車載信息系統(tǒng)平臺發(fā)展

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、移動辦公、多媒體娛樂、安防輔助駕駛和遠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)平臺的方向發(fā)展。

車載信息系統(tǒng)平臺綜述

　　未來的車載信息系統(tǒng)平臺將全面超越傳統(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。車載信息系統(tǒng)平臺的主要功能至少應(yīng)該包括以下方面：

儀表顯示

　　主要包含傳統(tǒng)儀表的所有功能。以液晶屏（LCD）作為顯示終端，所需的大量、復(fù)雜的信息能夠以圖形方式，靈活、準(zhǔn)確地顯示在LCD屏幕上。基本的要求是高亮度顯示圖形，高實時性響應(yīng)，能夠接收來自CAN總線和傳感器的信號。

車輛監(jiān)控及遠程故障診斷

　　通過收集的信息進行車輛信息的診斷和分析，更加智能的監(jiān)控車輛的性能和狀況，并給予用戶提示，同時通過車載信息平臺的GPRS模塊將診斷分析數(shù)據(jù)與診斷服務(wù)中心實時雙向傳遞。通過外連GPS模塊和通訊模塊，并通過監(jiān)控中心，進行車輛防盜監(jiān)控和遠程控制。

無線上網(wǎng)

　　通過覆蓋全國的GSM/CDMA/GPRS信號，隨時隨地?zé)o線上網(wǎng)，最高速率可達153.6Kbps，可實現(xiàn)E-Mail、FTP、網(wǎng)上聊天、瀏覽信息、網(wǎng)絡(luò)游戲、圖片下載、移動辦公、電子商務(wù)等網(wǎng)絡(luò)功能。速度快、性能穩(wěn)定、安全可靠。

導(dǎo)航信息

　　實現(xiàn)完善的導(dǎo)航功能。通過GPS全球定位系統(tǒng)，無論用戶在世界的任何角落，都能即時定位和連續(xù)定位，除了提供自主導(dǎo)航、信息查詢、最佳行車路徑計算、軌跡記錄和回放等功能之外，還提供交通堵塞預(yù)測、停車場停車向?qū)А⒖膳c網(wǎng)絡(luò)連接的地圖數(shù)據(jù)實時更新等高級功能。導(dǎo)航信息系統(tǒng)的顯示限于局部區(qū)域，應(yīng)不影響儀表系統(tǒng)的同時顯示。

車載電話

　　采用CDMA無線通信或VOIP網(wǎng)絡(luò)電話，車載免提與無線耳機無縫切換，保證車主在通話過程中的駕駛安全。

車載娛樂

　　車載娛樂系統(tǒng)已經(jīng)由以前的收音機和一個卡帶機或CD機進化成可以通過用戶和其它車輛通訊，擁有多種娛樂和信息的系統(tǒng)。比許多其它的音頻/視頻應(yīng)用，如家電的A / V系統(tǒng)應(yīng)用要求更豐富。滿足人們對汽車娛樂性、舒適性的要求，可進行衛(wèi)星數(shù)字廣播接收、車載數(shù)字電視接收、CD/DVD播放等，并具有MP3/MP4/IPOD/USB等多媒體播放功能。音視頻文件可以通過無線下載，徹底免去使用碟片的種種麻煩。前置中控臺或頭枕式真彩顯示屏和高保真車載音響，更是為用戶提供了專業(yè)級視聽享受。

輔助安全駕駛

　　主要包括：駕駛員疲勞監(jiān)視，前、后方測距雷達系統(tǒng)，碰撞分析、剎車控制、安全報警系統(tǒng)以及輔助倒車后視系統(tǒng)。駕駛員監(jiān)視器安置于方向盤下方，用于拍攝駕駛員的面部，并自動分析眼皮開度，經(jīng)分析后如果發(fā)現(xiàn)有疲勞駕駛，會自動發(fā)出警報；同時，前方測距雷達和車后的測距雷達系統(tǒng)會自動測量前、后方車距，并將此信息發(fā)送至碰撞分析單元。如果有碰撞危險，會發(fā)出警報，同時自動剎車或控制安全帶的驅(qū)動電機，使乘員在碰撞發(fā)生前處在一個提前設(shè)計的最佳姿勢，使事故的后果減小到最低。

　　其輔助倒車后視功能主要是通過撥倒檔，便可從高清晰液晶顯示屏上看到車后的全彩影像，輔助倒車、后視攝像頭具備防眩和夜視的功能，便于保證車主夜間倒車的安全。

新型智能交通系統(tǒng)的車載信息采集系統(tǒng)

