車(chē)載安卓系統的設計方案和注意事項

背景介紹

谷歌創(chuàng )立的開(kāi)放手機聯(lián)盟(OHA)已走過(guò)七個(gè)春秋，該聯(lián)盟已經(jīng)讓安卓 (Android) 操作系統更容易被手機開(kāi)發(fā)商所利用。在其成立后的相當短的時(shí)間內，安卓平臺已經(jīng)發(fā)展成為主流智能手機和平板操作系統，目前開(kāi)始出現在汽車(chē)和工業(yè)應用等拓展市場(chǎng)。蘋(píng)果 (Apple) 的iOS和微軟的Windows CE等與之競爭的操作系統正在失去市場(chǎng)份額，基于安卓系統的設備則取而代之。事實(shí)上，可下載的有用的安卓應用的數量已經(jīng)增長(cháng)到近110萬(wàn)個(gè)(數據來(lái)源：AppBrain 2014年1月)。

基于安卓系統的消費電子設備用戶(hù)還希望可以在開(kāi)車(chē)或乘車(chē)時(shí)使用他們的應用程序和設備功能。對于想要實(shí)現基于安卓系統的車(chē)載信息娛樂(lè )系統設計師來(lái)說(shuō)，這里有多種途徑，例如對安卓操作系統進(jìn)行全面定制后直接加載到芯片平臺(裸機)上，或者將智能手機與汽車(chē)的基礎架構簡(jiǎn)單鏈接。本文將對這些途徑及其利弊進(jìn)行介紹。

車(chē)載安卓智能設備

最近，谷歌在拉斯維加斯2014年國際消費類(lèi)電子產(chǎn)品展覽會(huì ) (2014 International Consumer Electronics Show) 上宣布，開(kāi)放汽車(chē)聯(lián)盟 (OAA) 的使命是使安卓平臺應用于汽車(chē)。除了谷歌以外，開(kāi)放汽車(chē)聯(lián)盟的創(chuàng )始成員包括奧迪 (Audi)、通用 (GM)、本田 (Honda)、現代 (Hyundai)和nVidia。其他廠(chǎng)商預計也將相繼加入開(kāi)放汽車(chē)聯(lián)盟，但是關(guān)于安卓平臺將如何用于汽車(chē)的細節尚處于討論階段。一些制造商，例如起亞 (Kia) 和雷諾 (Renault)，已經(jīng)將定制的安卓系統加載于量產(chǎn)汽車(chē)上，并使其自身精心管理的安卓應用庫可在車(chē)內使用。下表概括了智能手機安卓系統的現有功能和車(chē)載安卓系統必備功能之間的差別。

表1：與安卓智能手機相比車(chē)載安卓的潛在要求。

如果開(kāi)放汽車(chē)聯(lián)盟建立了一個(gè)共同的安卓基礎平臺，現有的實(shí)現方法可能很快就可以發(fā)揮作用，因為任何經(jīng)過(guò)谷歌批準的新安卓操作系統無(wú)疑會(huì )降低維護和支持成本。與早期安卓版本和車(chē)載設備的兼容性將是一個(gè)重要特征，同時(shí)也將是開(kāi)放汽車(chē)聯(lián)盟首要關(guān)注的問(wèn)題。在整車(chē)使用壽命期內，車(chē)主不可能像智能手機用戶(hù)那樣頻繁升級車(chē)載軟件。谷歌大約每隔九個(gè)月發(fā)布一次新安卓版本(圖1)，而安卓4.4“KitKat” 版本正處于量產(chǎn)過(guò)程中。智能手機市場(chǎng)的各個(gè)安卓版本都未能存活很長(cháng)時(shí)間。相比之下，這些版本很可能作為內置汽車(chē)配置使用較長(cháng)時(shí)間。

圖1 ：安卓版本及其分布 整合安卓智能設備

考慮到安卓的普及性，駕駛員或乘客人人擁有一部安卓智能設備的情況是極有可能發(fā)生的。在理想情況下，這樣的設備將可以方便地連接到汽車(chē)基礎架構的某些部件上，可能有多種連接形式，整合深度取決于使用情況。在最簡(jiǎn)單的整合形式中，用戶(hù)喜歡在駕車(chē)時(shí)給自己的智能手機充電，而每部汽車(chē)都有一個(gè)用于連接 USB充電器的12V配件。較復雜的是內置藍牙配對套件，它可以讓智能設備的音樂(lè )通過(guò)車(chē)內音響系統進(jìn)行播放。大多數新款汽車(chē)現在都有這個(gè)功能(圖2)。

圖2：與實(shí)施成本有關(guān)的智能設備集成水平。

不斷涌現的新標準正在提升車(chē)內設備集成水平。汽車(chē)連接聯(lián)盟(Car Connectivity Consortium， CCC)(http://www.mirrorlink.com) 自成立起就致力于推動(dòng)設備集成標準的確立，使在車(chē)載信息娛樂(lè )主機上遠程管理和顯示加載于智能手機的應用成為可能。汽車(chē)連接聯(lián)盟已經(jīng)規定使用通用即插即用 (UPnP) 裝置控制車(chē)載應用的存取。另一項標準 -- 虛擬網(wǎng)絡(luò )計算 (Virtual Network Computing， VNC) 讓智能手機顯示屏上顯示的信息得以復制到作為瘦客戶(hù)機的信息娛樂(lè )主機上。然后，該應用可以在智能手機上運行，但在信息娛樂(lè )主機上能夠被看到。

