汽車(chē)電氣化、智能化的發(fā)展，帶來(lái)智能座艙Cockpit 和輔助駕駛ADAS 域控制器電子電氣架構的變化。高階座艙域控制器系統對硬件平臺芯片及接口資源、軟件系統、多模態(tài)交互方式等提出更高的要求。本文根據高通SA8295 車(chē)規級芯片主要特性和座艙應用要求，設計出智能座艙系統平臺的軟硬件架構及其功能，結合實(shí)際應用場(chǎng)景詳細研究分析各功能模塊。
1 引言
車(chē)載座艙系統在電氣化及智能化的發(fā)展背景下，功能越來(lái)越豐富。消費類(lèi)電子設備，尤其是智能手機和移動(dòng)平板設備的發(fā)展，給用戶(hù)帶來(lái)思維方式和生活習慣的改變。相較于傳統封閉式車(chē)載電子系統，汽車(chē)座艙系統也將會(huì )被消費類(lèi)電子帶來(lái)的變化所影響，如傳統座艙的導航、音響娛樂(lè )、電話(huà)、燈光、空調控制等功能需求變化。傳統車(chē)廠(chǎng)及零部件供應商被迫思考從根本上轉型，如何改變座艙系統現有的封閉落后狀況，順應行業(yè)趨勢發(fā)展，利用智能汽車(chē)載體設計出更符合用戶(hù)需求和習慣的智能座艙系統，成為行業(yè)面臨的課題。
2 座艙行業(yè)狀況
汽車(chē)座艙的發(fā)展有三個(gè)清晰的方向，分別是汽車(chē)硬件電子化、汽車(chē)控制系統集成化和座艙環(huán)境舒適化。為推進(jìn)這三個(gè)方向，座艙硬件、座艙控制系統、座艙駕駛輔助設備的不斷涌現，就是智能座艙在今天和未來(lái)的發(fā)展方向。
汽車(chē)“新四化”[1]的快速發(fā)展背景下，大量相同功能的ECU 重新整合，交由域控制器進(jìn)行統一管理調度，汽車(chē)電子電氣架構從分布式邁向當前域集中式，再到未來(lái)的中央集中式電氣架構，整體呈現快速演進(jìn)態(tài)勢。
隨著(zhù)整車(chē)E/E 架構集中化升級，智能座艙未來(lái)會(huì )經(jīng)歷四個(gè)發(fā)展趨勢：
- 電子座艙：主要在基礎技術(shù)層面，將汽車(chē)EE 架構域內整合、系統分層，決定汽車(chē)新的軟硬件定義方法。
- 智能助理：提升車(chē)輛內部感知能力，駕駛員監控系統（DMS）、抬頭顯示系統（HUD）等。
- 人機共駕：車(chē)內與車(chē)外感知相結合，車(chē)輛支持自主或半自主決策，主動(dòng)感知需求，向人提供服務(wù)。
- 第三生活空間：車(chē)輛場(chǎng)景生活化、豐富化（出行規劃、主動(dòng)訂餐、自動(dòng)停泊車(chē)/尋車(chē)+充電、智能內容推送、影音/游戲娛樂(lè )、自動(dòng)支付等），車(chē)內體驗線(xiàn)上/下無(wú)縫聯(lián)動(dòng)的空間體驗。
3 智能座艙系統資源
目前主流的智能座艙系統主要構成可以分為三部分：硬件（座艙芯片、電子后視鏡、HUD 等）、軟件、多模態(tài)交互（觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、生物識別）。
3.1 智能座艙硬件
傳統汽車(chē)ECU 安裝數量多達200，且不便控制。在集中式E/E 架構趨勢下，新增的域控制器集成了更多的功能。主控芯片會(huì )用到高算力、高帶寬、多接口資源能力的SoC芯片，替代傳統的MCU。單SoC 能減少域控制器內部算力冗余，將多應用共用一套硬件設備。集中式架構SoC 應用，能完成高實(shí)時(shí)性的統一交互，減少ECU 硬件數量和成本等總需求，增加用戶(hù)汽車(chē)體驗舒適度。
