朱敦堯　連　迅　謝　斌

摘要：未來的車載信息平臺(tái)是人、車、環(huán)境的充分交互，集電子、通信、網(wǎng)絡(luò)、嵌入式等技術(shù)為一體的高端車載綜合信息顯示平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：車載信息平臺(tái)；FPGA；車載網(wǎng)絡(luò)

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)和電子技術(shù)的發(fā)展，車輛導(dǎo)航、通信、移動(dòng)辦公、多媒體娛樂、安防輔助駕駛和遠(yuǎn)程故障診斷等功能電子系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)聯(lián)網(wǎng)形成車載信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。未來的汽車儀表系統(tǒng)向著集成化、智能化、全圖形化車載信息系統(tǒng)平臺(tái)的方向發(fā)展。

車載信息系統(tǒng)平臺(tái)綜述

未來的車載信息系統(tǒng)平臺(tái)將全面超越傳統(tǒng)汽車儀表的現(xiàn)有功能，系統(tǒng)主要功能包括：全圖形化數(shù)字儀表、GPS導(dǎo)航、車載多媒體影音娛樂、整車狀態(tài)顯示、遠(yuǎn)程故障診斷、無線通信、網(wǎng)絡(luò)辦公、信息處理、智能交通輔助駕駛等等。未來的車載信息平臺(tái)是人、車、環(huán)境的充分交互，集電子、通信、網(wǎng)絡(luò)、嵌入式等技術(shù)為一體的高端車載綜合信息顯示平臺(tái)。

車載信息平臺(tái)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展

車載信息平臺(tái)包括多方面技術(shù)，下面僅將其中涉及到的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)簡單介紹如下：

基于嵌入式技術(shù)的Telematics系統(tǒng)

Telamatics的技術(shù)特征充分表現(xiàn)了現(xiàn)代科技的大融合。它應(yīng)用5種主要技術(shù)：衛(wèi)星定位技術(shù)(GPS)；無線接入技術(shù)；蜂窩通信技術(shù)(2G／3G)；專用短程通信的窄帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(DSRC)；數(shù)字廣播和多媒體廣播技術(shù)(DMB)。

Telematics裝置通常是一種嵌入式系統(tǒng)，它在軟、硬件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)上與普通嵌入式系統(tǒng)并沒有差異。在PC產(chǎn)業(yè)里，運(yùn)算平臺(tái)的選擇，也就是處理器及其相關(guān)參考設(shè)計(jì)的選擇，是相當(dāng)有限的，不外乎Intel或是AMD的那幾種，然而嵌入式系統(tǒng)的硬件卻需要面對(duì)各式各樣不同的需求。正確的選型及架構(gòu)設(shè)計(jì)必須能符合客戶及產(chǎn)品需求，這是一件相當(dāng)重要的事情。目前比較流行的一種基于嵌入式技術(shù)的Telematics系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其硬件系統(tǒng)采用了高效、靈活的ARM+FPGA構(gòu)架，其中ARM主要完成外部數(shù)據(jù)采集、整理、分析、存儲(chǔ)等功能，F(xiàn)PGA主要用于用戶界面的顯示。這種硬件架構(gòu)一個(gè)比較典型的應(yīng)用實(shí)例就是賽靈思與微軟汽車業(yè)務(wù)部推出的智能車載信息平臺(tái)，它又被稱為Microsoft Telematics Platform(微軟車載信息處理平臺(tái))，巧妙地通過語音命令結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)連接進(jìn)行通信和控制，是一種用于集成各種移動(dòng)設(shè)備和通過互聯(lián)網(wǎng)與無線網(wǎng)絡(luò)傳送信息的集線器。

對(duì)任何硬件平臺(tái)而言，靈活性和伸縮性對(duì)架構(gòu)能否成功獲得市場(chǎng)接受都至關(guān)重要，無論是基本系統(tǒng)還是高性能的高端車載信息系統(tǒng)。鑒于此，微軟開發(fā)了一個(gè)真正可以定制和伸縮的汽車標(biāo)準(zhǔn)車載信息處理平臺(tái)。

