上海2014年12月25日電 /美通社/ -- 電子設(shè)計自動化技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)廠商 Mentor Graphics 近日發(fā)布一份題為《高級車內(nèi)系統(tǒng)的參考設(shè)計》的研究報告。
作者簡介
Andrew Patterson 是 Mentor Graphics 嵌入式系統(tǒng)事業(yè)部市場與業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)。該事業(yè)部特別關(guān)注汽車電子，Andrew 最近負責(zé)了這一領(lǐng)域的多個產(chǎn)品項目，在多個硬件平臺上研究 Linux 和 RTOS 解決方案。加入 Mentor 之前，Andrew 在設(shè)計自動化市場馳騁了20余年，精通的技術(shù)包括電子線束設(shè)計、汽車仿真模型開發(fā)、虛擬原型和機電一體化。Andrew 擁有英國劍橋大學(xué) (Cambridge University) 的工程和電子科學(xué)碩士學(xué)位。
正文：
如今汽車制造商想在創(chuàng)新、降低零件成本、快速推向市場這三個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。
近年來一些原先作為高端、頂配而引入的功能已經(jīng)低廉化，越來越多的車款搭載了這些功能。有一種新趨勢是相互競爭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。但為吸引和保有客戶進行創(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越受追捧的解決方案。
Mentor Graphics 開發(fā)的“概念驗證”參考平臺可以靈活地按具體設(shè)計定制、可用安全的汽車級代碼包提供客戶要求的功能。該特殊平臺可根據(jù)當前市場趨勢進行設(shè)計，包括：駕駛員信息模塊 (DIM)；汽車信息娛樂；智能手機和平板電腦整合；先進的駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 功能；與現(xiàn)有車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)一同工作的基于AUTOSAR標準的通信能力。通過在一個汽車硬件參考平臺上引入 Type-1 嵌入式虛擬機 (embedded hypervisor) 進行核心設(shè)計實現(xiàn)對此技術(shù)的整合，本例中使用了最近被 Mentor Graphics 收購的 XS Embedded GmbH (XSe®) 的 汽車級 AXSB®。
本設(shè)計面臨一些挑戰(zhàn)，其中包括：保持每個被運行的應(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、USB 設(shè)備、音頻和多媒體功能設(shè)備。駕駛員信息模塊 (DIM)、車輛報警系統(tǒng)和控制對計算資源要求不高，但仍需要確保性能和一個穩(wěn)定的顯示屏顯示重要的安全狀態(tài)信息。為實現(xiàn)這些功能，采用安全的實時操作系統(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時操作系統(tǒng)。
設(shè)計要求是將這兩個獨立的操作系統(tǒng)（Linux 和 RTOS）以及運行的應(yīng)用程序整合到一個硬件參考平臺上，并且可以借助 AUTOSAR 4.0.3 標準界面（圖1）實現(xiàn) CAN（車輛控制局域網(wǎng)）通信。車輛設(shè)計者必須整合消費電子設(shè)備已成事實，95%以上的市場通過提供對蘋果 iOS 和谷歌 Android 設(shè)備支持滿足這一需求。其它標準正在這一領(lǐng)域出現(xiàn)，Mentor 的概念驗證平臺包括 MirrorLink support、Apple CarPlay 和 Google Android Auto。
通過選擇多核參考平臺降低要素成本、實現(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)計的相關(guān)成本。所用 XSe AXSB 平臺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 還包括許多針對以太網(wǎng)(ethernet)、串口 /USB、電臺調(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)針對該平臺進行了高度優(yōu)化，可實現(xiàn)快速開機。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)就能正常運行，滿足汽車制造商對信息娛樂和導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。
Mentor Graphics 的 Nucleus® RTOS（實時操作系統(tǒng)）占用的資源少、啟動快，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、擁有一個針對流行的駕駛員信息模塊(DIM)圖形支持應(yīng)用軟件的標準界面 Open GLES2。利用遠程協(xié)議消息（Remote Protocol Messaging， RPMsg）進行穩(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 軟件棧傳送實時數(shù)據(jù)。