電子后視鏡通過(guò)車(chē)輛攝像頭的視角，實(shí)時(shí)拍攝車(chē)輛外部畫(huà)面，能將無(wú)損、無(wú)延遲的畫(huà)面在中央后視鏡顯示屏真實(shí)呈現出來(lái)。相比于傳統玻璃后視鏡，能減少視覺(jué)盲區，提高夜間畫(huà)面清晰度。目前流媒體后視鏡通過(guò)車(chē)輛后置攝像頭，實(shí)時(shí)拍攝車(chē)輛后方的畫(huà)面；車(chē)內電子后視鏡通過(guò)后視鏡側視攝像頭，將感知到的外部數據，實(shí)時(shí)傳輸到安裝在A(yíng) 柱和門(mén)把手間的屏幕進(jìn)行顯示。
HUD 抬頭顯示儀，基本原理為將重要信息光源通過(guò)反射映照在顯示板或前擋風(fēng)玻璃上。駕駛員不必低頭就可以看清重要汽車(chē)信息，且不遮擋視野，極大的提升了駕駛過(guò)程的行車(chē)安全和交互便利。HUD 投影成像技術(shù)有三種：C-HUD 將信息鏡像到透明面板上；W-HUD將信息直接顯示在擋風(fēng)玻璃上，駕駛員看到的是虛擬圖像，通常距離駕駛員的眼睛約2 米；AR-HUD，具有數據融合和圖像處理功能，可將圖像精確地繪制到道路上向駕駛員導航。
3.2 智能座艙軟件
在軟件定義汽車(chē)的大趨勢下，座艙操作系統（Operating System，OS）指控制和管理計算設備的硬件和軟件資源[2]的窗口，是實(shí)現傳統汽車(chē)向智能化升級的關(guān)鍵。座艙域控制器操作系統包括QNX、Linux、Android，通過(guò)Hypervisor 虛擬機模擬完整的硬件系統功能，運行在一個(gè)完全隔離環(huán)境的計算機系統中。域控制器底層OS 在虛擬環(huán)境下，靈活調度CPU、內存和I/O 等硬件資源，實(shí)現多操作系統在虛擬機的協(xié)調下單元整合與算力共享。
OTA 遠程在線(xiàn)升級，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )下載升級包對車(chē)輛自動(dòng)升級。OTA 分兩種，SOTA：遠程給汽車(chē)軟件系統升級和完善，主要服務(wù)于車(chē)載信息和娛樂(lè )系統。FOTA：遠程給汽車(chē)固件系統升級和完善，主要服務(wù)于自動(dòng)駕駛、車(chē)身控制和動(dòng)力系統。OTA 是汽車(chē)在全生命周期中實(shí)現軟件及功能更新的重要途徑。座艙系統虛擬化后，OTA 能為車(chē)機安全、軟件提供漏洞補丁并導入新功能，用戶(hù)可在任何有網(wǎng)絡(luò )的地方，對車(chē)輛升級。目前可OTA 升級的座艙系統包含：中控屏界面、操作按鈕、娛樂(lè )系統、剎車(chē)系統、油門(mén)踏板力度等。
3.3 智能座艙多模態(tài)交互
多模態(tài)人機交互[3]利用AI 技術(shù)和傳感器配合，完成自動(dòng)駕駛輔助安全功能和提升座艙多?；?dòng)便利。交互方式有觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、生物識別等技術(shù)特征。
觸覺(jué)技術(shù)包括實(shí)體按鍵和屏幕觸控等。座艙多屏化、大屏化[4]使得觸控范圍同步在擴大，如從前排屏擴展到后排屏同步觸控和異步多點(diǎn)觸控等，這加速了車(chē)端座艙智能化的步伐，讓艙內體驗環(huán)境更豐富。
