如今汽車制造商想在創(chuàng)新、降低零件成本、快速推向市場(chǎng)這三個(gè)方面取得成功變得更加困難。駕駛員和乘客都期待智能手機(jī)和平板電腦所具備的功能成為車內(nèi)電子系統(tǒng)的一部分。

近年來(lái)一些原先作為高端、頂配而引入的功能已經(jīng)低廉化，越來(lái)越多的車款搭載了這些功能。有一種新趨勢(shì)是相互競(jìng)爭(zhēng)的汽車品牌制造商使用同一種技術(shù) -- 如信息娛樂系統(tǒng)的 GENIVI Linux 平臺(tái)。但為吸引和保有客戶進(jìn)行創(chuàng)新和 OEM(原始設(shè)備制造商品牌)差異化的需求依然強(qiáng)勁。將專有、內(nèi)部開發(fā)的嵌入式軟件與開放源代碼包結(jié)合在一起的方式是一種越來(lái)越受追捧的解決方案。

Mentor Graphics 開發(fā)的“概念驗(yàn)證”參考平臺(tái)可以靈活地按具體設(shè)計(jì)定制、可用安全的汽車級(jí)代碼包提供客戶要求的功能。該特殊平臺(tái)可根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)趨勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括：駕駛員信息模塊 (DIM);汽車信息娛樂;智能手機(jī)和平板電腦整合;先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 功能;與現(xiàn)有車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)一同工作的基于AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的通信能力。通過在一個(gè)汽車硬件參考平臺(tái)上引入 Type-1 嵌入式虛擬機(jī) (embedded hypervisor) 進(jìn)行核心設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)此技術(shù)的整合，本例中使用了最近被 Mentor Graphics 收購(gòu)的 XS Embedded GmbH (XSe) 的 汽車級(jí) AXSB。

本設(shè)計(jì)面臨一些挑戰(zhàn)，其中包括：保持每個(gè)被運(yùn)行的應(yīng)用程序的性能可接受、共享可用的硬件資源、管理安全的域間通信。

滿足概念要求

Linux 作為得力的多任務(wù)操作系統(tǒng)已經(jīng)逐漸為汽車制造商所接受，它能運(yùn)行高端的圖形化汽車應(yīng)用程序、支持多種外圍設(shè)備，如相機(jī)、USB 設(shè)備、音頻和多媒體功能設(shè)備。駕駛員信息模塊 (DIM)、車輛報(bào)警系統(tǒng)和控制對(duì)計(jì)算資源要求不高，但仍需要確保性能和一個(gè)穩(wěn)定的顯示屏顯示重要的安全狀態(tài)信息。為實(shí)現(xiàn)這些功能，采用安全的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 非常合適。車輛控制領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò) (CAN)、FlexRay 或其它網(wǎng)絡(luò)獲取的信息可以提供給實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)要求是將這兩個(gè)獨(dú)立的操作系統(tǒng)(Linux 和 RTOS)以及運(yùn)行的應(yīng)用程序整合到一個(gè)硬件參考平臺(tái)上，并且可以借助 AUTOSAR 4.0.3 標(biāo)準(zhǔn)界面(圖1)實(shí)現(xiàn) CAN(車輛控制局域網(wǎng))通信。車輛設(shè)計(jì)者必須整合消費(fèi)電子設(shè)備已成事實(shí)，95%以上的市場(chǎng)通過提供對(duì)蘋果 iOS 和谷歌 Android 設(shè)備支持滿足這一需求。其它標(biāo)準(zhǔn)正在這一領(lǐng)域出現(xiàn)，Mentor 的概念驗(yàn)證平臺(tái)包括 MirrorLink support、Apple CarPlay 和 Google Android Auto。

通過選擇多核參考平臺(tái)降低要素成本、實(shí)現(xiàn)硬件整合。這降低了車輛組件的數(shù)量以及電子線束設(shè)計(jì)的相關(guān)成本。所用 XSe AXSB 平臺(tái)搭載了德州儀器公司 (Texas Instruments) J6 多核 CPU(中央處理器和瑞薩電子公司 (Renesas) V850 MCU(微程序控制器)。AXSB 還包括許多針對(duì)以太網(wǎng)(ethernet)、串口 /USB、電臺(tái)調(diào)諧器、倒車攝像頭輸入電路和 CAN 收發(fā)器等眾多支持性外圍組件。一種基于 Yocto 且符合 GENIVI 的 Linux 發(fā)行套件已經(jīng)針對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行了高度優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)快速開機(jī)。而且，一些重要的 Linux 組件(如音頻管理和圖形管理層)已經(jīng)得到了“加固”。改善后的內(nèi)存組件和引導(dǎo)裝載程序讓 Linux 操作系統(tǒng)在兩秒鐘之內(nèi)就能正常運(yùn)行，滿足汽車制造商對(duì)信息娛樂和導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。

