互联网汽车信息娱乐系统基础框架

        在互联网思维大潮下，汽车行业也随之变革加入了互联网元素，称之为互联网汽车。目前成熟且已经量产面市的互联网汽车主要体现在它的车载设备（中控部分的信息娱乐系统）。这种车载互联体现主要在几个方面：TSP(Telematics
Service Providers)服务、移动网络(4G)\WIFI、手机互联。那么一台互联网汽车里的车载主机到底有哪些部分呢？本文借助典型的车载主机从具体模块的角度来介绍其框架。
        一个典型的车载主机系统常被称作车载信息娱乐系统Audio Infotainment 简称AI系统，AI主要包括Vehicle Interface Processor(VIP)，Application Processor(AP), TelematicsBox(T-Box)三个部分(有的也包括仪表部分，由于此部分与AI系统少有，本文不做讨论)，Figure
1-1表示这三个部分框图概要。



Figure 1-1. AI System Block
       VIP部分介绍

        VIP 是系统车载系统的核心，它负责几个方面：电源管理、网络、启动Application Processor、监控系统是否稳定运行(包括温度监测、电压监测)、故障诊断信息、下线检测等。

        AI系统中的电源管理尤为重要，它控制着AI系统的所有关键模块的供电及根据电源模式改变工作模式，同时监视正常运行时的电压状态。AI系统的电源需要依赖整车供电系统，轿车的供电电压是12V，但车厂要求在一定的电压范围内所有整车电子器件工作必须稳定，比如9V-16V之间。但极端情况下(电池老化亏电、缺电时接外部电源启动源)在启动时电压范围可能会在6V-30V之间，这时要求对于启动时需要运行的模块的工作电压范围要达到6V-30
V（如：起动机控制、发动机防盗、AI系统中的VIP等）。
       车厂定义了整车电源管理规范，并定义在每种电源状态下整车工作行为，在AI系统中VIP负责电源状态管理，需要根据规范和系统要求定义出多种工作模式：正常运行模式、关机模式、临时使用模式、诊断模式、异常模式。在每种工作模式下VIP软件会定义出AI对应的运行状态，每种状态会定义出哪些模块是需要正常工作的哪些需要关闭的。其中关机状态并不是整个车载设备完全断电，而是车载设备进入了深度休眠模式，在这种模式下的待机电流要符合车厂的标准(比如小于1mA或更小)；临时使用模式指在ACC
ON状态下，用户打开AI系统使用，比如听收音机看电影等。这些模式之间根据各种外部因素条件进行切换，外部条件包括：CAN网络中的电源状态消息，当钥匙开关转动时向CAN网发送电源状态；用户操作：在正常模式下短按下power键关屏，长按表示关机等；电源监测：实时检测电源电压对不同范围的电压做不同处理等等。Table 1-1列出了大致的状态流转情况，但此表不很严谨。实际应用中的工作状态要复杂的多。每种工作状态的切换所依赖的条件也非常多，下表只列出了很小一部分作为参考。

Condition	Run	OFF	Abnormal	Temporary use	Diagnosis
ACC ON		Run		Run
ACC OFF			OFF	OFF	OFF
Power Key Press		Run		Run
Power Key Long Press	OFF		OFF	OFF
Can Power ON		Run
Can Power OFF	OFF		OFF df7e	Can Power OFF	OFF
Can Diagnosis	Diagnosis			Can Diagnosis
Voltage High	Abnormal		Abnormal	Abnormal	Abnormal
Voltage Low	Abnormal		Abnormal	Abnormal	Abnormal

Table 1-1. Power Working Mode
        除此之外VIP还负责给AP供电，AP的各个模块电源启动顺序有严格的要求，所以一般会使用配套的Power Manager IC (PMIC)来支持AP的上电，VIP只需要给PMIC供电和发送Reset信号即可。

