车载信息系统平台发展

朱敦尧　连　迅　谢　斌

摘要：未来的车载信息平台是人、车、环境的充分交互，集电子、通信、网络、嵌入式等技术为一体的高端车载综合信息显示平台。

关键词：车载信息平台；FPGA；车载网络

随着现代汽车工业和电子技术的发展，车辆导航、通信、移动办公、多媒体娱乐、安防辅助驾驶和远程故障诊断等功能电子系统可以通过网络技术联网形成车载信息网络系统。未来的汽车仪表系统向着集成化、智能化、全图形化车载信息系统平台的方向发展。

车载信息系统平台综述

未来的车载信息系统平台将全面超越传统汽车仪表的现有功能，系统主要功能包括：全图形化数字仪表、GPS导航、车载多媒体影音娱乐、整车状态显示、远程故障诊断、无线通信、网络办公、信息处理、智能交通辅助驾驶等等。未来的车载信息平台是人、车、环境的充分交互，集电子、通信、网络、嵌入式等技术为一体的高端车载综合信息显示平台。

车载信息平台领域的技术发展

车载信息平台包括多方面技术，下面仅将其中涉及到的几项关键技术简单介绍如下：

基于嵌入式技术的Telematics系统

Telamatics的技术特征充分表现了现代科技的大融合。它应用5种主要技术：卫星定位技术(GPS)；无线接入技术；蜂窝通信技术(2G／3G)；专用短程通信的窄带网络技术(DSRC)；数字广播和多媒体广播技术(DMB)。

Telematics装置通常是一种嵌入式系统，它在软、硬件系统架构设计上与普通嵌入式系统并没有差异。在PC产业里，运算平台的选择，也就是处理器及其相关参考设计的选择，是相当有限的，不外乎Intel或是AMD的那几种，然而嵌入式系统的硬件却需要面对各式各样不同的需求。正确的选型及架构设计必须能符合客户及产品需求，这是一件相当重要的事情。目前比较流行的一种基于嵌入式技术的Telematics系统设计，其硬件系统采用了高效、灵活的ARM+FPGA构架，其中ARM主要完成外部数据采集、整理、分析、存储等功能，FPGA主要用于用户界面的显示。这种硬件架构一个比较典型的应用实例就是赛灵思与微软汽车业务部推出的智能车载信息平台，它又被称为Microsoft Telematics Platform(微软车载信息处理平台)，巧妙地通过语音命令结合互联网连接进行通信和控制，是一种用于集成各种移动设备和通过互联网与无线网络传送信息的集线器。

对任何硬件平台而言，灵活性和伸缩性对架构能否成功获得市场接受都至关重要，无论是基本系统还是高性能的高端车载信息系统。鉴于此，微软开发了一个真正可以定制和伸缩的汽车标准车载信息处理平台。

该平台整合了一个基于ARM 9的微控制器，支持32MB闪存／32MB DRAM以上的内存，并包含集成GPS蓝牙和一个GSM电话模块。外部车辆连接包括一个CAN网络接口以及有保护的模拟和数字I／O，用于实现LED驱动和按钮输入等功能。该平台的基本架构如图1所示。

微软利用了FPGA技术的灵活性和高集成度能力。该平台使用了一个Spartan3 XC3S400 FPGA，用于实现多个独立的目的，如GSM电话接口、车辆接口(CAN控制器和K－线路)以及复杂的音频信号调节和路由功能(如图2所示)。

FPGA提供的高集成度也具有在一个器件内包含多种总线、接口和时钟的优点，从而使利用EMI的设计容易管理。此外，减少组件数量和电路板空间将降低生产成本，实现更高的制造质量，在任何汽车设计中这些都是重要的因素。

在了解了车辆开发的实质和目前已有的众多不同的车辆接口，微软有意设计了一个灵活的解决方案，可允许对后端车辆接口进行快速修改而不影响下层架构和系统性能。例如，未来将有可能调节FPGA解决方案，使之能满足带有诸如MOST、IDB-1394或其它数字车辆网络等汽车总线的最终应用的需求。

基于车载网络技术的多媒体信息，娱乐系统

对于购买配有车载网络汽车的用户来说，最大的受益是能在网络中共享信息。汽车可以通过车载网络，将视频、音频和数据内容传给乘客，用户可以通过这种网络，用互联网或者预订服务访问家用网络上的内容。随着3G时代的到来，迫切需要建立能够提供这些服务、传输这些内容的多媒体安全信息娱乐系统。

多媒体传输系统的设计方案

媒体和信息网络主要面向远程信息处理、多媒体、导航系统等，网络协议的传输比特率在250kbit／s～400Mbit／s之间。要实现车载系统中多媒体数据传输的功能，迫切需要解决以下4个问题。

·这些新的应用要求网络的频带比现有汽车上的网络频带宽一个数量级，例如，控制器局域网络(CAN)和局域互联网络(LIN)。

·视频和音频内容的性质决定了它们在发布内容时，必须考虑到发布的方式能够为用户所接受。音频延迟或者是在显示屏上出现错误的显示像素，是人们不能忍受的。

·由于内容是以数字形式向外发布的，那么，设计人员必须十分关心如何保证内容的安全。

·因为连接到客户的外设上时，有可能会不经意地把病毒带进来，所以必须确保网络的安全，以防止病毒的入侵。

随着嵌入式产品市场的发展，随之而来的是系统方面的一些难题，许多新出现的技术竞相成为主流的解决方案。归纳起来，共有4种主要的技术。

·CAN技术。CAN技术是目前正在使用的一种技术，而且新版的CAN已经提高了带宽。但这个协议并不支持高质量的服务。

·Firewire接口(IEEE1394)。在汽车市场中，从事消费产品的公司都推崇Firewire接口。

·面向多媒体的系统传输(MOST)。用塑料纤维实现这项技术，重量轻、成本低，深受供应商的欢迎，而且在宝马、奔驰和奥迪的一些汽车上已经采用了这项技术。从技术的角度看，这个协议在设计时从一开始就支持多媒体数据传输的需要，由总线提供同步通道，以确保足够的带宽。