Mentor Graphics 的 Nucleus RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))占用的資源少、啟動(dòng)快，因此被選作駕駛員信息模塊 (DIM) 的操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)可配置性高、擁有一個(gè)針對(duì)流行的駕駛員信息模塊(DIM)圖形支持應(yīng)用軟件的標(biāo)準(zhǔn)界面 Open GLES2。利用遠(yuǎn)程協(xié)議消息(Remote Protocol Messaging， RPMsg)進(jìn)行穩(wěn)定的通信，讓駕駛員信息模塊 (DIM) 軟件棧向信息娛樂系統(tǒng)和 AUTOSAR 軟件棧傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

消費(fèi)電子集成

時(shí)下汽車制造商無(wú)法逃避的是 -- 需要支持基于蘋果 iOS 系統(tǒng)和基于谷歌 Android 系統(tǒng)的設(shè)備。通常智能手機(jī)和平板電腦制造商的創(chuàng)新周期不足一年，因此需要一種普遍支持的可以連接這些設(shè)備和車內(nèi)電子系統(tǒng)的方法，并且在整個(gè)車輛使用年限之內(nèi)這一方法都能用。早期的系統(tǒng)使用藍(lán)牙 (Bluetooth)，但藍(lán)牙技術(shù)沒有進(jìn)行多媒體整合的帶寬，也不支持后座娛樂的視頻流。USB 是一種公認(rèn)的連接方法，Wi-Fi(無(wú)線網(wǎng)絡(luò))車內(nèi)鏈接正在逐漸用于視聽信息傳輸，同時(shí)提供車內(nèi)熱點(diǎn)從而支持多設(shè)備客戶。成立汽車連接聯(lián)盟 (CCC) 是為了推動(dòng)和提議 MirrorLink 成為行業(yè)整合智能設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)方法。借助 MirrorLink 可通過信息娛樂管理設(shè)備遠(yuǎn)程訪問、顯示和控制基于手機(jī)的應(yīng)用軟件。執(zhí)行者可以控制哪些應(yīng)用軟件可用以及如何訪問 -- 是通過觸摸屏用戶界面還是安裝在方向盤上的按鈕。多設(shè)備制造商和車輛 OEM(原始設(shè)備制造商)是汽車連接聯(lián)盟 (CCC) 成員，有幾款采用了該技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)處于生產(chǎn)階段。蘋果公司 (Apple) 已經(jīng)推出具有類似功能的專有 CarPlay 解決方案。

如今任何一款新車上都應(yīng)擁有智能設(shè)備集成功能。它讓駕駛員能立即訪問聯(lián)系人、音樂、視頻和最愛的應(yīng)用軟件，以及利用智能設(shè)備連接4G/LTE網(wǎng)絡(luò)。這樣可以實(shí)時(shí)訪問云服務(wù)，如導(dǎo)航、禮賓服務(wù)、個(gè)人電子郵箱等。Mentor 參考設(shè)計(jì)包括實(shí)施 MirrorLink 標(biāo)準(zhǔn)和可以通過10英寸觸摸屏界面執(zhí)行所有智能手機(jī)的功能。

圖 1：參考設(shè)計(jì)概要。

多重操作系統(tǒng)架構(gòu)

運(yùn)行虛擬機(jī)的虛擬層是一種允許 Linux 和 Nucleus RTOS 在一個(gè)硬件平臺(tái)上同時(shí)運(yùn)行的簡(jiǎn)潔方式。每個(gè)操作系統(tǒng)在一個(gè)專用的虛擬機(jī)上運(yùn)行并共享 AXSB 平臺(tái)上可用的硬件資源。不同操作域間的通信可以利用 RPMsg 協(xié)議用一種可控制的方法進(jìn)行，這樣應(yīng)用軟件之間就可以共享一些數(shù)據(jù)。也可以通過設(shè)定權(quán)限來(lái)管理資源、拒絕對(duì)某些系統(tǒng)功能的訪問。這樣在信息娛樂系統(tǒng)中可能安裝或下載了不可信或未認(rèn)證的應(yīng)用軟件時(shí)就可以進(jìn)行某種程度的隔離。

