智能座艙域控之硬件系統

1、簡(jiǎn)  介

所謂智能座艙域控制器（Smart Cockpit Domain Controller，后文用CDC指代）是在以前車(chē)載娛樂(lè )系統（IVI）的基礎上整合了多個(gè)獨立的控制單元（如Cluster），并集成了更多的智能化的功能（如DMS），使車(chē)內功能和用戶(hù)體驗變得越來(lái)越豐富，同時(shí)變的更復雜。

座艙域控制器的主要功能：

1. 信息娛樂(lè )系統：即原來(lái)的IVI的功能。

2. 行車(chē)電腦數據顯示：實(shí)現數字儀表盤(pán)的顯示內容，如速度、里程、油量、電池狀態(tài)等。輸出抬頭顯示（HUD）所需要的信息。

3. 空調系統：控制車(chē)內空調系統，包括溫度調節、風(fēng)速控制、空氣質(zhì)量監測等。實(shí)現更智能化的區域溫度控制，提升乘坐舒適度。

4. 駕駛輔助系統：集成泊車(chē)輔助功能，如倒車(chē)影像，AVM等。隨著(zhù)NPU在SOC的集成，CDC也可以集成行車(chē)輔助功能，如車(chē)道偏離輔助，車(chē)道居中行駛。

5. 車(chē)內連接：實(shí)現與智能手機、平板電腦等設備的連接和互動(dòng)，支持Apple CarPlay、HUAWEI HiCar等功能。提供Wi-Fi熱點(diǎn)、藍牙連接等車(chē)內網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。

2、CDC主要解決方案和玩家

CDC域控供應商在和主機廠(chǎng)（OEM）合作的過(guò)程中，產(chǎn)生了多種多樣的合作模式，主要包括如下三種形式：

1. 硬件+底層軟件（BSP）

2. 硬件+底層軟件+中間件

3. 硬件+底層軟件+中間件+上層應用

CDC主要供應商及其方案。本調查基于2023年的車(chē)型數據和供應商銷(xiāo)量排名情況，更新了部分基于高通8295的方案信息。

3、硬件系統框圖簡(jiǎn)圖

CDC的硬件是服務(wù)于功能而存在的。為實(shí)現上述簡(jiǎn)介中提及的功能，目前CDC硬件主要包含SOC、MCU、Display系統、Camera系統、Audio系統、導航系統、以太網(wǎng)、車(chē)內通訊等等。

以QAM8295為例，框圖簡(jiǎn)圖如下：

4、構成介紹

毋庸置疑，SOC是CDC最最最重要的元器件，它決定了CDC的性能和功能，還影響其可靠性、安全性和未來(lái)擴展能力。CDC硬件首先需要確定的就是SOC，一旦SOC型號確定后，基于SOC供應商提供的原型（prototype），SOC周邊的元器件，如RAM等也就差不多確定了，本文重點(diǎn)介紹在CDC中需要基于features確定的硬件系統構成。

（一）SOC

全稱(chēng)SystemOnChip, 即單片系統，集成了包括處理器、存儲器和其他部件在內的較完整信息處理系統的半導體芯片。

SOC選型需要考慮多個(gè)關(guān)鍵因素：

1. 處理性能

在決定SOC選型時(shí)，算力是否能支撐規劃的feature的實(shí)現是最主要的考慮因素，需要進(jìn)行業(yè)務(wù)-算力資源分析，基于worst case確定最低的算力要求。

CPU性能：選擇具備足夠通用處理能力（DMIPS）的SOC，確?？梢灾巫撍泄δ艿膶?shí)現。

NPU性能：如果CDC需要處理語(yǔ)音、圖像（如DMS功能）等，需要根據算法要求考慮NPU算力（TOPS）

2. 圖形處理

GPU性能：評估GPU（圖形處理單元）的性能，確保能夠支持高分辨率顯示、3D圖形渲染和流暢的用戶(hù)界面。

多顯示屏支持：考察SoC能夠支持的顯示屏數量（同時(shí)需要考慮搭載屏幕的最大分辨率），包括主儀表盤(pán)、抬頭顯示（HUD）和信息娛樂(lè )顯示屏。