消費電子集成
時下汽車制造商無法逃避的是 -- 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)使用藍牙 (Bluetooth)，但藍牙技術(shù)沒有進行多媒體整合的帶寬，也不支持后座娛樂的視頻流。USB 是一種公認的連接方法，Wi-Fi（無線網(wǎng)絡(luò)）車內(nèi)鏈接正在逐漸用于視聽信息傳輸，同時提供車內(nèi)熱點從而支持多設(shè)備客戶。成立汽車連接聯(lián)盟 (CCC) 是為了推動和提議 MirrorLink 成為行業(yè)整合智能設(shè)備的標準方法。借助 MirrorLink 可通過信息娛樂管理設(shè)備遠程訪問、顯示和控制基于手機的應(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、視頻和喜愛的應(yīng)用軟件，以及利用智能設(shè)備連接4G/LTE網(wǎng)絡(luò)。這樣可以實時訪問云服務(wù)，如導(dǎo)航、禮賓服務(wù)、個人電子郵箱等。Mentor 參考設(shè)計包括實施 MirrorLink 標準和可以通過10英寸觸摸屏界面執(zhí)行所有智能手機的功能。
多重操作系統(tǒng)架構(gòu)
運行虛擬機的虛擬層是一種允許 Linux 和 Nucleus RTOS 在一個硬件平臺上同時運行的簡潔方式。每個操作系統(tǒng)在一個專用的虛擬機上運行并共享 AXSB 平臺上可用的硬件資源。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)限來管理資源、拒絕對某些系統(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證的應(yīng)用軟件時就可以進行某種程度的隔離。
開機順序也經(jīng)過了仔細考慮。通常車上的 CAN 總線通信應(yīng)該在 50ms 內(nèi)激活，但同時還要求信息娛樂和駕駛員信息模塊要快速完成初始化。在這個參考設(shè)計中，基于 AUTOSAR 的 CAN 通信棧在 Renesas V850 MCU 上完成初始化，與 J6 多核 CPU 同時運行。RPMsg 通信引擎快速啟動，以便在域間傳送早期的交通狀態(tài)（圖2）。
構(gòu)建信息娛樂系統(tǒng)
概念驗證參考設(shè)計包括了一些功能樣例，包括軟件無線電臺調(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)測系統(tǒng)。胎壓監(jiān)測儀所涉及到的功能具有代表性，它的數(shù)據(jù)源來自汽車遠端的某一部分，低壓或輪胎完全沒氣時，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。因為設(shè)定了顯示優(yōu)先次序，警示屏幕覆蓋了默認的信息娛樂主頁屏幕。 利用 CAN 信息生成器（ETAS BusMaster 模擬器）對該系統(tǒng)進行了測試，見圖3。
調(diào)整開機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)測初始化和開機順序，駕駛員和進程可以重新排序并節(jié)約寶貴的時間。開機優(yōu)化是一個迭代的過程，不重要的系統(tǒng)任務(wù)和進程會被及時地移出，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)鍵時刻收到圖形帶寬，GPU（圖形處理器）共享架構(gòu)包括了負載平衡和資源優(yōu)化。這一進程涉及 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。對屏幕分辨率和性能之間的權(quán)衡進行分析，從而保證可視性較高、性能優(yōu)于說明書。
最終得到的是一個我們認為符合現(xiàn)有市場趨勢的概念設(shè)計，并且在當今競爭激烈的汽車市場上它可能具有節(jié)省時間和開發(fā)周期的潛力。
結(jié)論
在當今快速發(fā)展的汽車電子市場上，從頭開始設(shè)計已經(jīng)不可取 -- 它在研究上花費很多年的時間才能找到正確的解決方案。利用預(yù)先建立的參考設(shè)計概念，設(shè)計者可以選擇一些困難的性能和整合問題得到解決的節(jié)點作為設(shè)計起點，在此基礎(chǔ)上加入他們自己的IP（知識產(chǎn)權(quán)）和最終的定制要求，從而縮短上市時間并搭載用戶直接可用的功能來滿足當前市場的需求。
Mentor Graphics 及汽車事業(yè)部 XS Embedded 開創(chuàng)性地使用了基于行業(yè)標準軟件和硬件組件的near-A-Sample（近A級實驗）平臺。該設(shè)計將在拉斯維加斯舉行的2015年消費電子展 (2015 Consumer Electronics Show)、德國紐倫堡 Embedded World 及其它在全球各地舉行的重大活動上展出。
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