一种两机四屏的车载多媒体AVNT系统方案设计与实现

钟克华，钟蔓芩

（1.广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州510640；2.东南大学电气工程学院，江苏 南京210096）

时代的发展，车辆中控和仪表从原来的机械仪表和收音机组合发展成为了数字化的多媒体设备，集成AVNT（Audio Video Navigation Telematics，音视频、导航、车联网）功能，满足人们日益增长的需求。随着车辆舒适性提高，要求AVNT功能集成越来越多，性能要求也越来越高。然而功能和性能两者间会存在矛盾，即功能多会影响性能指标，影响用户体验，包括响应速度和运行流畅等。为解决这种功能和性能的矛盾问题，一种两机四屏的车载AVNT系统方案被提了出来。本文对其设计和实现进行介绍。

1 功能需求

系统组成：本方案的两机四屏车载AVNT系统，由前主机、中控屏、仪表屏、后主机、左后娱乐屏、右后娱乐屏组成，分别组成两个独立单元；其中前主机与中控屏、仪表屏组成前排控制单元，后主机与左后娱乐屏、右后娱乐屏组成后排娱乐单元RSE（Rear Seat Entertainment，后座娱乐）。两个单元可以独立运行，也可以通过以太网进行交互，组成系统运行。

前排控制单元是系统的主要部分，提供车辆控制、车辆信息显示、通信导航、生活娱乐和用户个性化设置等功能，满足车辆主体功能需求；后排娱乐单元是重要组成部分，提供音乐视频、生活出行、应用生态、娱乐和游戏等功能，丰富车辆生态内容。

经过对用户功能需求的分析和整理，分解为开发需求：前主机需求和后主机需求，两部分通过以太网进行交互，形成一个完整的系统，如图1所示。

1.1 前主机功能

1）主要功能：前主机的开发功能需求包括：仪表屏显示、中控屏显示、线控、收音、音效、BT（Blue tooth，蓝牙）、WiFi（无英文全称，一种无线局域网技术）、以太网、MIC（Microphone，麦克风）输入、Horn（喇叭）音频输出、视频输入、视频输出、语音识别、安全加密、数据运行和存储、GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）卫星定位、CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）总线接口、USB（Universal Serial Bus通用串行总线）接口等。其中：运行采用DDR（Double Data Rate，双倍速率同步动态随机存储器，简称内存）内存；数据存储采用EMMC（Embedded Multi Media Card，内嵌式存储卡，简称存储卡）卡；卫星定位，支持北斗和GPS（Global Positioning System，全球定位系统）；对数据采集和显示需要进行大数据量的传输，采用LVDS（Low Voltage Differential Signal，低振幅差分信号技术）技术，支持高速数据传送；为满足用户易用性，USB支持OTG（On The Go，一种应用于不同的设备或移动设备间的连接进行数据交换的技术）方式实现设备间的数据传送。

2）备选功能：考虑到用户需求多样性，满足用户选择配置的需求，可以采用设计好功能以软件激活的方式开通使用，功能包括：拟人助手、AVM（Around View Monitor，全景影像系统）全景环视、RVC（Rear View Camera，倒车影像）倒车影像功能，倒车影像数据传输采用CVBS（Composite Video Broadcast Signal，复合视频广播信号）技术。

3）扩展功能：考虑系统扩展性能，以利于日后功能扩展需要，可以采用预留硬件设计和接口，待需要时开发软件的方式解决功能需求，这些功能包括：DMS（Driver Monitoring System，驾驶员监控系统）驾驶监控、DVR（Digital Video Recorder，数字视频录像机）行车记录、NV（Night Vision，夜视）夜视等功能。

1.2 后主机功能

后主机的开发功能需求包括：后排左右屏显示、音频输出、BT、WiFi、以太网、视频输入输出、安全加密、数据运行和存储、CAN总线接口、USB接口，DSP（Digital Signal Process数字信号处理）处理等。

1.3 前后主机功能交互

前排主机和后排主机分处两个独立的单元，两个主机间通过以太网进行信号传输和功能交互。利用虚拟网关（Gateway，网关）进行网络管理。

2 硬件设计

2.1 电子系统图

此两机四屏方案中，电子系统框图如图2所示。前后两个主机采用相同的主芯片，前主机运行内存为8GB，存储容量为64GB；后主机运行内存6GB，存储容量为32GB。

2.2 主芯片

1）主芯片：采用Renesas（瑞萨，芯片公司）芯片，型号为R-car M3，是一种SOC（System on Chip，系统级芯片）汽车芯片，提供ARM（Acorn RISC Machine，Acorn公司的微处理器）双核cortex-A57以及4核cortex-A53的高性能CPU、3D图像识别处理引擎，符合ISO 26262（ASIL-B）的安全等级，支持系统级封装SIP，集成高速缓存，带有HSM（Hardware Security Module，硬件安全模块）功能。