開機(jī)順序也經(jīng)過了仔細(xì)考慮。通常車上的 CAN 總線通信應(yīng)該在 50ms 內(nèi)激活，但同時(shí)還要求信息娛樂和駕駛員信息模塊要快速完成初始化。在這個(gè)參考設(shè)計(jì)中，基于 AUTOSAR 的 CAN 通信棧在 Renesas V850 MCU 上完成初始化，與 J6 多核 CPU 同時(shí)運(yùn)行。RPMsg 通信引擎快速啟動(dòng)，以便在域間傳送早期的交通狀態(tài)(圖2)。

圖2：?jiǎn)蝹€(gè)系統(tǒng)芯片(SoC)上的多域啟動(dòng)架構(gòu)。

構(gòu)建信息娛樂系統(tǒng)

概念驗(yàn)證參考設(shè)計(jì)包括了一些功能樣例，包括軟件無(wú)線電臺(tái)調(diào)諧器、后視攝像頭輸入、多媒體視頻和音頻播放器和車內(nèi)系統(tǒng)功能，如 HVAC(暖通空調(diào))控制和胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。胎壓監(jiān)測(cè)儀所涉及到的功能具有代表性，它的數(shù)據(jù)源來(lái)自汽車遠(yuǎn)端的某一部分，低壓或輪胎完全沒氣時(shí)，相關(guān)信息必須優(yōu)先通過 CAN 總線發(fā)送并立即顯示在駕駛員信息屏上。因?yàn)樵O(shè)定了顯示優(yōu)先次序，警示屏幕覆蓋了默認(rèn)的信息娛樂主頁(yè)屏幕。 利用 CAN 信息生成器(ETAS BusMaster 模擬器)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，見圖3。

圖 3：利用ETAS BusMaster 生成 CAN通信量測(cè)試參考設(shè)計(jì)。

調(diào)整開機(jī)順序還用到了其它幾種工具，包括 Mentor Graphics XSe XSTrace 和 Mentor Graphics Sourcery Analyzer。通過監(jiān)測(cè)初始化和開機(jī)順序，駕駛員和進(jìn)程可以重新排序并節(jié)約寶貴的時(shí)間。開機(jī)優(yōu)化是一個(gè)迭代的過程，不重要的系統(tǒng)任務(wù)和進(jìn)程會(huì)被及時(shí)地移出，為重要的汽車功能更早地出現(xiàn)讓路。

為確保 DIM 的幀刷新率達(dá)到60幀/s或更快還使用了圖形-性能微調(diào)工具。為確保車內(nèi)信息娛樂 (IVI) 和 DIM 模塊在關(guān)鍵時(shí)刻收到圖形帶寬，GPU(圖形處理器)共享架構(gòu)包括了負(fù)載平衡和資源優(yōu)化。這一進(jìn)程涉及 GENIVI Wayland 元件、Open GLES2 參與的多層調(diào)諧，以及用于顯示屏幕圖像的專有顯示工具層。對(duì)屏幕分辨率和性能之間的權(quán)衡進(jìn)行分析，從而保證可視性較高、性能優(yōu)于說明書。

最終得到的是一個(gè)我們認(rèn)為符合現(xiàn)有市場(chǎng)趨勢(shì)的概念設(shè)計(jì)，并且在當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈的汽車市場(chǎng)上它可能具有節(jié)省時(shí)間和開發(fā)周期的潛力。

結(jié)論

在當(dāng)今快速發(fā)展的汽車電子市場(chǎng)上，從頭開始設(shè)計(jì)已經(jīng)不可取 -- 它在研究上花費(fèi)很多年的時(shí)間才能找到正確的解決方案。利用預(yù)先建立的參考設(shè)計(jì)概念，設(shè)計(jì)者可以選擇一些困難的性能和整合問題得到解決的節(jié)點(diǎn)作為設(shè)計(jì)起點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上加入他們自己的IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))和最終的定制要求，從而縮短上市時(shí)間并搭載用戶直接可用的功能來(lái)滿足當(dāng)前市場(chǎng)的需求。

作者簡(jiǎn)介

Andrew Patterson 是 Mentor Graphics 嵌入式系統(tǒng)事業(yè)部市場(chǎng)與業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)。該事業(yè)部特別關(guān)注汽車電子，Andrew 最近負(fù)責(zé)了這一領(lǐng)域的多個(gè)產(chǎn)品項(xiàng)目，在多個(gè)硬件平臺(tái)上研究 Linux 和 RTOS 解決方案。加入 Mentor 之前，Andrew 在設(shè)計(jì)自動(dòng)化市場(chǎng)馳騁了20余年，精通的技術(shù)包括電子線束設(shè)計(jì)、汽車仿真模型開發(fā)、虛擬原型和機(jī)電一體化。Andrew 擁有英國(guó)劍橋大學(xué) (Cambridge University) 的工程和電子科學(xué)碩士學(xué)位。