当代汽车设计中，车联网和智能座舱成为提升用户用车体验的重要环节，而智能座舱域控制器就是保证用户用车体验的基础。传统的汽车设计中，仪表和娱乐系统为相互独立的两个系统，分别由位于驾驶员前方的仪表屏和位于仪表板中央的娱乐屏进行内容呈现。但是随着娱乐系统的内容越来越丰富，为了更好地在车辆行进中为用户提供更好的服务， 需要将一些内容显示到仪表侧，才能保证驾驶员安全地使用， 比如导航信息、来电信息等。另一方面，仪表侧一些功能为了提升体验，也需要借用原本娱乐系统侧的载体来呈现，比如整车的报警声。原本由仪表侧提示报警音由自身布置的蜂鸣器或者小功率小体积扬声器实现，声学起始频率不理想，呈现的声音品质不优秀。而如果仪表侧的报警通过整车音响发声，可给用户带来优秀的听感，同时也可通过 3D 声音设计和整车高品质回放，给用户呈现立体的声音报警信息。因此，将仪表系统和娱乐系统集成整合，域控制器设计应运而生。
域控制器系统，一方面随着硬件性能的大幅提升，相对座舱内任何单一系统的需求都有所盈余。比如传统的仪表设计对运算能力的消耗不超过 5000DMIPS，娱乐系统运算能力不超过 12000 DMIPS 的控制器市场占比也很高。随着 ARM 公司技术架构的快速发展，以及芯片制造领域工艺制程的一系列突破，使得整个芯片行业运算能力大幅提升。如上文讲到，为了提升用户体验又需要让座舱内的各个系统更加融会贯通，交互总线带宽更为宽广。因此，一个硬件平台两个系统运行的虚拟化技术成为当下一个重点推广技术。如图 1 表示一种虚拟化系统设计架构图。
图 1 一种虚拟化架构设计
但是由于虚拟化技术本身对硬件资源的占用不可忽略不计，且虚拟化本身也处于成长中，它的稳定性本身影响了其子系统的稳定性，同时各虚拟化方案核心技术团队均在国外， 大概率会面临开发资源控制力薄弱问题。本文试图阐述一种基于双 SoC 的域控制器设计，旨在提升系统稳定性，降低开发难度。
任何技术的进步都不是一蹴而就的，都将经历一个螺旋上升的过程。汽车产品相比消费电子而言，一个重要的特点， 即其严肃性。即使有比较小的几率，由于新技术的引入，导致用户在使用过程中发生了系统卡顿、死机，也有风险酿成比较大的灾难，带来严重的后果。从目前的双控制器、双 SoC、双系统，到单控制器、单 SoC、双系统，中间的过渡阶段就应该是单控制器、双 SoC、双系统。这样既可保证两个系统的稳定性，又因在布置阶段按照单控制器实施，可当虚拟化技术完全成熟落地时，大大减小了升级切换的代价。
传统智能座舱设计中，仪表和娱乐系统往往由独立的两个显示屏进行呈现，如图 2 所示。
但随着汽车市场竞争越来越激烈，各主机厂成本意识越来越强，再加上日渐流行的极简设计风格，逐渐出现了一个“弱化仪表显示，强化娱乐系统显示”的趋势。比如吉利几何系列，长城摩卡系列，均配备比较小尺寸的仪表显示屏。甚至特斯拉Model 3 和Model Y 系列车型取消了仪表显示屏，如图 3 所示。本文阐述的智能座舱系统即为融合显示的单一显示屏设计。当然，通过打造个性化的仪表传递更为清晰明确高效的内容，也是一个主机厂尝试的方向。
图 2 传统智能座舱显示屏布置
图 3 特斯拉 Model 3 智能座舱图示
本文阐述的智座舱系统，主要功能如下：
（1）双 SoC 设计，集成仪表系统与娱乐系统；
（2）仪表侧 SoC 为 NXP i.MX8QXP，娱乐系统侧 SoC为瑞萨 H3；
（3）仪表系统软件系统为 Linux；
（4）娱乐系统软件系统为安卓 P；
（5）支持 3 路视频输出，其中 2 路为预留；
（6）支持 BT/Wi-Fi；
（7）支持 6 路 USB；
（8）支持 100 M 以太网，支持 2 路 CAN 总线，支持 1 路 LIN 总线；
（9）支持内/外置功放；
（10）支持 4 路麦克风输入；
（11）支持 6 路视频输入；
（12）支持 DVR 功能。
本系统采用的融合显示屏，主要参数如下：
（1）AA 区有效显示尺寸为 14.6 英寸；
（2）分辨率为 1 920*1 080，16:9；
（3）标准亮度不低于 1 000 nits；
（4）标准对比度不低于 1 000:1；
（5）标准色域不低于 75%；
（6）TFT 材质为 LTPS；
（7）触控技术为 in-Cell；
（8）盖板玻璃材质为铝硅玻璃；
（9）贴合方式为 OCA 全贴合。
图 4 双 SoC 硬件设计原理