图1 车辆AVNT系统功能结构图

2）微控制单元：MCU采用Renesas的RH850 32位芯片，型号为R7F7016213AFP，支持CAN信号处理。

3）蓝牙和WiFi模块：采用Murata（村田，芯片公司）的WiFi+Bluetooth Module芯片，型号为：SP-LBEE6ZZ1TD，蓝牙支持Bluetooth V 4.2协议、WiFi支持IEEE 802.11a/b/g/n/ac协议。

3 软件设计

本系统包括前主机和后主机，前后主机担负的功能不同，按两套不同的软件进行设计。其中，前主机承担系统的控制等核心功能，要求较高，软件更复杂；后主机承担娱乐功能，丰富系统的生活及娱乐功能，整体较简单。

3.1 前主机软件设计

前主机采用双系统设计，分为QNX系统（Quick UNIX，汽车电子端的Unix操作系统）和Android（安卓操作系统，移动设备端的Linux操作系统）系统两个系统。

3.1.1 双系统软件功能分工

QNX系统具有稳定和响应快速的特点，把需要快速响应的功能布置在QNX系统上，包括：QNX操作系统、电源管理模块、诊断模块、RVC和OPS（optical parking system，可视化驻车系统）信息显示、仪表应用、HVAC（Heating Ventilation and Air Conditioning，空调）空调应用、调试与资源管理、安全。

图2 电子系统框图

Andriod系统具有开放和便利的特点，可把对响应时间要求不太高的功能布置在Android系统上，包括：Android OS（operation system，操作系统）、Android Framework框架、电源管理、Tuner收音、多媒体、音源管理、蓝牙管理、本地语音和在线语音模块、WLAN无线网络模块、导航与地图、图片浏览、Carplay（苹果公司Carplay应用）& carlife（百度公司Carlife应用）手机互联、软件下载模块、Web浏览、通过OEM（Original Equipment Manufacturer，定点生产）在线服务、第三方应用、APP应用商店、安全、AVM全景模块、DVR功能、DMS系统、FOTA（File Over the Air，空中下载）远程升级。

3.1.2 整体软件架构

软件采用分层设计。前主机软件的整体软件架构，分别包括MCU、SOC QNX和Android整体软件架构，分别如图3、图4、图5、图6所示。

在SOC架构中，采用Hypervisor（中间软件层，也叫virtual machine monitor，虚拟机监视器）虚拟化技术，双系统（Android OS和QNX OS）共享硬件资源。

3.1.3 前主机两个系统间信息交互

前主机的双系统信息交互采用虚拟以太网的方式交互，如图7所示。CAN信息［1-2］交互采用虚拟SPI的方式交互，如图8所示。

图3 MCU整体软件架构图

图4 SOC整体软件架构图

图5 QNX整体软件架构图

图6 Android整体软件架构图

图7 前主机信息交互

图8 前主机CAN信息交互

3.2 后主机软件设计

1）应用双开：RSE系统的后主机使用Android操作系统。使用Android系统所支持的多用户功能，利用应用双开技术，实现一机双屏。两个用户的应用彼此分开，隔离开来，独立运行，如图9所示。

2）系统架构：后主机SOC的系统架构，如图10所示。

图9 后主机应用双开

图10 后主机系统架构

4 实现与应用

因设计时采取了备选功能和扩展功能方式进行设计，故应用中可以获得多方式组合，以实现车载多媒体的高、中、低配置等多种配置方案。可以组合成如下方案。

1）方案1（高配方案）：二机四屏前后交互方案。前排主机一机两屏（中控+仪表），后排主机一机两屏，前排与后排交互功能。

2）方案2（中配方案）：二机四屏前后无交互方案。前排主机一机两屏（中控+仪表），后排主机一机两屏，前排与后排无交互功能。

3）方案3（低配方案）：一机两屏方案。前排主机一机两屏（中控+仪表）。方案3是一个节省成本的方案，后排没有主机和双屏。