        车载的网络指的主要是CAN(Controller Area Network)网络, LIN(Local Interconnect Network)。其中CAN已成为汽车动力系统和车身电子系统最主要的应用网络。车厂定义AI系统需要接收处理哪些CAN消息，和需要发送哪些消息到CAN网络上。其中接收的消息一些由VIP直接处理，比如电源状态，唤醒信号，警报音等等，其他的消息由VIP透传给AP处理，如获取车身ECU的状态信息：车门车窗状态，大灯状态，车速、发动机转速、各种传感器信号，空调状态等等；另外AI系统也需要发送控制及状态信号到CAN网络，实现信息同步及车身单元控制，比如空调控制、时间同步、车门车窗控制等等。

        AI系统需要支持诊断功能，当从CAN网络接收到诊断请求后，上报诊断码。一般在AI系统中需要按照车厂的要求在固定周期时间内监测模块状态，如：显示、摄像头、USB、电源、收音机、天线、功放\Speaker等的状态。有些模块需要由VIP检测并生成诊断码，如电源模块。其他的模块由AP检测，并周期性地把诊断结果上报给VIP模块，VIP统一把诊断信息保存在内部存储上。当收到诊断请求后把诊断码发送到CAN网络，由诊断仪接收处理。



Figure 1-2. Vehicle CAN

        AP部分介绍
        AP在AI系统中主要负责娱乐系统部分、车身部分功能控制、车身信息显示、行车安全监控等。在Figure1-1中AP相关部分描述了大部分的功能模块。

        Audio模块是AI中最为复杂，它和许多模块都有直接或间接的联系；最容易出错，调试周期长的模块之一。Figure 1-3表示Audio 子系统。Audio子系统从软件实现的角度分为五个部分：DSP控制驱动，声卡驱动，音频策略，快速启动时的声音输出，后期的性能调试；DSP的控制主要是芯片初始化及提供所有所需的的功能接口，包含音量控制、音源选择、响度补偿、音源平衡、速度音量补偿、Fader\Balance、EQ、Mute、Click\Clack\Chime控制等；声卡驱动主要需要实现多声卡的实现及把DSP提供的接口封装成ALSA接口；音频策略定义了混音策略、各个音量的等级、响度补偿策略等等应用场景；快速启动时的声音输出主要是各种报警音、提示音的输出，由于此时AI系统还可能没有正常工作，所以很多车载使用VIP控制Audio模块，这样可以保证快速出声。后期的性能调试主要是保证Audio的性能符合车厂的标准，如音量曲线，频响曲线，最大输出失真度等。

        通常在AI系统中有Radio模块、语音模块、CD(现在已经非常少见)模块和Audio模块关系很紧密，在这里把它们一起称为Audio模块，Radio部分包含FM、AM，若是海外版本通常会加上RDS和DAB功能。语音部分在车载中的地位越来越重要，它包括语音识别、控制、蓝牙通话等，这些都能在汽车行驶中提高行车安全。语音处理过程中需要处理回声消除/减少噪声(EC/NR)以提高语音识别率和通话质量。语音模块中除了可以用语音芯片处理EC/NR外也可以使用纯软件的语音算法库来解决。Radio在车内是最常用的功能之一，通常实现FM\AM基本功能如：停台、锁台、搜台功能等，这些功能比较简单。但是有些车厂使用双Tuner提高用户体验，并且在海外版本增加DAB或RDS的功能，这些合在一起并且需要整合到Audio系统中软件逻辑会变得相当复杂。另外Radio后期的性能调试尤其重要，比如锁台灵敏度，频响，信噪比，失真，通道平衡，中频抑制，镜像抑制等。在最后的路试环节中Radio模块也是重点测试的模块。