　　獲得實時、可靠的交通信息一直是智能交通系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸問題，建立智能交通車載信息采集系統(tǒng)，可以為智能交通系統(tǒng)中駕駛行為特性的研究、交通數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場測試等提供良好的輔助測試、驗證平臺，還可以作為一個輔助檢測手段，為我國智能交通系統(tǒng)多功能實驗車的建設(shè)和發(fā)展提供強有力的技術(shù)支持，從而加速我國智能交通系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究和開發(fā)。

車載信息平臺領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展

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

基于嵌入式技術(shù)的Telematics系統(tǒng)

　　Telematics是一個由通信和信息科學(xué)組成的合成詞，通常稱為車載遠程信息處理。它綜合了汽車制造和IT技術(shù)，包括計算機、移動通信、數(shù)字廣播等；同時，又依托于ITS的“3S”，從而迅速發(fā)展成為融合技術(shù)與服務(wù)的新業(yè)務(wù)。Telematics通過無線信道連接車載終端機與服務(wù)中心，以構(gòu)成提供信息服務(wù)的通信鏈路。通過安裝于車內(nèi)的終端系統(tǒng)，分析汽車內(nèi)與車外發(fā)生的各種狀況，收集駕駛和行車所必需的各種信息，同時執(zhí)行一系列的必要控制，為駕駛員和乘客提供方便、安全和娛樂。

　　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），融合成為4類主要功能：

　?。?）基于衛(wèi)星定位技術(shù)（GPS+GIS）的地面導(dǎo)航。根據(jù)道路狀態(tài)引導(dǎo)車輛以最佳路線抵達目的地。

　　（2）基于ITS數(shù)字廣播（GPS+GIS+LBS+CDMB）的智能交通。典型應(yīng)用為對路面實時狀況的領(lǐng)航。它不同于以地理信息為基礎(chǔ)的導(dǎo)航，而是在導(dǎo)航的基礎(chǔ)上，以路面上發(fā)生的實時位置信息（Location Based Services，LBS），引導(dǎo)車輛不僅選擇最佳地理路由，而且選擇所需時間最短的優(yōu)化路由。通過ITS信息中心發(fā)布的路面狀況實時多媒體信息，以廣播形式傳送語音、分析和測算處理的結(jié)果，以數(shù)據(jù)形式將遙感測量的地理數(shù)據(jù)合成為引導(dǎo)實時駕駛的領(lǐng)航圖，及時提醒駕駛員避開交通堵塞或突發(fā)事件的路段，給出最佳修改行車路線，以最短時間到達目的地。

　?。?）基于無線移動通信技術(shù)（2 G/3G+DSRC+WLAN）的遠程信息服務(wù)。一方面以WLAN形式構(gòu)建車內(nèi)的微微網(wǎng)，以通用的信息平臺實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化通信和信息服務(wù)，這與手機通信和無線上網(wǎng)的功能基本一致；另一方面以RFID溝通標(biāo)簽與讀取器，再以DSRC互聯(lián)服務(wù)中心，以信息平臺方式，既將ECU收集的發(fā)動機溫度、尾氣、輪胎、汽油及行車狀況等的汽車信息送到服務(wù)中心的維修站，以實現(xiàn)遠程車輛故障診斷和求助；將過路的計費信息和服務(wù)的費用信息送到服務(wù)中心的結(jié)算站，服務(wù)中心可據(jù)此分析和判斷車輛有無故障、有無可能出現(xiàn)的失控、失盜等緊急情況，既能及時告知駕駛員，又能指令汽車減速、停止運行或無法啟動。同時，準(zhǔn)確記賬并自動收費。

　?。?）基于數(shù)字廣播技術(shù)（CDMB-T/CMMB+ITS）的車載文化娛樂。它不僅要在車上顯示電視節(jié)目、路面狀況、MTV、電子游戲等，還要顯示和管理個人節(jié)目信息資源（數(shù)據(jù)廣播），并隨時經(jīng)廣播寬帶下載地理、地貌、地圖等信息，還能顯示如E-Mail接收的互聯(lián)網(wǎng)信息。