電子設計自動(dòng)化技術(shù)的領(lǐng)導廠(chǎng)商 Mentor Graphics近日發(fā)布一份題為《車(chē)載安卓系統的實(shí)施方案和注意事項》的研究報告。

目前，大多數集成都是通過(guò)USB連接線(xiàn)完成的，但是這種途徑顯得笨拙且不可靠。一些車(chē)載信息娛樂(lè )主機現在擁有Wi-Fi功能，因此現在有了另外一種智能設備集成途徑。

集成智能設備也可以為信息娛樂(lè )主機提供漫游3G/4G/LTE連接。這提供了一種替代內置無(wú)線(xiàn)調制解調器的廉價(jià)選擇，以及多種單獨的資費和數據套餐。

無(wú)論是成本還是集成規模，汽車(chē)OEM廠(chǎng)商奧迪均處于高端水平，該公司已經(jīng)推出一款專(zhuān)為車(chē)內使用設計的專(zhuān)用10.2英寸的平板設備。“奧迪平板電腦” 有權訪(fǎng)問(wèn)專(zhuān)門(mén)的應用商店，并可以通過(guò)Wi-Fi連接車(chē)輛的導航和信息娛樂(lè )系統。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于移動(dòng)設備解決方案處于嚴格管理下并經(jīng)過(guò)高度集成，與軟硬件整合的品質(zhì)極高。 與安卓系統兼容的架構

安卓系統與車(chē)輛整合的其他途徑是利用靈活但安全的多域軟件架構。這些途徑包括將安卓系統設置為GuestOS，或者設置到現有操作系統之上(例如以L(fǎng)inux Container方式)，或者設置為與另一個(gè)操作系統并行的GuestOS(圖3)。

在Linux Container (LXC)技術(shù)的支持下，安卓客戶(hù)端的資源、訪(fǎng)問(wèn)控制和安全由主機Linux操作系統管理。對于關(guān)注安卓安全的系統設計師來(lái)說(shuō)，這是一種在標準Linux 平臺上很好地提供安卓應用訪(fǎng)問(wèn)權限以及運行其他系統功能的方式。多核片上系統(SoC) 平臺使這個(gè)架構更具吸引力，因為足夠多的Linux和安卓域資源可以讓它們同時(shí)有較好的表現。除了中央處理器 (CPU)資源，內存、圖形處理資源和其他外圍設備都可以實(shí)現共享。兩個(gè)域的輸出可以重組為一個(gè)共同的人機界面 (Human Machine Interface， HMI)，從而使用戶(hù)能夠從兩個(gè)域中選擇功能。

圖3：Linux Container內的安卓系統，支持前后車(chē)輛功能。

為了在LinuxContainer內運行安卓系統，必須對支持該Container的Linux內核進(jìn)行一些修改。在典型的使用情況下，在前端屏幕上有信息娛樂(lè )控制器去控制后座安卓的顯示。支持安卓顯示的硬件資源，如通過(guò) USB 輸入的觸摸屏信息、音頻和圖形，需要虛擬化，然后提供給使用后顯示器的用戶(hù)。這將有助于盡可能在車(chē)上重現“消費電子設備”的體驗。

音頻資源需小心加以管理：前座信息娛樂(lè )用戶(hù)將需要訪(fǎng)問(wèn)導航命令、電話(huà)呼叫、系統警告、多媒體播放器等，還可以?xún)?yōu)化聲道和靜音。在后座用戶(hù)使用的是單聲道，可用于欣賞音樂(lè )/娛樂(lè )用途。

Linux Container的替代方法是使用完全嵌入式虛擬機管理程序，它可以管理可用的SoC硬件資源，并將其分配給多個(gè)域/操作系統。虛擬機管理程序經(jīng)過(guò)配置后可以精確管理哪些資源是GuestOS，安卓、Linux、AUTOSAR或其他操作系統可用的，并允許域之間進(jìn)行一些通信。Mentor Graphics 最近展示了一款混合域系統，其中的AUTOSAR數據來(lái)自車(chē)載電子控制單元 (ECU)，這些AUTOSAR數據被送入運行于單一硬件平臺上的數字儀表板及信息娛樂(lè )系統內(圖4)。

圖4：帶有運行于單一SoC的AUTOSAR、儀表板和信息娛樂(lè )系統的混合車(chē)輛操作系統。

結論

安卓已經(jīng)蔚然成風(fēng)。越來(lái)越多的智能設備用戶(hù)希望能在車(chē)內訪(fǎng)問(wèn)安卓應用程序。制造商擁有多種實(shí)施方案，在成本、集成程度和功能上有多個(gè)層次可選。谷歌的開(kāi)放汽車(chē)聯(lián)盟和汽車(chē)連接聯(lián)盟推廣集成設備的倡議等標準化努力將進(jìn)一步加快車(chē)載安卓系統的發(fā)展。這些解決方案的供應商既要謹慎行事以覆蓋廣泛的 Android APP選擇，還要保持車(chē)內計算系統的安全性和完整性。汽車(chē)現在已經(jīng)為被歸類(lèi)為消費電子設備做好了準備嗎?我們重新定義“移動(dòng)設備”的日子不會(huì )很久遠。