該平臺(tái)整合了一個(gè)基于ARM 9的微控制器，支持32MB閃存／32MB DRAM以上的內(nèi)存，并包含集成GPS藍(lán)牙和一個(gè)GSM電話模塊。外部車輛連接包括一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)接口以及有保護(hù)的模擬和數(shù)字I／O，用于實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)和按鈕輸入等功能。該平臺(tái)的基本架構(gòu)如圖1所示。

微軟利用了FPGA技術(shù)的靈活性和高集成度能力。該平臺(tái)使用了一個(gè)Spartan3 XC3S400 FPGA，用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立的目的，如GSM電話接口、車輛接口(CAN控制器和K－線路)以及復(fù)雜的音頻信號(hào)調(diào)節(jié)和路由功能(如圖2所示)。

FPGA提供的高集成度也具有在一個(gè)器件內(nèi)包含多種總線、接口和時(shí)鐘的優(yōu)點(diǎn)，從而使利用EMI的設(shè)計(jì)容易管理。此外，減少組件數(shù)量和電路板空間將降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)更高的制造質(zhì)量，在任何汽車設(shè)計(jì)中這些都是重要的因素。

在了解了車輛開發(fā)的實(shí)質(zhì)和目前已有的眾多不同的車輛接口，微軟有意設(shè)計(jì)了一個(gè)靈活的解決方案，可允許對(duì)后端車輛接口進(jìn)行快速修改而不影響下層架構(gòu)和系統(tǒng)性能。例如，未來將有可能調(diào)節(jié)FPGA解決方案，使之能滿足帶有諸如MOST、IDB-1394或其它數(shù)字車輛網(wǎng)絡(luò)等汽車總線的最終應(yīng)用的需求。

基于車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多媒體信息，娛樂系統(tǒng)

對(duì)于購買配有車載網(wǎng)絡(luò)汽車的用戶來說，最大的受益是能在網(wǎng)絡(luò)中共享信息。汽車可以通過車載網(wǎng)絡(luò)，將視頻、音頻和數(shù)據(jù)內(nèi)容傳給乘客，用戶可以通過這種網(wǎng)絡(luò)，用互聯(lián)網(wǎng)或者預(yù)訂服務(wù)訪問家用網(wǎng)絡(luò)上的內(nèi)容。隨著3G時(shí)代的到來，迫切需要建立能夠提供這些服務(wù)、傳輸這些內(nèi)容的多媒體安全信息娛樂系統(tǒng)。

多媒體傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

媒體和信息網(wǎng)絡(luò)主要面向遠(yuǎn)程信息處理、多媒體、導(dǎo)航系統(tǒng)等，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的傳輸比特率在250kbit／s～400Mbit／s之間。要實(shí)現(xiàn)車載系統(tǒng)中多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，迫切需要解決以下4個(gè)問題。

·這些新的應(yīng)用要求網(wǎng)絡(luò)的頻帶比現(xiàn)有汽車上的網(wǎng)絡(luò)頻帶寬一個(gè)數(shù)量級(jí)，例如，控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)和局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LIN)。

·視頻和音頻內(nèi)容的性質(zhì)決定了它們?cè)诎l(fā)布內(nèi)容時(shí)，必須考慮到發(fā)布的方式能夠?yàn)橛脩羲邮?。音頻延遲或者是在顯示屏上出現(xiàn)錯(cuò)誤的顯示像素，是人們不能忍受的。

·由于內(nèi)容是以數(shù)字形式向外發(fā)布的，那么，設(shè)計(jì)人員必須十分關(guān)心如何保證內(nèi)容的安全。

·因?yàn)檫B接到客戶的外設(shè)上時(shí)，有可能會(huì)不經(jīng)意地把病毒帶進(jìn)來，所以必須確保網(wǎng)絡(luò)的安全，以防止病毒的入侵。

隨著嵌入式產(chǎn)品市場(chǎng)的發(fā)展，隨之而來的是系統(tǒng)方面的一些難題，許多新出現(xiàn)的技術(shù)競(jìng)相成為主流的解決方案。歸納起來，共有4種主要的技術(shù)。

·CAN技術(shù)。CAN技術(shù)是目前正在使用的一種技術(shù)，而且新版的CAN已經(jīng)提高了帶寬。但這個(gè)協(xié)議并不支持高質(zhì)量的服務(wù)。