本系统硬件设计的原理，即：将原本两个控制器的硬件设计，通过公用 MCU，电源管理等周边电路设计的方式， 部署一个控制器中。概要性的设计原理，如图 4 所示。
本系统硬件设计的重点有下面两个方面：
（1）将两个控制器的硬件内容集成到一个控制器中， 但是要控制在相对较小的体积内并保证散热性能。
（2）由于仪表系统与娱乐系统的强交互性，要在硬件设计过程中做好底层通讯保证。
本系统详细的硬件设计框图如图 5 所示。
图 5 硬件设计原理
由原理图可以看出，本硬件系统的主要特征点：
（1）瑞萨 H3 和 i.MX8QXP 均为独立的最小系统设计， 均独立配置了运行存储 DDR 单元和eMMC ROM 存储单元；
（2）瑞萨 H3 系统为安卓系统，i.MX8QXP 为 Linux 系统，由 Linux 系统驱动唯一的外置显示屏；
（3）瑞萨 H3 系统通过 HDMI 输出视频流，并通过 HDMI to CSI 转换，输入到 Linux 系统；
（4）H3 系统与 i.MX8QXP 通过 RGMII 高速总线进行数据流通信；
（5）由 DSP 统一管理两个系统的音频输出，支持内置功放以 4*25 W 驱动外置扬声器，也支持以 A2B 的形式扩展外部功放；
（6）支持 4 路麦克风差分信号的输入，语音降噪以软件方案集成于 H3，因此节省掉了独立语音芯片的费用，即软件方案的降噪与声源定位和定向拾音；
（7）支持 DVR 摄像头的接入，同时以外接 USB 的形式进行 DVR 视频存储；
（8）为提升稳定性，将以太网接入放到 Linux 端，通过RGMII 路由到 H3，可灵活升级到仪表的 SOME/IP 通讯开发；
（9）H3 有两路独立的视频输出预留，该平台可灵活升级到拓展多个屏幕。
下文将针对视频流和音频流，对硬件进行详细介绍。
3.1 视频流设计
本系统视频流设计原理图如图 6 所示。由于传统的座舱域控制器中 SoC 均不配备 ISP，且为了保证平台性兼容多种摄像头配置，将 ISP 放置于摄像头端为更优的方案选择。
图 6 视频流硬件设计
方案中，将 4 路 360 环视摄像头通过 4 合 1 的 MAXIM GMSL 方案输入 H3，使娱乐系统可以整合 360 环视的软件能力。同时为了兼容高配的外置 AVM 控制器，系统也支持通过TI FPD-Link 方案将外置AVM 合成后的全景画面输入H3， 通过优化安卓底层的快显逻辑满足快速倒车的需求。
方案中，整个融合显示屏均由 Linux，即仪表系统来推动，因此使得仪表系统有了触控交互的能力。通过触控交互， 相比传统的方向盘按键式的交互方式，在效率和丰富性上有了大幅的提升。同时为了满足娱乐系统的触控，融合显示屏的触控信号通过 FPD-Link 的 I2C 回传后，Linux 将信号直接路由至 H3，使得安卓系统具备触控交互能力，经实际测试， 延迟时间在毫秒级，使用延迟可忽略不计。
3.2 音频流设计
本系统音频流设计原理图如图 7 所示。
图 7 音频流硬件设计
如图所示，本方案支持 4 路麦克风输入，可通过集成于 H3 内的语音识别 SDK，实现降噪、声源定位和定向拾音。语音系统中，语音唤醒是一个最为重要的功能。为了保证用户在多媒体、在线音乐使用过程中的语音唤醒成功率， 务必需要引入回音消除的算法才能保证。该方案中兼容内置功放和外置功放高低配两种方案。内置功放方案中，由于内置功放仅为对模拟音频信号的线性放大且几乎不涉及调音算法运算，因此不考虑延时性，从内置 DSP 端回传参考信号即可满足要求。外置功放方案中，由于外置功放对输入音频进行非线性调音工作，且算法存在运行时间因此有一定延时性， 因此务必从外置功放 DSP 后端取参考信号。本方案中，由于使用了 A2B 总线，可以数字信号形式对外置功放参考音进行回传，有效保证语音唤醒的成功率。
本方案中，由于仪表系统和娱乐系统均通过整车音响系统发声，因此 DSP 同时从 H3 和 i.MX8QXP 通过 I2S 通道获取发声源。但由于安卓系统无法保证快速启动，但仪表报警为强实时性需求，因此 DSP 的控制权由 i.MX8QXP 负责，可在系统启动后 DSP 经过极短的初始化时间后，即可响应仪表的声音报警需求。
如前文提及，本系统一个显著特点，即：仪表系统和娱乐系统，融合显示在一个显示屏内。一方面，此种方式节省了仪表显示屏，有效降低了整车成本；另一方面，为仪表系统引入了触控交互的属性，增强了仪表交互的效率和丰富性。
