汽車電氣化、智能化的發(fā)展，帶來智能座艙Cockpit 和輔助駕駛ADAS 域控制器電子電氣架構(gòu)的變化。高階座艙域控制器系統(tǒng)對硬件平臺芯片及接口資源、軟件系統(tǒng)、多模態(tài)交互方式等提出更高的要求。本文根據(jù)高通SA8295 車規(guī)級芯片主要特性和座艙應(yīng)用要求，設(shè)計出智能座艙系統(tǒng)平臺的軟硬件架構(gòu)及其功能，結(jié)合實際應(yīng)用場景詳細研究分析各功能模塊。

1 引言

      車載座艙系統(tǒng)在電氣化及智能化的發(fā)展背景下，功能越來越豐富。消費類電子設(shè)備，尤其是智能手機和移動平板設(shè)備的發(fā)展，給用戶帶來思維方式和生活習(xí)慣的改變。相較于傳統(tǒng)封閉式車載電子系統(tǒng)，汽車座艙系統(tǒng)也將會被消費類電子帶來的變化所影響，如傳統(tǒng)座艙的導(dǎo)航、音響娛樂、電話、燈光、空調(diào)控制等功能需求變化。傳統(tǒng)車廠及零部件供應(yīng)商被迫思考從根本上轉(zhuǎn)型，如何改變座艙系統(tǒng)現(xiàn)有的封閉落后狀況，順應(yīng)行業(yè)趨勢發(fā)展，利用智能汽車載體設(shè)計出更符合用戶需求和習(xí)慣的智能座艙系統(tǒng)，成為行業(yè)面臨的課題。

2 座艙行業(yè)狀況

       汽車座艙的發(fā)展有三個清晰的方向，分別是汽車硬件電子化、汽車控制系統(tǒng)集成化和座艙環(huán)境舒適化。為推進這三個方向，座艙硬件、座艙控制系統(tǒng)、座艙駕駛輔助設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，就是智能座艙在今天和未來的發(fā)展方向。

       汽車“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，交由域控制器進行統(tǒng)一管理調(diào)度，汽車電子電氣架構(gòu)從分布式邁向當前域集中式，再到未來的中央集中式電氣架構(gòu)，整體呈現(xiàn)快速演進態(tài)勢。

      隨著整車E/E 架構(gòu)集中化升級，智能座艙未來會經(jīng)歷四個發(fā)展趨勢：

      - 電子座艙：主要在基礎(chǔ)技術(shù)層面，將汽車EE 架構(gòu)域內(nèi)整合、系統(tǒng)分層，決定汽車新的軟硬件定義方法。

      - 智能助理：提升車輛內(nèi)部感知能力，駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)（DMS）、抬頭顯示系統(tǒng)（HUD）等。

      - 人機共駕：車內(nèi)與車外感知相結(jié)合，車輛支持自主或半自主決策，主動感知需求，向人提供服務(wù)。

      - 第三生活空間：車輛場景生活化、豐富化（出行規(guī)劃、主動訂餐、自動停泊車/尋車+充電、智能內(nèi)容推送、影音/游戲娛樂、自動支付等），車內(nèi)體驗線上/下無縫聯(lián)動的空間體驗。

3 智能座艙系統(tǒng)資源

      目前主流的智能座艙系統(tǒng)主要構(gòu)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、聽覺、視覺、生物識別）。

       3.1 智能座艙硬件

       傳統(tǒng)汽車ECU 安裝數(shù)量多達200，且不便控制。在集中式E/E 架構(gòu)趨勢下，新增的域控制器集成了更多的功能。主控芯片會用到高算力、高帶寬、多接口資源能力的SoC芯片，替代傳統(tǒng)的MCU。單SoC 能減少域控制器內(nèi)部算力冗余，將多應(yīng)用共用一套硬件設(shè)備。集中式架構(gòu)SoC 應(yīng)用，能完成高實時性的統(tǒng)一交互，減少ECU 硬件數(shù)量和成本等總需求，增加用戶汽車體驗舒適度。

       電子后視鏡通過車輛攝像頭的視角，實時拍攝車輛外部畫面，能將無損、無延遲的畫面在中央后視鏡顯示屏真實呈現(xiàn)出來。相比于傳統(tǒng)玻璃后視鏡，能減少視覺盲區(qū)，提高夜間畫面清晰度。目前流媒體后視鏡通過車輛后置攝像頭，實時拍攝車輛后方的畫面；車內(nèi)電子后視鏡通過后視鏡側(cè)視攝像頭，將感知到的外部數(shù)據(jù)，實時傳輸?shù)桨惭b在A 柱和門把手間的屏幕進行顯示。

