车载信息娱乐系统构成

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？

一个典型的车载主机系统常被称作车载信息娱乐系统主要包括Vehicle Interface Processor(VIP)，Application Processor(AP), Telematics Box (T-Box)三个部分(有的也包括仪表部分)，Figure 1-1表示这三个部分框图概要。

Figure 1-1. IVI 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。

IVI系统中的电源管理尤为重要，它控制着IVI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。IVI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、IVI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IVI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IVI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IVI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。

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IVI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IVI 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。

IVI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IVI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。

AP部分介绍

AP在IVI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IVI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IVI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IVI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IVI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，IVI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-Sense、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IVI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IVI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Type A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。

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Video 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IVI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Video 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。