Figure 1-3. Audio Sub System Block
        BT模块最复杂的部分是协议栈，但是很少有车载厂商会自己单独开发，通常是和专业的第三方开发机构一起联合开发。车载厂商需要调通主机控制接口（HCI）和BT的音频接口（PCM、IIS）。在实现BT的音频接口时，需要特别注意一点是时钟同步问题，否则上述提到的EC/NR算法就不能正确的消除回声问题。主要解决方法是时钟同源，确保Audio
模块和BT模块使用同一Bit Clock 或者使用同一参考时钟。



Figure 1-4. BT and Audio Synchronous Clock
        显示、触摸、背光控制在AI系统中也有其特殊性。车载中的显示分两种：一体屏(Integrated display)和远程屏(Remote display),一体机的前板(带有显示屏的电路板)和主机紧挨着且在结构设计上结合在一起，显示常使用RGB信号连接，也有使用LVDS、HDMI接口。



Figure 1-5. Integrated Display Block
        由于有些车载设备屏和主机是分离开的（比如后枕屏）就不能使用RGB信号做显示接口，常用LVDS、HDMI接口。但触摸模块不能使用这些接口，触摸芯片常使用I2C通信,另外还有Reset控制和中断信号，直接用线束连接会因距离过长影响触摸性能。基于此类问题，一些芯片厂商提供了一组芯片，主要是AP端信号串行化，屏端还原信号。通过这组芯片不仅可以传输LVDS\HDMI信号，还可以透传I2C、中断信号，这样就很好的解决了远程屏触摸问题。这种方案也有缺陷比如调节背光的背光PWM信号无法通过这个串行芯片透传。通常我们可以选用一个能产生PWM且是I2C控制信号的芯片来解决这个问题，这样可以通过I2C的透传间接控制此芯片来实现背光控制。Figure
1-6常见的远程屏方案框图。



Figure 1-6. Remote display block
        除此之外，AI系统中的背光策略也值得一提，背光的控制常依据四个条件：时间、CAN消息、感光Sensor、用户设置。依据时间是把24小时划分成几个区间在各个区间背光值不同，这种方式比较粗略不能根据具体环境来调节；CAN消息是指通过获取CAN上的背光消息来设置背光值；通过感光Sensor可以准确地探知环境光强弱实时调节背光；用户也可以手动设置背光亮度。

        导航模块是车载系统的重要功能之一，它主要使用GPS、G-Senser、Gyro三个芯片。通常由GPS提供的经纬度和速度信息就已经能定位，但行车环境复杂多变，时常进入隧道、或有高楼遮挡GPS信号、还有车速等一些因素使得无法准确定位，此时就需要惯性导航（Dead Reckoning）技术辅助定位，DR原理是需要Gyro提供实时的角加速度及G-sensor(此处表示ACC)提供的线性加速度作为参数，通过推算算法能精确的获得车辆当前位置及方向。Gyro和G-sensor常组合在同一芯片中，GPS数据可以从单独的芯片中获取，如果T-box中有GPS模块也可以从中获取数据。如图1-7左。

        由于DR算法比较耗费资源导致负载，因此有GPS厂商把DR算法集成在片内flash中，此种方案需要GPS直接获取Gyro和ACC数据，同时也需要AP提供倒车信号和当前速度，如图1-7 右。



Figure 1-7. Navigation block
        USB在AI系统中主要用做HOST功能以识别U盘和给外设充电充电，但在调试阶段还需要支持Device功能以便下载镜像及调试。所以AI系统USB实际U需要支持OTG和充电功能。由于汽车提供的USB口(Receptacle)是TypeA类型的，它没有ID Pin的定义，这样在调试时无法切换到Device功能，因此车载设备主板的USB接口通常是Mini/Micro类型的，再通过车载线束转换为Type
A类型。标准的Mini/Micro Plug定义有两种：Mini/Micro-A ID脚接地为了使USB Controller 切换到Host功能；Mini/Micro-B ID 悬空这样会保证插入后USB Controller仍为Device模式；比如智能手机默认的都是Device模式，ID PIN是拉高的，只有当插入Mini/Micro-A Plug线 (俗称OTG线)才会切换到Host模式。但是车载USB默认是Host模式ID Pin都是拉低的，这样无论是Mini/Micro-A还是Mini/Micro-B都不能切换成Device模式，所以在调试过程中会使用一种ID
Pin拉高的特制线。表1-2列出了常规的Mini/Micro定义及特殊用法的定义。