       HUD 抬頭顯示儀，基本原理為將重要信息光源通過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信息，且不遮擋視野，極大的提升了駕駛過程的行車安全和交互便利。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(shù)據(jù)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(dǎo)航。

       3.2 智能座艙軟件

       在軟件定義汽車的大趨勢下，座艙操作系統(tǒng)（Operating System，OS）指控制和管理計算設(shè)備的硬件和軟件資源[2]的窗口，是實現(xiàn)傳統(tǒng)汽車向智能化升級的關(guān)鍵。座艙域控制器操作系統(tǒng)包括QNX、Linux、Android，通過Hypervisor 虛擬機模擬完整的硬件系統(tǒng)功能，運行在一個完全隔離環(huán)境的計算機系統(tǒng)中。域控制器底層OS 在虛擬環(huán)境下，靈活調(diào)度CPU、內(nèi)存和I/O 等硬件資源，實現(xiàn)多操作系統(tǒng)在虛擬機的協(xié)調(diào)下單元整合與算力共享。

       OTA 遠程在線升級，通過網(wǎng)絡(luò)下載升級包對車輛自動升級。OTA 分兩種，SOTA：遠程給汽車軟件系統(tǒng)升級和完善，主要服務(wù)于車載信息和娛樂系統(tǒng)。FOTA：遠程給汽車固件系統(tǒng)升級和完善，主要服務(wù)于自動駕駛、車身控制和動力系統(tǒng)。OTA 是汽車在全生命周期中實現(xiàn)軟件及功能更新的重要途徑。座艙系統(tǒng)虛擬化后，OTA 能為車機安全、軟件提供漏洞補丁并導(dǎo)入新功能，用戶可在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方，對車輛升級。目前可OTA 升級的座艙系統(tǒng)包含：中控屏界面、操作按鈕、娛樂系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、油門踏板力度等。

       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，完成自動駕駛輔助安全功能和提升座艙多?；颖憷?。交互方式有觸覺、聽覺、視覺、生物識別等技術(shù)特征。

       觸覺技術(shù)包括實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觸控等，這加速了車端座艙智能化的步伐，讓艙內(nèi)體驗環(huán)境更豐富。

       語音交互從過去的被動式向當下的主動式演進，再到未來主動交互+情感式陪伴等組合方式，終極目標是替代用戶完成所有車內(nèi)需要動手的操作。語音軟件在座艙語音交互技術(shù)中扮演重要角色，通過精準的座艙語音助手和算法處理能力，完成聲源定位、語義理解、單句多任務(wù)等功能。艙內(nèi)場景如聲源定位，后排左邊乘客發(fā)出語音指令“打開天窗”，就能實現(xiàn)精準定位，打開天窗。語義理解能憑借粗略描述精準反饋結(jié)果，同時車端互動配置情感色彩。單句多任務(wù)打破原先“一句一操”的呆板互動，變成從關(guān)上車窗、打開空調(diào)、導(dǎo)航的一次性連貫性操作。

       視覺是基于面部和手勢識別大量應(yīng)用座艙內(nèi)。面部識別以DMS 為主，系統(tǒng)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、閉眼、疲勞及其他異常駕駛等狀態(tài)。若出現(xiàn)情況，及時啟用語音燈光警示駕駛員，防范駕駛嚴重事故。手勢識別在座艙場景中，補充交互模態(tài)上車，應(yīng)用于多媒體切換、音量控制、接電話、燈光控制等；在ADAS 方面，基于車外視覺感知功能，實現(xiàn)車輛停泊車、召喚、啟動等功能。

       生物識別技術(shù)主要有指紋、虹膜/眼球追蹤、靜脈/心率等。應(yīng)用場景包括，用戶ID 記錄、車內(nèi)支付；車載健康概念；增強DMS/OMS 等艙內(nèi)監(jiān)控精度，未來可能應(yīng)用在意圖預(yù)測、主動推薦方面等。

4 高通SA8295 芯片資源

      汽車智能化電子電氣架構(gòu)的發(fā)展，給SoC 芯片原廠帶來“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(zhàn)。基于E/EA 電子電氣架構(gòu)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，目前市場主要應(yīng)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(nèi)外車廠的廣泛定點。

5 高通SA8295 智能座艙域控制器系統(tǒng)軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)

       根據(jù)高通SA8295 的芯片資源，結(jié)合整車對于連接器、電源、信號、通信各方面的要求，對智能座艙域控制器進行系統(tǒng)設(shè)計。域控制器系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖如下圖2 所示。