图 8 为显示内容分区情况。
图 8 显示分区情况
从上图可看出，融合显示屏的左侧大概三分之一的区域为仪表显示区，右侧大概三分之二的区域为娱乐系统显示区。
仪表主要显示区内，主要显示内容包括：
（1） 车速信息；
（2） 档位信息；
（3） 故障、提示、报警灯；
（4） 功率表（百分比显示）；
（5） Ready 信息；
（6） 电量与续航里程信息；
（7） 充电信息；
（8） 驾驶模式信息。
以上信息为驾驶员行车过程中极度重要的信息，位于整个显示屏的左上角，一方面此区域为驾驶员行车过程中观看时视角偏离最小的区域；另一方面此区域完全不受方向盘遮挡，且反光问题也完全不会发生，尽量保证驾驶过程中的安全性。
仪表主要显示区下方设置卡片区，包括：
（1） 胎压界面卡片；
（2） 里程 Trip A 和 Trip B 卡片；
（3） 故障列表卡片；
（4） 自动驾驶/辅助驾驶场景重构 3D 画面卡片；
（5） 弹窗报警卡片；
（6） 整车门开状态即快捷开关卡片；
（7） 巡航及限速设定开关。
此区域为仪表主要交互的需求，用户可通过滑动或者点击的方式进行整车上锁、解锁，打开充电口盖，或者任意位置打开和关闭行李箱盖。用户可通过左右滑动的形式切换大卡片查看想要的信息，也可通过点击的方式进行巡航速度和跟车距离相关的设定。
快速入口区，允许用户自定义三个快捷开关，系统默认放置开关为充电设置，自动泊车和全车透气，用户也可自定义其他快捷入口。
IVI 中控画面区域，为娱乐系统显示的主区域，娱乐系统的全部显示内容，包括导航、语音、车辆设置、系统设置、在线音乐、账号设置、使用手册等内容均在此处呈现。
娱乐系统 Control Bar 区域，可进行快捷的空调设置和音量设置，用户也可通过系统设置自定义其他显示内容。
本控制器将仪表与娱乐系统两个控制器硬件上合二为一，一方面大大增多了电子物料的数量，导致 PCB 设计以及Layout 困难。但是如果完全按照两个控制器体积加和的设计方法，会带来总布置上的挑战；另外一方面由于结构更紧凑， 导致散热会存在一定的风险。
本控制器设计时，为了降低布置的难度，采用的 1.5DIN 的体积空间有效降低了在仪表板内的布置难度；同时采用了风扇型的主动散热方案。控制器实物如图 9 所示。
图 9 控制器 3D 效果图
为了充分利用控制器内空间，PCB 设计上采用了上下双板设计。上层板为核心板，主要布置瑞萨 H3 和 i.MX8QXP 两颗 SoC 以及 DDR、eMMC 等外围芯片以及电源管理、视频编解串芯片等。下层板为扩展板，主要放置功放、A2B、DSP、MCU、TUNER、GNSS 等外围芯片。可以看出上层板是主要发热源，因此主动散热的设计也主要围绕上层板，尤其是瑞萨 H3 芯片展开。控制器剖视图见图 10。
图 10 控制器剖视图
冷风从盖板蜂窝网孔进入，从风扇位置抽离控制器并带走芯片运行产生的热量。通过仿真，核心板主要芯片位置的热度控制均满足芯片工作要求。
热分析结果见图 11。
图 11 热仿真图示
本文提出了一种双 SoC 的智能座舱域控制器，并对其必要性、硬件原理、视频流、音频流、交互内容、结构设计和散热设计等进行了概述。本系统利用瑞萨 H3 硬件运行基于安卓的娱乐系统，利用 i.MX8QXP 硬件运行基于 Linux 的仪表系统，娱乐系统通过 HDMI to CSI 将视频流画面输入到仪表系统，仪表系统将其进行管理并融合入自身仪表的显示画面，通过 FPD-Link 输出到融合显示器进行显示，使显示器左侧显示仪表内容，显示器右侧显示娱乐系统内容并均可通过触控进行交互，且仪表和娱乐系统的声音均通过整车扬声器进行播放来显著提升仪表报警声品质。通过双层板和主动散热的设计满足了芯片运行温控要求。
本文也已说明，此形态或许不是智能座舱域控制器设计的最终形态，但在虚拟化尚不完全成熟的今天，本着车载产品的严肃性，此设计可保证控制器运行的稳定性，且保留了后期升级切换为虚拟化座舱域控制器的灵活性。
参考
[1] 李立安,任广乐,赵帼娟.基于 i.MX6Dual 的三折屏组合仪表设计[J].汽车文摘,2020(07):52-55.
[2] 丁冠源,王淑琴,刘朝阳,等.全液晶仪表的现状及发展趋势浅谈[J].科学与信息化,2019(06):118.