Pin	Name	Description
1	VBUS	+5 V
2	D-	Data-
3	D+	Data+
4	ID	The pin used byOn-The-Go Mini/Micro-A plug: ID connected to GND (Host) Mini/Micro-B plug: ID not connected (Device) Special plug for vehicle: ID Pulled up
5	GND	Signal ground

Table 1-2. USB used in vehicle
        车载USB给外设充电，如果没有充电芯片的支持，一般最大只能达到500mA的充电电流，但充电效果不理想，充电速度慢，而且不支持Apple设备的充电。充电芯片可以解决这些问题，充电芯片一般会支持CDP、DCP充电模式。有些充电芯片内部设计有符合Apple规范的电路直接支持Apple设备充电无需软件的介入。

        汽车上的摄像头（Video）应用的非常广泛，倒车摄像，环视，行车记录，行车辅助等，在车载中常用CVBS摄像头经过Video Codec转换成数字信号。常见设计有如下图1-8两种，第一种比较常用也容易理解，多个CVBS信号接入Vedeo Codec，AP会选择使用哪路。第二种比较特殊，是因为有的车厂有快速显示倒车需求，一般在2秒左右需要响应倒车信号显示后摄像头画面，但由于此时AI系统还没有完全启动，无法及时显示出图像。为了解决这种问题把AP的显示数据当做Vedeo
Codec的一个输入源。正常启动时显示正常启动画面，当检测到倒车信号后立即把显示源切到Camera，这种方案可以解决快速倒车的问题。但这种方案同时带来了很多弊端，比如Camera必须自带倒车辅助线，图像无法经过软件处理，也无法叠加等等。



Figure 1-8. Video\Camera
        有的车有360环视功能，实时显示行车周围的环境情况提高安全性，在硬件上只需接入多个摄像头即可，但是软件需要合成多路的图像，这使得CPU负载很高，所以一般会选用带DSP的AP，或者外加模块单独处理图像合成。

        AP与VIP之间的通信，由于AP需要处理倒车信号，HMI需要显示胎压、速度、车门、大灯转向灯状态等的状态，且能控制空调，车门车窗等，再者VIP的OTA升级，这些都需要AP与VIP通信，这种没有标准的名称，各个主机厂定义都不同，我们且称其为VACP（VIP AP Communication Protocol）。VACP常用UART或者SPI作为通信接口。无论是在VIP端还是AP端，编写调试都很复杂，极易出错。

        T-Box部分介绍

        T-Box对于车机是一个黑盒子，主要含有通信模块(GPRS、3G或4G)，GPS， Sensor(G-Sensor和V-Sensor)，对外通过通信模块和TSP后台通信包括数据、语音和短信，对内T-BOX是CAN网络的一个节点，通过CANBUS可以实现指令的传递和车辆信息的上报或报警。比如，通过后台控制或者特制的手机应用可以控制车辆启动，控制车门车窗开关，空调的开关，车灯控制，唤醒主机；获取几乎所有的车身信息，比如电源状态，车门状态，燃油状态，位置信息，速度信息等；在车辆门被异常打开，车胎气压低，电压低，碰撞等情况下会主动通过通信模块向后台或车主手机报警。



Figure 1-9. T-Box

        T-Box的Phone模拟信号会传送给Audio Codec模块通过车内Speaker输出。除此之外T-Box通过USB或UART和AP通信，这样AP可以共享T-Box的数据业务，而且也可以省掉AP端的GPS模块节约成本，同样通过T-Box获取CAN网上的信息也是一种有效的途径。