語(yǔ)音交互從過(guò)去的被動(dòng)式向當下的主動(dòng)式演進(jìn)，再到未來(lái)主動(dòng)交互+情感式陪伴等組合方式，終極目標是替代用戶(hù)完成所有車(chē)內需要動(dòng)手的操作。語(yǔ)音軟件在座艙語(yǔ)音交互技術(shù)中扮演重要角色，通過(guò)精準的座艙語(yǔ)音助手和算法處理能力，完成聲源定位、語(yǔ)義理解、單句多任務(wù)等功能。艙內場(chǎng)景如聲源定位，后排左邊乘客發(fā)出語(yǔ)音指令“打開(kāi)天窗”，就能實(shí)現精準定位，打開(kāi)天窗。語(yǔ)義理解能憑借粗略描述精準反饋結果，同時(shí)車(chē)端互動(dòng)配置情感色彩。單句多任務(wù)打破原先“一句一操”的呆板互動(dòng)，變成從關(guān)上車(chē)窗、打開(kāi)空調、導航的一次性連貫性操作。
視覺(jué)是基于面部和手勢識別大量應用座艙內。面部識別以DMS 為主，系統基于攝像頭和近紅外技術(shù)，檢測駕駛員凝視方向、打哈欠和頭部運動(dòng)、閉眼、疲勞及其他異常駕駛等狀態(tài)。若出現情況，及時(shí)啟用語(yǔ)音燈光警示駕駛員，防范駕駛嚴重事故。手勢識別在座艙場(chǎng)景中，補充交互模態(tài)上車(chē)，應用于多媒體切換、音量控制、接電話(huà)、燈光控制等；在A(yíng)DAS 方面，基于車(chē)外視覺(jué)感知功能，實(shí)現車(chē)輛停泊車(chē)、召喚、啟動(dòng)等功能。
生物識別技術(shù)主要有指紋、虹膜/眼球追蹤、靜脈/心率等。應用場(chǎng)景包括，用戶(hù)ID 記錄、車(chē)內支付；車(chē)載健康概念；增強DMS/OMS 等艙內監控精度，未來(lái)可能應用在意圖預測、主動(dòng)推薦方面等。
4 高通SA8295 芯片資源
汽車(chē)智能化電子電氣架構的發(fā)展，給SoC 芯片原廠(chǎng)帶來(lái)“減重降本”、“智能網(wǎng)聯(lián)化”、“快速迭代”、“商業(yè)模式顛覆”等四大方面的機遇和挑戰?；贓/EA 電子電氣架構的演變，高通近些年在智能座艙SoC 芯片領(lǐng)域也做了提升變化，見(jiàn)圖1。
圖1 高通智能座艙SoC發(fā)展
SoC 芯片端高通對性能是有質(zhì)的提升，目前市場(chǎng)主要應用7nm 的SA8155P 平臺。2023年第三季度，高通SA8295 量產(chǎn)，且已經(jīng)得到很多國內外車(chē)廠(chǎng)的廣泛定點(diǎn)。
5 高通SA8295 智能座艙域控制器系統軟硬件設計與實(shí)現
根據高通SA8295 的芯片資源，結合整車(chē)對于連接器、電源、信號、通信各方面的要求，對智能座艙域控制器進(jìn)行系統設計。域控制器系統硬件架構圖如下圖2 所示。
圖2 高通SA8295智能座艙平臺硬件架構
5.1 高通SA8295 座艙域控制器系統硬件實(shí)現方案
結合上述座艙硬件架構系統平臺，本文基于高通SA8295 智能座艙域控制器系統平臺設計方案多元化配置。
音頻模塊主要依賴(lài)于功放系統模塊來(lái)發(fā)聲，達到滿(mǎn)意音頻效果。高通SA8295 座艙SoC 自帶音頻aDSP 處理音效，其集成度高、價(jià)格和軟件開(kāi)發(fā)成本優(yōu)勢明顯，音頻處理實(shí)時(shí)性更高（延時(shí)極低），加上軟件配置特殊算法如ANC 主動(dòng)降噪、3D 環(huán)繞等音效；豐富的音頻接口，能靈活支持外置功放和內置功放，能讓音頻效果通過(guò)A2B 接口發(fā)揮更多的想象和處理空間。主流產(chǎn)品使用外置功放，其優(yōu)點(diǎn)高功率輸出、通道數多。另外，音頻模塊能集中對AM/FM 發(fā)聲，讓硬件開(kāi)發(fā)難度降低，實(shí)現個(gè)性化配置。