多個(gè)功能顯示區域和HMI交互：需要了解video pipeline，評估UX交互的最大能力。

3. 內存和存儲

RAM容量：考察需要的RAM容量，以支持高性能應用和復雜軟件運行。

存儲接口：考察SoC支持的存儲接口（如eMMC、UFS等），確保具有足夠的存儲帶寬和容量。

4. 連接性

接口類(lèi)型：考察SoC提供的接口類(lèi)型，包括USB、Ethernet，DisplayPort，CSI，GPIO，SPI等，以滿(mǎn)足各種外部設備和系統的連接需求。

網(wǎng)絡(luò )連接：評估SoC是否支持必要的網(wǎng)絡(luò )連接功能，如Wi-Fi、藍牙和V2X通信。

5. 功耗和散熱

功耗管理：考察SoC的功耗，確定散熱類(lèi)型，評估是否能滿(mǎn)足布置要求。

6. 軟件支持

操作系統兼容性：考察SOC支持的操作系統（如Linux、QNX、Android等），確保軟件開(kāi)發(fā)和集成的順利進(jìn)行。在決定操作系統時(shí)，需要考慮CDC APP生態(tài)多樣性。

OTA升級支持：確保SoC支持OTA（Over-the-Air）更新，以便于未來(lái)的軟件升級和功能擴展。

快速啟動(dòng)：選擇支持快速啟動(dòng)的SoC，確保用戶(hù)上車(chē)的體驗。

7. 安全性

功能安全：根據CDC集成功能的功能安全等級，選擇符合汽車(chē)功能安全標準（如ISO 26262）的SoC，確保系統的安全性和可靠性。

網(wǎng)絡(luò )安全：評估SoC的網(wǎng)絡(luò )安全功能，包括硬件加密、安全啟動(dòng)和安全存儲，以防止黑客攻擊和數據泄露。

8. 可靠性和長(cháng)期供應

環(huán)境耐受性：選擇能夠在廣泛溫度范圍和惡劣環(huán)境條件下可靠運行的SoC，即車(chē)規級芯片。

供應鏈穩定性：評估SoC供應商的長(cháng)期供應能力，確保能夠持續獲得所需芯片，避免供應中斷。

9. 成本和性?xún)r(jià)比

采購成本：綜合考慮SoC的采購成本，確保在預算范圍內選擇最佳方案。

整體性?xún)r(jià)比：評估SoC的整體性?xún)r(jià)比，包括性能、功能、安全性和可靠性，以做出最優(yōu)選擇。

通過(guò)綜合考慮這些因素，可以選擇最適合的SoC，用于座艙域控制器的設計和開(kāi)發(fā)，確保其在性能、功能、安全性和成本等各方面達到最佳平衡。

例：QAM8295P的一些參數

算力：220kDMIPS CPU /40 TOPS NPU

Display：6x4k simultaneous output support. Synchronized DP outputs up to 39 MP (x2). Up to Total of 64 MP across all displays 6x DP MST2 (DP0 is alt-mode USB), 2x DSI. 2x eDP Support for 3x MST2 simultaneously (x2)

Audio：7x TDM/I2S + 3x High Speed I2S for Audio Front-end

Camera：Up to 16 cameras Maximum resolution 8MP 4x CSI2 4-lane (C/D-PHY combo）

（二）MCU

全稱(chēng)Microcontroller Unit，它提供與車(chē)內其他ECU之間接口的作用，所以也叫VIP，Vehicle Interface Processor

MCU選型需要考慮多個(gè)關(guān)鍵因素，以確保所選方案能夠滿(mǎn)足車(chē)輛的功能需求、性能要求和未來(lái)擴展的可能性。

1. 功能需求

集成能力：確定CDC需要集成哪些功能，如信息娛樂(lè )系統、儀表盤(pán)顯示、空調系統、駕駛輔助系統等，確定上述能力的實(shí)現方案和功能分配。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)需要確定哪些是由SOC實(shí)現，哪些是MCU實(shí)現。