　　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)計上與普通嵌入式系統(tǒng)并沒有差異。在PC產(chǎn)業(yè)里，運算平臺的選擇，也就是處理器及其相關(guān)參考設(shè)計的選擇，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)的硬件卻需要面對各式各樣不同的需求。正確的選型及架構(gòu)設(shè)計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，其硬件系統(tǒng)采用了高效、靈活的ARM+FPGA構(gòu)架，其中ARM（Advanced RISC Machine）是一種高性能的32位精簡指令運算集微處理器，主要完成外部數(shù)據(jù)采集、整理、分析、存儲等功能，F(xiàn)PGA（Field?Programmable?Gate?Array）即現(xiàn)場可編程門陣列，主要用于用戶界面的顯示。這種硬件架構(gòu)一個比較典型的應(yīng)用實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，它又被稱為Microsoft Telematics Platform（微軟車載信息處理平臺），巧妙地通過語音命令結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)連接進行通信和控制，是一種用于集成各種移動設(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。

　　微軟公司的汽車業(yè)務(wù)部與賽靈思共同創(chuàng)建了能夠以低成本點提供這些優(yōu)點的硬件平臺，從而促進了面向全世界駕駛者的更簡單、更可靠且消費得起的解決方案的開發(fā)。

　　對任何硬件平臺而言，靈活性和伸縮性對架構(gòu)能否成功獲得市場接受都至關(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)了一個真正可以定制和伸縮的汽車標(biāo)準(zhǔn)車載信息處理平臺。

　　該平臺整合了一個基于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藍牙和一個GSM電話模塊。外部車輛連接包括一個CAN網(wǎng)絡(luò)接口以及有保護的模擬和數(shù)字I/O，用于實現(xiàn)LED驅(qū)動和按鈕輸入等功能。該平臺的基本架構(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。該平臺使用了一個Spartan3 XC3S400 FPGA，用于實現(xiàn)多個獨立的目的，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器件內(nèi)包含多種總線、接口和時鐘的優(yōu)點，從而使利用EMI的設(shè)計容易管理。此外，減少組件數(shù)量和電路板空間將降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)更高的制造質(zhì)量，在任何汽車設(shè)計中這些都是重要的因素。

圖1 微軟遠程信息處理硬件平臺架構(gòu)

　　在了解了車輛開發(fā)的實質(zhì)和目前已有的眾多不同的車輛接口，微軟有意設(shè)計了一個靈活的解決方案，可允許對后端車輛接口進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。

圖2 賽靈思spartan3 FPGA設(shè)計

車載信息平臺顯示系統(tǒng)

　　車載信息平臺一般以液晶屏（LCD）作為顯示終端，所需的大量、復(fù)雜的信息能夠以圖形方式，靈活、準(zhǔn)確地顯示在LCD屏幕上。LCD的橫截面很像是很多層三明治疊在一起。每面最外一層是透明的玻璃基體，玻璃基體中間就是薄膜電晶體。顏色過濾器和液晶層可以給顯示出紅、藍和綠三種最基本的顏色。通常，LCD后面都有照明燈以顯示畫面。

　　一般只要電流不變動，液晶都在非結(jié)晶狀態(tài)。這時液晶允許任何光線通過。液晶層受到電壓變化的影響后，液晶只允許一定數(shù)量的光線通過。光線的反射角度按照液晶控制。當(dāng)液晶的供應(yīng)電壓變動時，液晶就會產(chǎn)生變形，因而光線的折射角度就會不同，從而產(chǎn)生色彩的變化。與CRT顯示器相比，其優(yōu)勢在于LCD顯示器消耗電能較少；不會產(chǎn)生CRT那樣的電磁輻射；不會產(chǎn)生CRT那樣的閃爍現(xiàn)象；尺寸非常小、重量較輕、可視面積大。這些特點使得LCD液晶屏特別適合用在車載信息平臺上。

　　車載信息平臺往往所需要顯示的信息量極大，但LCD顯示尺寸及車內(nèi)安裝空間有限，所以往往采用一屏多顯或多屏顯示技術(shù)將汽車儀表信息、車身狀況信息、導(dǎo)航信息、多媒體信息、倒車后視等信息顯示在LCD液晶屏上。如圖3是一個多屏顯示技術(shù)的實例：

　　近年來，隨著客戶對于“平視顯示器”（HUD）的需求量的逐漸上升，各大車廠也在尋求適合HUD的質(zhì)量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)要不僅能保證高度的安全性，而且能和生產(chǎn)線的速度相適應(yīng)。HUD抬頭數(shù)字顯示儀（Heads Up Display）又叫平視顯示系統(tǒng)，是一種由電子組件、顯示組件、控制器、高壓電源等組成的綜合電子顯示設(shè)備。它可以把重要的信息，通過光學(xué)部件投射到方向盤正前方風(fēng)窗玻璃上的光/電顯示裝置上，使駕駛員不必低頭，就能看清重要的信息。這種顯示系統(tǒng)的作用是提高汽車的安全性。如今平視顯示系統(tǒng)快速發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用在高端轎車上，如圖4所示，即是BMW X5系X6系車型上所安裝的HUD系統(tǒng)。

