一種車載智能座艙域控制器系統設計

徐磊

摘 要：汽車電氣化、智能化的發展，帶來智能座艙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、多模態交互方式等提出更高的要求。本文根據高通SA8295車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，結合實際應用場景詳細研究分析各功能模塊。

關鍵詞：智能化 智能座艙 域控制器系統 設計研究

1 引言

車載座艙系統在電氣化及智能化的發展背景下，功能越來越豐富。消費類電子設備，尤其是智能手機和移動平板設備的發展，給用戶帶來思維方式和生活習慣的改變。相較于傳統封閉式車載電子系統，汽車座艙系統也將會被消費類電子帶來的變化所影響，如傳統座艙的導航、音響娛樂、電話、燈光、空調控制等功能需求變化。傳統車廠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，順應行業趨勢發展，利用智能汽車載體設計出更符合用戶需求和習慣的智能座艙系統，成為行業面臨的課題。

2 座艙行業狀況

汽車座艙的發展有三個清晰的方向，分別是汽車硬件電子化、汽車控制系統集成化和座艙環境舒適化。為推進這三個方向，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的發展方向。

汽車“新四化”[1]的快速發展背景下，大量相同功能的ECU重新整合，交由域控制器進行統一管理調度，汽車電子電氣架構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，整體呈現快速演進態勢。

隨著整車E/E架構集中化升級，智能座艙未來會經歷四個發展趨勢：

● 電子座艙：主要在基礎技術層面，將汽車EE架構域內整合、系統分層，決定汽車新的軟硬件定義方法。

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

● 人機共駕：車內與車外感知相結合，車輛支持自主或半自主決策，主動感知需求，向人提供服務。

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

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、多模態交互（觸覺、聽覺、視覺、生物識別）。

3.1 智能座艙硬件

傳統汽車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，能完成高實時性的統一交互，減少ECU硬件數量和成本等總需求，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出來。相比于傳統玻璃后視鏡，能減少視覺盲區，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；車內電子后視鏡通過后視鏡側視攝像頭，將感知到的外部數據，實時傳輸到安裝在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，是實現傳統汽車向智能化升級的關鍵。座艙域控制器操作系統包括QNX、Linux、Android，通過Hypervisor虛擬機模擬完整的硬件系統功能，運行在一個完全隔離環境的計算機系統中。域控制器底層OS在虛擬環境下，靈活調度CPU、內存和I/O等硬件資源，實現多操作系統在虛擬機的協調下單元整合與算力共享。

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

3.3 智能座艙多模態交互

多模態人機交互[3]利用AI技術和傳感器配合，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、生物識別等技術特征。

觸覺技術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，讓艙內體驗環境更豐富。

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需要動手的操作。語音軟件在座艙語音交互技術中扮演重要角色，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、單句多任務等功能。艙內場景如聲源定位，后排左邊乘客發出語音指令“打開天窗”，就能實現精準定位，打開天窗。語義理解能憑借粗略描述精準反饋結果，同時車端互動配置情感色彩。單句多任務打破原先“一句一操”的呆板互動，變成從關上車窗、打開空調、導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，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。若出現情況，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，補充交互模態上車，應用于多媒體切換、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，實現車輛停泊車、召喚、啟動等功能。

生物識別技術主要有指紋、虹膜/眼球追蹤、靜脈/心率等。應用場景包括，用戶ID記錄、車內支付；車載健康概念；增強DMS/OMS等艙內監控精度，未來可能應用在意圖預測、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的發展，給SoC芯片原廠帶來“減重降本”、“智能網聯化”、“快速迭代”、“商業模式顛覆”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芯片領域也做了提升變化，見圖1。

SoC芯片端高通對性能是有質的提升，目前市場主要應用7nm的SA8155P平臺。2023年第三季度，高通SA8295量產，且已經得到很多國內外車廠的廣泛定點。

5 高通SA8295智能座艙域控制器系統軟硬件設計與實現

根據高通SA8295的芯片資源，結合整車對于連接器、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設計。域控制器系統硬件架構圖如下圖2所示。

5.1 高通SA8295座艙域控制器系統硬件實現方案

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。

音頻模塊主要依賴于功放系統模塊來發聲，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、價格和軟件開發成本優勢明顯，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A2B接口發揮更多的想象和處理空間。主流產品使用外置功放，其優點高功率輸出、通道數多。另外，音頻模塊能集中對AM/FM發聲，讓硬件開發難度降低，實現個性化配置。

視頻輸入單元支持360°攝像頭環視感知與融合，經內部高吞吐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，通過串行器和解串器芯片，支持主流的GSML和FPD-Link接口協議，完成攝像頭傳感器端和屏幕端的互聯和數據鏈路傳輸，實現環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，確保座艙內車控車設及駕駛員安全狀態的同時，也提供豐富通訊接口。低速通訊接口以傳統的LIN總線為主，能滿足車機內大部分車控車設、車燈預警、雨量雨刮控制等功能應用；MCU也支持CAN/CAN FD總線，最高達5Mbps帶寬數據傳輸，可實現多控制器信息互聯通訊和數據傳輸。

整機系統平臺通訊單元支持以太網MAC接口，通過外置的PHY和Switch完成高速、實時數據通訊，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，確保艙內復雜環境下，高數據帶寬的有線和無線傳輸，車端應用主要集中在娛樂，如聽音樂、觀影、打電子游戲和AR/VR眼鏡。

高通SA8295系統平臺硬件實物如下圖3。

5.2 高通SA8295座艙域控制器系統軟件實現方案

座艙平臺符合主流的SOA軟件設計，軟件系統，如信息安全域、儀表盤和IVI系統等，用戶狀態軟件選用功能安全等級較高的OS、QNX、Linux等操作系統開發環境，確保車機整體安全狀態。這些系統協同在同一個虛擬機監視器Hypervisor[5]下運行。車控車設外掛的MCU在AutoSAR操作系統下，完成各個接口模塊高實時、高安全性、高穩定性通訊任務。SA8295智能座艙系統平臺軟件架構如下圖4所示。

系統支持Andriod開發，用戶可靈活地選擇使用不同的應用程序，來滿足自己的需求。根據自己的喜好進行自定義和個性化設置，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的亮點。

6 結語

智能座艙是汽車智能化時代研究的重點，其受車規芯片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展和電子電氣架構演變，介紹了座艙的發展情況和應用技術要點；基于高通SA8295系統平臺，設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，同時重點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，豐富了感知融合實現方式，有助于座艙智能化科技體驗。

參考文獻：

[1]劉毅剛.智能座艙趨勢研究[J].廣東化工，2019，46（08）：120-122.

[2]李丹，鄭紅麗，回姝等.智能網聯時代汽車智能座艙操作系統的發展[J].汽車文摘，2022，No.556（05）：1-6.

[3]劉堯，李亞楠.智能座艙多模態交互技術發展現狀及趨勢[J].汽車實用技術，2023，48（01）：182-187.

[4]閔志剛.基于智能駕駛需求的汽車智能座艙設計發展現狀及未來趨勢探究[J].時代汽車，2022（15）：127-129.

[5]周毅.基于QNX Hypervisor技術的汽車智能座艙研究與設計[D].上海交通大學，2021.