·Firewire接口(IEEE1394)。在汽車市場(chǎng)中，從事消費(fèi)產(chǎn)品的公司都推崇Firewire接口。

·面向多媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)。用塑料纖維實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)，重量輕、成本低，深受供應(yīng)商的歡迎，而且在寶馬、奔馳和奧迪的一些汽車上已經(jīng)采用了這項(xiàng)技術(shù)。從技術(shù)的角度看，這個(gè)協(xié)議在設(shè)計(jì)時(shí)從一開始就支持多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，由總線提供同步通道，以確保足夠的帶寬。

·無線技術(shù)。由于眾多原因，汽車市場(chǎng)在采用新標(biāo)準(zhǔn)方面進(jìn)展緩慢。盡管超寬頻帶技術(shù)(UWB)簡化了安裝和維修，在價(jià)格方面還有優(yōu)勢(shì)，而且在技術(shù)上它似乎更適合于噪聲環(huán)境下的短距離高速數(shù)據(jù)傳輸，但是由于缺乏一個(gè)明確的單一標(biāo)準(zhǔn)，整機(jī)制造商不愿使用它，也阻礙了它的推廣。多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)存在的時(shí)間越長，安裝MOST技術(shù)的數(shù)量就會(huì)越大。

在過去10年中，為促進(jìn)遠(yuǎn)程信息處理和車載多媒體系統(tǒng)的應(yīng)用，汽車行業(yè)制定了許多規(guī)范，IDB(Intelligent Data Bus)是其中一個(gè)重要內(nèi)容。它首次確定了汽車行業(yè)用于信息、通信和娛樂系統(tǒng)的接口標(biāo)準(zhǔn)。目前SAE已將各種IDB設(shè)備分為三類：低速設(shè)備

(IDB-C)、高速設(shè)備(IDB-M)和無線通信設(shè)備(IDB－Wireless)。

IDB-C發(fā)展較快，估計(jì)今后數(shù)年可在一些車輛中配置。由于它結(jié)合了CAN技術(shù)，而目前許多汽車生產(chǎn)商已將CAN網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品應(yīng)用于多種車載平臺(tái)，因此IDB-C引起了汽車生產(chǎn)廠商的極大關(guān)注。IDB－C目前已成為SAE J2366標(biāo)準(zhǔn)。

IDB－M包括D2B、MOST(MediaOriented System Transport)、IDB1394等傳輸速率較高的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，其中D2B已在Mercedes1999S型轎車中得到應(yīng)用。D2B技術(shù)于20世紀(jì)80年代后期由Philips、Sony、Matsushita等公司共同開發(fā)，1992年，被Honda、Alpine公司應(yīng)用于汽車的多媒體控制系統(tǒng)中。D2B技術(shù)使汽車變成了一個(gè)流動(dòng)的多媒體工具。但是D2B的速度還是太慢，因而在1998年，Audi、BMW等公司又聯(lián)合開發(fā)了MOST協(xié)議，它是專門用于汽車工業(yè)的多媒體光纖網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，速率可達(dá)50Mbit／s。BMW目前在業(yè)界率先采用了MOST協(xié)議，Daimler Chrysler等歐洲汽車制造商也計(jì)劃采用該協(xié)議。

目前的IDB-Wireless主要是指“藍(lán)牙”技術(shù)。

MOST網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使得汽車制造商和供應(yīng)商能夠簡便地在車內(nèi)增加一系列多媒體設(shè)備，進(jìn)一步增強(qiáng)模塊化功能。MOST網(wǎng)絡(luò)的性能取決于光纖發(fā)射器和接收器(用于傳送數(shù)據(jù)，以運(yùn)行信息娛樂系統(tǒng))能否在各種溫度下正常運(yùn)行。

MOST光纖網(wǎng)絡(luò)為在車內(nèi)的娛樂和信息設(shè)備之間進(jìn)行音頻、視頻、數(shù)據(jù)和控制信息的交換提供了基礎(chǔ)設(shè)施，而不再需要體積龐大的銅纜布線。MOST是支持車內(nèi)信息娛樂系統(tǒng)的骨干技術(shù)。采用MOST網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的汽車在2001年首次問世，如今，已在23種車型中安裝了超過1000萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。