2. 性能要求

處理能力：考察MCU的處理器性能，確保其能夠處理所有必要的功能和數據流。

Memory：評估內存和存儲容量，以支持復雜的軟件和數據存儲需求。

實(shí)時(shí)性能：確保CDC具備實(shí)時(shí)處理能力，以滿(mǎn)足駕駛輔助和安全系統的要求。

3. 可靠性和安全性

系統穩定性：評估MCU在各種工作條件下的穩定性，確保其能在不同環(huán)境中可靠運行。

功能安全等級：對于有功能安全等級要求CDC，需要考慮MCU需要滿(mǎn)足的ASIL等級

4. 兼容性和標準

接口和協(xié)議：確保MCU支持必要的接口、接口數量和通信協(xié)議（如CAN、LIN、Ethernet等），滿(mǎn)足車(chē)輛EE架構的需求。

操作系統：選擇支持汽車(chē)行業(yè)標準化操作系統（如autosar）的MCU。

5. 供應商選擇

供應商信譽(yù)：評估供應商的市場(chǎng)聲譽(yù)和歷史表現，選擇有經(jīng)驗和可靠的供應商。

支持和服務(wù)：考慮供應商提供的售后支持和服務(wù)，包括技術(shù)支持、培訓和維護服務(wù)。

成本和性?xún)r(jià)比：綜合評估MCU的采購成本和生命周期成本，選擇性?xún)r(jià)比高的方案。

6. 未來(lái)擴展性

硬件擴展：確保MCU具有硬件擴展能力，以適應未來(lái)可能增加的功能需求。

基于自動(dòng)輔助駕駛功能的功能安全角度評估MCU對標數據。

（三） DSP和音頻輸入輸出

系統方案

考慮到部分audio產(chǎn)品可以在多個(gè)軟件系統實(shí)現，對于音頻系統的規劃和選型，首先要確定產(chǎn)品分配方案，基于功能集合，綜合考慮算力需求、延遲需求、可能的算法提供方。

*本算力評估基于A(yíng)DI Shark系列（1MHz/6MFLOPS）進(jìn)行的評估。同一種算法在不同的DSP上算力數字會(huì )有不同。

A2B bus目前是Audio系統內部/外部常用的傳輸方式，在確定功能分配方案后，需要形成audio routing，支撐DSP選型，A2B Transceiver數量、外部A2B總線(xiàn)數量和SOC與DSP之間A2B&SPI總線(xiàn)數量確定等。

隨著(zhù)汽車(chē)涉及audio的功能越來(lái)越多、功能越來(lái)越強大，CDC需要連接的麥克風(fēng)也越來(lái)越多，有些車(chē)型會(huì )達到12個(gè)之多，這就需要計算每個(gè)A2B總線(xiàn)的帶寬，確定每個(gè)A2B節點(diǎn)供電和“Bus Activity”是否能達到要求。

如果涉及多個(gè)外部A2B總線(xiàn)的輸入輸出，需要合理分配每個(gè)節點(diǎn)，基本思想是1）相同功能的節點(diǎn)在一個(gè)總線(xiàn)上；2）當任一節點(diǎn)異常時(shí)，能最大化的保留更多功能。

DSP選型

因為A2B總線(xiàn)的關(guān)系，ADI的DSP是市場(chǎng)占有率比較高的，其他的可選供應商包括AKM等。

當然也可以考慮使用SOC內置的dsp，但是部分模塊會(huì )收License費用。

Qualcomm對高級音頻處理模塊的費用

DSP選型需要考慮的因素包括：

1. 處理能力

計算性能：評估DSP的處理能力，尤其是在處理音頻和視頻信號時(shí)的性能表現。

2. 接口和連接性

通信接口：確保DSP具備豐富的通信接口（如TDM、I2S、SPI、UART等），以便與CDC其他系統和外部設備連接。

數據吞吐量：評估DSP的數據吞吐量能力，確保其能夠處理大量實(shí)時(shí)數據。

3. 音頻處理

音頻處理能力：選擇支持高品質(zhì)音頻處理的DSP，滿(mǎn)足車(chē)內音響系統、降噪和回聲消除等需求（或者尋求集成第三方的音頻算法）。

4. 開(kāi)發(fā)工具和生態(tài)系統

開(kāi)發(fā)環(huán)境：確保DSP供應商提供完備的開(kāi)發(fā)工具、SDK和調試工具，以支持開(kāi)發(fā)和集成過(guò)程。