·无线技术。由于众多原因，汽车市场在采用新标准方面进展缓慢。尽管超宽频带技术(UWB)简化了安装和维修，在价格方面还有优势，而且在技术上它似乎更适合于噪声环境下的短距离高速数据传输，但是由于缺乏一个明确的单一标准，整机制造商不愿使用它，也阻碍了它的推广。多个标准存在的时间越长，安装MOST技术的数量就会越大。

在过去10年中，为促进远程信息处理和车载多媒体系统的应用，汽车行业制定了许多规范，IDB(Intelligent Data Bus)是其中一个重要内容。它首次确定了汽车行业用于信息、通信和娱乐系统的接口标准。目前SAE已将各种IDB设备分为三类：低速设备

(IDB-C)、高速设备(IDB-M)和无线通信设备(IDB－Wireless)。

IDB-C发展较快，估计今后数年可在一些车辆中配置。由于它结合了CAN技术，而目前许多汽车生产商已将CAN网络产品应用于多种车载平台，因此IDB-C引起了汽车生产厂商的极大关注。IDB－C目前已成为SAE J2366标准。

IDB－M包括D2B、MOST(MediaOriented System Transport)、IDB1394等传输速率较高的标准和协议，其中D2B已在Mercedes1999S型轿车中得到应用。D2B技术于20世纪80年代后期由Philips、Sony、Matsushita等公司共同开发，1992年，被Honda、Alpine公司应用于汽车的多媒体控制系统中。D2B技术使汽车变成了一个流动的多媒体工具。但是D2B的速度还是太慢，因而在1998年，Audi、BMW等公司又联合开发了MOST协议，它是专门用于汽车工业的多媒体光纤网络标准，速率可达50Mbit／s。BMW目前在业界率先采用了MOST协议，Daimler Chrysler等欧洲汽车制造商也计划采用该协议。

目前的IDB-Wireless主要是指“蓝牙”技术。

MOST网络的构建

MOST网络技术使得汽车制造商和供应商能够简便地在车内增加一系列多媒体设备，进一步增强模块化功能。MOST网络的性能取决于光纤发射器和接收器(用于传送数据，以运行信息娱乐系统)能否在各种温度下正常运行。

MOST光纤网络为在车内的娱乐和信息设备之间进行音频、视频、数据和控制信息的交换提供了基础设施，而不再需要体积庞大的铜缆布线。MOST是支持车内信息娱乐系统的骨干技术。采用MOST网络技术的汽车在2001年首次问世，如今，已在23种车型中安装了超过1000万个节点。

要连接到MOST网络上，一般需要通过智能网络接口控制器(iNIC)，iNIC实现了PHY功能和MAC的大部分功能。车载信息平台系统是通过一个三引脚的串行总线——媒体本地总线(Media LB)，连接到iNIC上(见图3)。Media LB能够支持所有的MOST网络数据类型。

这个网络必须包含有连接点，这样，最终用户可以通过连接不包含在汽车之内、要单独购买的设备。最可能出现的情况是不只有一个专用网络。一个“可信的”网络将支持汽车出厂之前已经装上去的设备。用户可以通过第二个“不可信的”网络联接到用户设备上。我们可以通过一个网关来实现两个领域间的访问控制功能。

汽车远程故障诊断系统

目前，在汽车工业发达的国家，车载信息平台和导航服务项目已经逐渐成为标准配置。与此同时，汽车制造商正规划着信息服务的下一个发展阶段：使每辆汽车能够通过Internet与特约汽车维修厂进行数据通讯。在不久的将来，汽车制造商通过Internet或移动电话可以告知汽车驾驶员，他所拥有汽车的下一次检测日期；当汽车“抛锚”时，不管该车是处于什么地方，他都能够获得在线快速服务，并通过移动网络，让特约汽车维修厂能够随时知道他的汽车的运行和技术状况。

·汽车远程故障诊断系统的结构

图4为汽车远程故障诊断系统的结构示意图。其工作过程为：用户通过车载信息平台对汽车上的控制模块进行数据采集和状态监测后向远程诊断服务中心发出远程诊断请求；服务中心经权限检验后，对用户请求做出响应，启动相应功能模块，开始诊断工作，并借助网络与用户进行实时的信息交互传递。

·车载信息平台的远程诊断功能

车载信息平台的工作过程是：用户通过键盘向车载信息平台发出进行远程诊断的指令，嵌入式处理器通过与车内其它功能模块的进行通信，获得车内各系统的工作状态，将这些数据存储在存储器中；然后再通过无线传输模块向远程故障诊断服务中心的请求诊断服务，请求得到允许后，车载信息平台将存储在存储器中的车辆工作状态数据和故障代码信息发送到远端的诊断服务器；诊断服务器收到数据后进行诊断分析，将诊断结果返回，车载信息平台将接收到的诊断结果进行显示，从而达到诊断的目的。

·车载信息平台与远程故障诊断中心的通信

要实现远程诊断，必须要有远程通信技术的支持才有实现的可能。由于汽车的位置是不确定的，所以不可能通过有线的方式联接到Internet，这样要进行远距离数据传输就需要依靠无线通信。常用的无线通信实现方式有：

·利用现有的通信网络(GSM／GPRS、CDMA移动网等)和相应的无线通信产品；

·通过无线收发设备，如无线Modem、无线网桥等专门的无线局域网；

·利用收发集成芯片在监测站端实现电路板级与监控中心的无线通信。