向驾驶员导航。

3.2 智能座舱软件

在软件定义汽车的大趋势下，座舱操作系统（Operating System，OS）指控制和管理计算设备的硬件和软件资源[2]的窗口，是实现传统汽车向智能化升级的关键。座舱域控制器操作系统包括QNX、Linux、Android，通过Hypervisor虚拟机模拟完整的硬件系统功能，运行在一个完全隔离环境的计算机系统中。域控制器底层OS在虚拟环境下，灵活调度CPU、内存和I/O等硬件资源，实现多操作系统在虚拟机的协调下单元整合与算力共享。

OTA远程在线升级，通过网络下载升级包对车辆自动升级。OTA分两种，SOTA：远程给汽车软件系统升级和完善，主要服务于车载信息和娱乐系统。FOTA：远程给汽车固件系统升级和完善，主要服务于自动驾驶、车身控制和动力系统。OTA是汽车在全生命周期中实现软件及功能更新的重要途径。座舱系统虚拟化后，OTA能为车机安全、软件提供漏洞补丁并导入新功能，用户可在任何有网络的地方，对车辆升级。目前可OTA升级的座舱系统包含：中控屏界面、操作按钮、娱乐系统、刹车系统、油门踏板力度等。

3.3 智能座舱多模态交互

多模态人机交互[3]利用AI技术和传感器配合，完成自动驾驶辅助安全功能和提升座舱多模互动便利。交互方式有触觉、听觉、视觉、生物识别等技术特征。

触觉技术包括实体按键和屏幕触控等。座舱多屏化、大屏化[4]使得触控范围同步在扩大，如从前排屏扩展到后排屏同步触控和异步多点触控等，这加速了车端座舱智能化的步伐，让舱内体验环境更丰富。

语音交互从过去的被动式向当下的主动式演进，再到未来主动交互+情感式陪伴等组合方式，终极目标是替代用户完成所有车内需要动手的操作。语音软件在座舱语音交互技术中扮演重要角色，通过精准的座舱语音助手和算法处理能力，完成声源定位、语义理解、单句多任务等功能。舱内场景如声源定位，后排左边乘客发出语音指令“打开天窗”，就能实现精准定位，打开天窗。语义理解能凭借粗略描述精准反馈结果，同时车端互动配置情感色彩。单句多任务打破原先“一句一操”的呆板互动，变成从关上车窗、打开空调、导航的一次性連贯性操作。

视觉是基于面部和手势识别大量应用座舱内。面部识别以DMS为主，系统基于摄像头和近红外技术，检测驾驶员凝视方向、打哈欠和头部运动、闭眼、疲劳及其他异常驾驶等状态。若出现情况，及时启用语音灯光警示驾驶员，防范驾驶严重事故。手势识别在座舱场景中，补充交互模态上车，应用于多媒体切换、音量控制、接电话、灯光控制等；在ADAS方面，基于车外视觉感知功能，实现车辆停泊车、召唤、启动等功能。

生物识别技术主要有指纹、虹膜/眼球追踪、静脉/心率等。应用场景包括，用户ID记录、车内支付；车载健康概念；增强DMS/OMS等舱内监控精度，未来可能应用在意图预测、主动推荐方面等。

4 高通SA8295芯片资源

汽车智能化电子电气架构的发展，给SoC芯片原厂带来“减重降本”、“智能网联化”、“快速迭代”、“商业模式颠覆”等四大方面的机遇和挑战。基于E/EA电子电气架构的演变，高通近些年在智能座舱SoC芯片领域也做了提升变化，见图1。

SoC芯片端高通对性能是有质的提升，目前市场主要应用7nm的SA8155P平台。2023年第三季度，高通SA8295量产，且已经得到很多国内外车厂的广泛定点。

5 高通SA8295智能座舱域控制器系统软硬件设计与实现

根据高通SA8295的芯片资源，结合整车对于连接器、电源、信号、通信各方面的要求，对智能座舱域控制器进行系统设计。域控制器系统硬件架构图如下图2所示。

5.1 高通SA8295座舱域控制器系统硬件实现方案

结合上述座舱硬件架构系统平台，本文基于高通SA8295智能座舱域控制器系统平台设计方案多元化配置。

音频模块主要依赖于功放系统模块来发声，达到满意音频效果。高通SA8295座舱SoC自带音频aDSP处理音效，其集成度高、价格和软件开发成本优势明显，音频处理实时性更高（延时极低），加上软件配置特殊算法如ANC主动降噪、3D环绕等音效；丰富的音频接口，能灵活支持外置功放和内置功放，能让音频效果通过A2B接口发挥更多的想象和处理空间。主流产品使用外置功放，其优点高功率输出、通道数多。另外，音频模块能集中对AM/FM发声，让硬件开发难度降低，实现个性化配置。