圖2 高通SA8295智能座艙平臺硬件架構(gòu)

       5.1 高通SA8295 座艙域控制器系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方案

       結(jié)合上述座艙硬件架構(gòu)系統(tǒng)平臺，本文基于高通SA8295 智能座艙域控制器系統(tǒng)平臺設(shè)計方案多元化配置。

       音頻模塊主要依賴于功放系統(tǒng)模塊來發(fā)聲，達到滿意音頻效果。高通SA8295 座艙SoC 自帶音頻aDSP 處理音效，其集成度高、價格和軟件開發(fā)成本優(yōu)勢明顯，音頻處理實時性更高（延時極低），加上軟件配置特殊算法如ANC 主動降噪、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(nèi)置功放，能讓音頻效果通過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)點高功率輸出、通道數(shù)多。另外，音頻模塊能集中對AM/FM 發(fā)聲，讓硬件開發(fā)難度降低，實現(xiàn)個性化配置。

       視頻輸入單元支持360°攝像頭環(huán)視感知與融合，經(jīng)內(nèi)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 和車內(nèi)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(shù)據(jù)鏈路傳輸，實現(xiàn)環(huán)視數(shù)據(jù)融合在座艙中。

       本座艙系統(tǒng)平臺硬件搭載符合功能安全ASIL 等級MCU，確保座艙內(nèi)車控車設(shè)及駕駛員安全狀態(tài)的同時，也提供豐富通訊接口。低速通訊接口以傳統(tǒng)的LIN 總線為主，能滿足車機內(nèi)大部分車控車設(shè)、車燈預(yù)警、雨量雨刮控制等功能應(yīng)用；MCU 也支持CAN/CAN FD 總線，最高達5Mbps 帶寬數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)多控制器信息互聯(lián)通訊和數(shù)據(jù)傳輸。

       整機系統(tǒng)平臺通訊單元支持以太網(wǎng)MAC接口，通過外置的PHY 和Switch 完成高速、實時數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)帶寬最高達SERDES 級別，其應(yīng)用端可接高精度雷達和高速互聯(lián)模塊，完成高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｏ到y(tǒng)配置高性能BT&WiFi、USB 接口設(shè)備，確保艙內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下，高數(shù)據(jù)帶寬的有線和無線傳輸，車端應(yīng)用主要集中在娛樂，如聽音樂、觀影、打電子游戲和AR/VR 眼鏡。

       高通SA8295 系統(tǒng)平臺硬件實物如下圖3。

圖3 高通SA8295智能座艙平臺硬件實物

       5.2 高通SA8295 座艙域控制器系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方案

       座艙平臺符合主流的SOA 軟件設(shè)計，軟件系統(tǒng)，如信息安全域、儀表盤和IVI 系統(tǒng)等，用戶狀態(tài)軟件選用功能安全等級較高的OS、QNX、Linux 等操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，確保車機整體安全狀態(tài)。這些系統(tǒng)協(xié)同在同一個虛擬機監(jiān)視器Hypervisor[5]下運行。車控車設(shè)外掛的MCU 在AutoSAR 操作系統(tǒng)下，完成各個接口模塊高實時、高安全性、高穩(wěn)定性通訊任務(wù)。SA8295 智能座艙系統(tǒng)平臺軟件架構(gòu)如下圖4 所示。

圖4 高通SA8295智能座艙平臺軟件架構(gòu)

       系統(tǒng)支持Andriod 開發(fā)，用戶可靈活地選擇使用不同的應(yīng)用程序，來滿足自己的需求。根據(jù)自己的喜好進行自定義和個性化設(shè)置，如主題、桌面、鍵盤等可以隨意更換。這也是高通平臺主打娛樂系統(tǒng)的亮點。

6 結(jié)語

       智能座艙是汽車智能化時代研究的重點，其受車規(guī)芯片SoC 性能、接口資源及操作系統(tǒng)軟件影響。本文結(jié)合新形勢下座艙發(fā)展和電子電氣架構(gòu)演變，介紹了座艙的發(fā)展情況和應(yīng)用技術(shù)要點；基于高通SA8295 系統(tǒng)平臺，設(shè)計出智能座艙域控制器；并重點介紹座艙域控制器平臺硬件軟硬件架構(gòu)，同時重點闡述架構(gòu)平臺的系統(tǒng)資源和功能作用。系統(tǒng)平臺擴大了座艙的功能范圍，豐富了感知融合實現(xiàn)方式，有助于座艙智能化科技體驗。

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