生態(tài)支持：評估DSP是否有良好的生態(tài)支持，確保提供audio算法的第三方公司在選型DSP上有移植經(jīng)驗。

5. 供應商選擇

供應商信譽(yù)：選擇具有良好市場(chǎng)聲譽(yù)和長(cháng)期穩定供貨能力的供應商，以確保持續的支持和供應鏈穩定性。

技術(shù)支持：評估供應商提供的技術(shù)支持和售后服務(wù)質(zhì)量，確保在開(kāi)發(fā)和維護過(guò)程中能夠獲得及時(shí)幫助。

6. 成本和性?xún)r(jià)比

成本效益：綜合考慮DSP的采購成本和整體性?xún)r(jià)比，選擇能夠在性能、功能和成本方面達到最佳平衡的方案。

生命周期成本：評估DSP在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內的成本，包括開(kāi)發(fā)、維護和升級成本，以實(shí)現更高的經(jīng)濟效益。注：最好同時(shí)關(guān)注供應商的產(chǎn)品系列，這樣后續迭代升級的產(chǎn)品的AUDIO方案有延續性。

（四） 視頻輸入輸出

常見(jiàn)的視頻傳輸協(xié)議有 TI FPDLink和 Maxim GMSL，它們的串形器 Serializer&解串器DESerializer一般成對出現。

串形器和解串器的選型主要需要考慮傳輸視頻的視頻碼率 Link Bit Rate：

假如視頻分辨率為 1920 x 1080、位深為 8 bits、幀速率 60 fps 的視頻，無(wú)壓縮狀態(tài)下的碼率應為 2848 Mbps，約 2.78 Gbps。即串形器和解串器需要支持的碼率最少為2.78Gbps。

計算公式：(1920×1080)×(8×3)×60fps÷1024÷1024[Mbps]

假定傳輸24位色（真彩色）色彩深度的RGB圖像，R、G、B各8bit，所以需要乘以系數3不同圖像格式因為表達和傳輸色彩方式的不同需要乘的系數不同。需要考慮攝像頭的供電方式，供電包括POC供電和獨立供電2種。

（五） 其他

1. 以太網(wǎng)SWITCH

Switch選型需要考慮以太網(wǎng)速度和帶寬、端口數據和類(lèi)型、QoS和安全性、TSN、可靠性等技術(shù)要素，以及成本、生命周期、供應商因素（信譽(yù)、技術(shù)支持）等因素。

在硬件回路設計時(shí)，需要考慮診斷、時(shí)間同步和OTA的方案，以確定QNX、Android、VIP是否需要單獨的IP地址。

2. 定位系統

定位系統包含GPS和IMU，首先確定整車(chē)是否提供GPS和IMU數據，提供的數據是否滿(mǎn)足精度、延時(shí)、時(shí)間同步等的要求。

如果無(wú)法使用整車(chē)其他系統提供的數據，GPS定位模塊需要考慮是否需要支持RTK，而IMU需要基于功能對于加速度/角速度數據需要確定選型6軸、5軸抑或更少數據的元器件。

3. 總線(xiàn)Transceivers & USB

CDC需要搭載的總線(xiàn)類(lèi)型主要取決于整車(chē)EE拓撲，并基于客戶(hù)硬件DPR考慮擴展性。

USB也是如此，在USB回路設計中需要考慮供電方式和相關(guān)回路設計。

5、后  記

CDC硬件設計和零件選型涉及到方方面面，是一個(gè)系統工程。根據實(shí)踐經(jīng)驗，CDC硬件的最終方案會(huì )根據功能和系統的定義逐漸完善，而這些“完善”內容會(huì )造成每次layout的變更，產(chǎn)生資源浪費（特別是錢(qián)），所以經(jīng)驗豐富的系統架構，在A(yíng)樣時(shí)就提供高帶寬、高靈活的方案設計以支撐硬件工程師的硬件設計工作，減少后續的變更。

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