视频输入单元支持360°摄像头环视感知与融合，经内部高吞吐AI引擎处理后，供屏幕单元显示。视频输出支持中控/仪表屏、AR-HUD、后座显示器RSE、电子后视镜e-Mirror和车内DMS/OMS等。高通SA8295平台提供的摄像头MIPI CSI和屏幕DSI、DP、eDP接口，通过串行器和解串器芯片，支持主流的GSML和FPD-Link接口协议，完成摄像头传感器端和屏幕端的互联和数据链路传输，实现环视数据融合在座舱中。

本座舱系统平台硬件搭载符合功能安全ASIL等级MCU，确保座舱内车控车设及驾驶员安全状态的同时，也提供丰富通讯接口。低速通讯接口以传统的LIN总线为主，能满足车机内大部分车控车设、车灯预警、雨量雨刮控制等功能应用；MCU也支持CAN/CAN FD总线，最高达5Mbps带宽数据传输，可实现多控制器信息互联通讯和数据传输。

整机系统平台通讯单元支持以太网MAC接口，通过外置的PHY和Switch完成高速、实时数据通讯，数据带宽最高达SERDES级别，其应用端可接高精度雷达和高速互联模块，完成高速数据传输等。系统配置高性能BT&WiFi、USB接口设备，确保舱内复杂环境下，高数据带宽的有线和无线传输，车端应用主要集中在娱乐，如听音乐、观影、打电子游戏和AR/VR眼镜。

高通SA8295系统平台硬件实物如下图3。

5.2 高通SA8295座舱域控制器系统软件实现方案

座舱平台符合主流的SOA软件设计，软件系统，如信息安全域、仪表盘和IVI系统等，用户状态软件选用功能安全等级较高的OS、QNX、Linux等操作系统开发环境，确保车机整体安全状态。这些系统协同在同一个虚拟机监视器Hypervisor[5]下运行。车控车设外挂的MCU在AutoSAR操作系统下，完成各个接口模块高实时、高安全性、高稳定性通讯任务。SA8295智能座舱系统平台软件架构如下图4所示。

系统支持Andriod开发，用户可灵活地选择使用不同的应用程序，来满足自己的需求。根据自己的喜好进行自定义和个性化设置，如主题、桌面、键盘等可以随意更换。这也是高通平台主打娱乐系统的亮点。

6 结语

智能座舱是汽车智能化时代研究的重点，其受车规芯片SoC性能、接口资源及操作系统软件影响。本文结合新形势下座舱发展和电子电气架构演变，介绍了座舱的发展情况和应用技术要点；基于高通SA8295系统平台，设计出智能座舱域控制器；并重点介绍座舱域控制器平臺硬件软硬件架构，同时重点阐述架构平台的系统资源和功能作用。系统平台扩大了座舱的功能范围，丰富了感知融合实现方式，有助于座舱智能化科技体验。

参考文献：

[1]刘毅刚.智能座舱趋势研究[J].广东化工，2019，46（08）：120-122.

[2]李丹，郑红丽，回姝等.智能网联时代汽车智能座舱操作系统的发展[J].汽车文摘，2022，No.556（05）：1-6.

[3]刘尧，李亚楠.智能座舱多模态交互技术发展现状及趋势[J].汽车实用技术，2023，48（01）：182-187.

[4]闵志刚.基于智能驾驶需求的汽车智能座舱设计发展现状及未来趋势探究[J].时代汽车，2022（15）：127-129.

[5]周毅.基于QNX Hypervisor技术的汽车智能座舱研究与设计[D].上海交通大学，2021.