圖3 多屏顯示技術(shù)實例

圖4 BMW X5系X6系車型的HUD系統(tǒng)

車載導(dǎo)航信息系統(tǒng)

　　車載導(dǎo)航系統(tǒng)包括車載導(dǎo)航終端、數(shù)字地圖、導(dǎo)航平臺三大部分。其中數(shù)字地圖、導(dǎo)航平臺都是在后臺服務(wù)，其軟硬件環(huán)境可以不受什么限制；車載導(dǎo)航終端（VNT）則不然，因為其工作環(huán)境惡劣，軟硬條件有限，給其研發(fā)工作帶來很大挑戰(zhàn)。

　　導(dǎo)航平臺負責(zé)收集、分析處理（含數(shù)據(jù)融合）由交通信息采集系統(tǒng)采集的各類道路交通地理信息，將其通過通信系統(tǒng)（如無線尋呼）下傳到專門節(jié)點和車輛上。交通信息采集系統(tǒng)包括固定的交通信息檢測系統(tǒng)（視頻、微波、線圈、激光等交通檢測器）和動態(tài)交通檢測器（以出租車為例，它既裝備有車載導(dǎo)航系統(tǒng)，同時自身還可以作為一種交通信息探測器，以集群通信網(wǎng)與其中心進行通信）。通信系統(tǒng)包括有線和無線通信兩種方式，負責(zé)車輛與導(dǎo)航平臺（綜合信息平臺、交管中心）之間的信息交流，從而達到車輛和路網(wǎng)間的信息互通。VNS主要由車輛定位模塊、多媒體導(dǎo)航電子地圖、車載通信模塊及其它車內(nèi)設(shè)備構(gòu)成。多媒體導(dǎo)航電子地圖為系統(tǒng)提供諸如地理特征、道路位置、交通規(guī)則、基礎(chǔ)設(shè)施等多種交通地理信息。它基于GIS操作和查詢電子地圖，包括提供電子地圖顯示、瀏覽、縮放以及信息檢索服務(wù)等功能。車輛定位模塊由定位傳感器和數(shù)據(jù)處理器組成，可以提供實時、連續(xù)的車輛位置信息，為使定位信息在電子地圖上顯示更加準(zhǔn)確，需要進行地圖匹配。地圖匹配將定位輸出的位置與地圖數(shù)據(jù)庫提供的道路位置信息進行比較，并通過適當(dāng)?shù)哪Ｊ狡ヅ浜妥R別過程確定車輛當(dāng)前的行駛路段以及在路段中的準(zhǔn)確位置。

　　如果電子地圖的精度非常高，將使系統(tǒng)的整體定位精度得到提高，并為路徑引導(dǎo)提供可靠保證。車載導(dǎo)航終端安裝有操作系統(tǒng)、多媒體電子地圖、地理信息系統(tǒng)與相關(guān)軟件系統(tǒng)。它們負責(zé)接收和處理信息，進行路徑規(guī)劃，幫助駕駛員在旅行前或旅行中選擇合適的出行路線，規(guī)劃以后的結(jié)果需要由路徑引導(dǎo)功能來實現(xiàn)。路徑引導(dǎo)是幫助駕駛員沿預(yù)定路線行駛從而順利到達目的地的過程。它根據(jù)地圖數(shù)據(jù)庫中的道路信息和由定位模塊及地圖模塊提供的當(dāng)前車輛位置產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膶崟r駕駛指令，如語音提示、圖形顯示等。另外，在車載導(dǎo)航終端中，由顯示器、控制器及相關(guān)軟件系統(tǒng)構(gòu)成的人機交互模塊是一個重要的組成部分。它提供用戶與車載終端間的交互接口，用戶通過它將地圖顯示、信息查詢、路徑規(guī)劃等操作指令輸入終端中，控制器也通過它將以電子地圖為背景的車輛位置、最優(yōu)路徑規(guī)劃結(jié)果、實時駕駛引導(dǎo)指令等用戶需要的信息以語音提示、可視圖形等多媒體方式表現(xiàn)出來。

　　地圖匹配和路徑規(guī)劃是車載導(dǎo)航終端（VNT）的兩項最重要的技術(shù)，好的地圖匹配方法可以大大提高系統(tǒng)的定位精度，路徑規(guī)劃算法的優(yōu)劣直接影響產(chǎn)品的導(dǎo)航功能。