視頻輸入單元支持360°攝像頭環(huán)視感知與融合，經(jīng)內部高吞吐AI 引擎處理后，供屏幕單元顯示。視頻輸出支持中控/儀表屏、AR-HUD、后座顯示器RSE、電子后視鏡e-Mirror 和車(chē)內DMS/OMS 等。高通SA8295 平臺提供的攝像頭MIPI CSI 和屏幕DSI、DP、eDP接口，通過(guò)串行器和解串器芯片，支持主流的GSML 和FPD-Link 接口協(xié)議，完成攝像頭傳感器端和屏幕端的互聯(lián)和數據鏈路傳輸，實(shí)現環(huán)視數據融合在座艙中。
本座艙系統平臺硬件搭載符合功能安全ASIL 等級MCU，確保座艙內車(chē)控車(chē)設及駕駛員安全狀態(tài)的同時(shí)，也提供豐富通訊接口。低速通訊接口以傳統的LIN 總線(xiàn)為主，能滿(mǎn)足車(chē)機內大部分車(chē)控車(chē)設、車(chē)燈預警、雨量雨刮控制等功能應用；MCU 也支持CAN/CAN FD 總線(xiàn)，最高達5Mbps 帶寬數據傳輸，可實(shí)現多控制器信息互聯(lián)通訊和數據傳輸。
整機系統平臺通訊單元支持以太網(wǎng)MAC接口，通過(guò)外置的PHY 和Switch 完成高速、實(shí)時(shí)數據通訊，數據帶寬最高達SERDES 級別，其應用端可接高精度雷達和高速互聯(lián)模塊，完成高速數據傳輸等。系統配置高性能BT&WiFi、USB 接口設備，確保艙內復雜環(huán)境下，高數據帶寬的有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)傳輸，車(chē)端應用主要集中在娛樂(lè )，如聽(tīng)音樂(lè )、觀(guān)影、打電子游戲和AR/VR 眼鏡。
高通SA8295 系統平臺硬件實(shí)物如下圖3。
圖3 高通SA8295智能座艙平臺硬件實(shí)物
5.2 高通SA8295 座艙域控制器系統軟件實(shí)現方案
座艙平臺符合主流的SOA 軟件設計，軟件系統，如信息安全域、儀表盤(pán)和IVI 系統等，用戶(hù)狀態(tài)軟件選用功能安全等級較高的OS、QNX、Linux 等操作系統開(kāi)發(fā)環(huán)境，確保車(chē)機整體安全狀態(tài)。這些系統協(xié)同在同一個(gè)虛擬機監視器Hypervisor[5]下運行。車(chē)控車(chē)設外掛的MCU 在A(yíng)utoSAR 操作系統下，完成各個(gè)接口模塊高實(shí)時(shí)、高安全性、高穩定性通訊任務(wù)。SA8295 智能座艙系統平臺軟件架構如下圖4 所示。
圖4 高通SA8295智能座艙平臺軟件架構
系統支持Andriod 開(kāi)發(fā)，用戶(hù)可靈活地選擇使用不同的應用程序，來(lái)滿(mǎn)足自己的需求。根據自己的喜好進(jìn)行自定義和個(gè)性化設置，如主題、桌面、鍵盤(pán)等可以隨意更換。這也是高通平臺主打娛樂(lè )系統的亮點(diǎn)。
6 結語(yǔ)
智能座艙是汽車(chē)智能化時(shí)代研究的重點(diǎn)，其受車(chē)規芯片SoC 性能、接口資源及操作系統軟件影響。本文結合新形勢下座艙發(fā)展和電子電氣架構演變，介紹了座艙的發(fā)展情況和應用技術(shù)要點(diǎn)；基于高通SA8295 系統平臺，設計出智能座艙域控制器；并重點(diǎn)介紹座艙域控制器平臺硬件軟硬件架構，同時(shí)重點(diǎn)闡述架構平臺的系統資源和功能作用。系統平臺擴大了座艙的功能范圍，豐富了感知融合實(shí)現方式，有助于座艙智能化科技體驗。
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轉自智能汽車(chē)設計