要連接到MOST網(wǎng)絡(luò)上，一般需要通過智能網(wǎng)絡(luò)接口控制器(iNIC)，iNIC實(shí)現(xiàn)了PHY功能和MAC的大部分功能。車載信息平臺(tái)系統(tǒng)是通過一個(gè)三引腳的串行總線——媒體本地總線(Media LB)，連接到iNIC上(見圖3)。Media LB能夠支持所有的MOST網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)類型。

這個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須包含有連接點(diǎn)，這樣，最終用戶可以通過連接不包含在汽車之內(nèi)、要單獨(dú)購買的設(shè)備。最可能出現(xiàn)的情況是不只有一個(gè)專用網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)“可信的”網(wǎng)絡(luò)將支持汽車出廠之前已經(jīng)裝上去的設(shè)備。用戶可以通過第二個(gè)“不可信的”網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接到用戶設(shè)備上。我們可以通過一個(gè)網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)領(lǐng)域間的訪問控制功能。

汽車遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)

目前，在汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，車載信息平臺(tái)和導(dǎo)航服務(wù)項(xiàng)目已經(jīng)逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)配置。與此同時(shí)，汽車制造商正規(guī)劃著信息服務(wù)的下一個(gè)發(fā)展階段：使每輛汽車能夠通過Internet與特約汽車維修廠進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。在不久的將來，汽車制造商通過Internet或移動(dòng)電話可以告知汽車駕駛員，他所擁有汽車的下一次檢測(cè)日期；當(dāng)汽車“拋錨”時(shí)，不管該車是處于什么地方，他都能夠獲得在線快速服務(wù)，并通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，讓特約汽車維修廠能夠隨時(shí)知道他的汽車的運(yùn)行和技術(shù)狀況。

·汽車遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖4為汽車遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其工作過程為：用戶通過車載信息平臺(tái)對(duì)汽車上的控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測(cè)后向遠(yuǎn)程診斷服務(wù)中心發(fā)出遠(yuǎn)程診斷請(qǐng)求；服務(wù)中心經(jīng)權(quán)限檢驗(yàn)后，對(duì)用戶請(qǐng)求做出響應(yīng)，啟動(dòng)相應(yīng)功能模塊，開始診斷工作，并借助網(wǎng)絡(luò)與用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交互傳遞。

·車載信息平臺(tái)的遠(yuǎn)程診斷功能

車載信息平臺(tái)的工作過程是：用戶通過鍵盤向車載信息平臺(tái)發(fā)出進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷的指令，嵌入式處理器通過與車內(nèi)其它功能模塊的進(jìn)行通信，獲得車內(nèi)各系統(tǒng)的工作狀態(tài)，將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中；然后再通過無線傳輸模塊向遠(yuǎn)程故障診斷服務(wù)中心的請(qǐng)求診斷服務(wù)，請(qǐng)求得到允許后，車載信息平臺(tái)將存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的車輛工作狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障代碼信息發(fā)送到遠(yuǎn)端的診斷服務(wù)器；診斷服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行診斷分析，將診斷結(jié)果返回，車載信息平臺(tái)將接收到的診斷結(jié)果進(jìn)行顯示，從而達(dá)到診斷的目的。

·車載信息平臺(tái)與遠(yuǎn)程故障診斷中心的通信

要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷，必須要有遠(yuǎn)程通信技術(shù)的支持才有實(shí)現(xiàn)的可能。由于汽車的位置是不確定的，所以不可能通過有線的方式聯(lián)接到Internet，這樣要進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸就需要依靠無線通信。常用的無線通信實(shí)現(xiàn)方式有：

·利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)(GSM／GPRS、CDMA移動(dòng)網(wǎng)等)和相應(yīng)的無線通信產(chǎn)品；

·通過無線收發(fā)設(shè)備，如無線Modem、無線網(wǎng)橋等專門的無線局域網(wǎng)；

·利用收發(fā)集成芯片在監(jiān)測(cè)站端實(shí)現(xiàn)電路板級(jí)與監(jiān)控中心的無線通信。