Mentor Graphics：高级车内系统的参考设计

如今汽车制造商想在创新、降低零件成本、快速推向市场这三个方面取得成功变得更加困难。驾驶员和乘客都期待智能手机和平板电脑所具备的功能成为车内电子系统的一部分。

 

近年来一些原先作为高端、顶配而引入的功能已经低廉化，越来越多的车款搭载了这些功能。有一种新趋势是相互竞争的汽车品牌制造商使用同一种技术--如信息娱乐系统的GENIVI Linux平台。 但为 吸引和保有客户进行创新和OEM（原始设备制造商品牌）差异化的需求依然强劲。将专有、内部开发的嵌入式软件与开放源代码包结合在一起的方式是一种越来越受追捧的解决方案。

 

Mentor Graphics开发的“概念验证”参考 平台可以灵活地按具体设计定制、可用安全的汽车级代码包提供客户要求的功能。该特殊平台可根据当前市场趋势进行设计，包括：驾驶员信息模块 (DIM)；汽车信息娱乐；智能手机和平板电脑整合；先进的驾驶辅助系统(ADAS)功能；与现有车内网络一同工作的基于AUTOSAR标准的通信能力。通过在一个汽车硬件参考平台上引入Type-1嵌入式虚拟机(embedded hypervisor)进行核心设计实现对此技术的整合，本例中使用了最近被Mentor Graphics收购的XS Embedded GmbH (XSe)的汽车级AXSB。

 

本设计面临一些挑战，其中包括：保持每个被运行的应用程序的性能可接受、共享可用的硬件资源、管理安全的域间通信。

 

满足概念要求

Linux作为得力的多任务操作系统已经逐渐为汽车制造商所接受，它能运行高端的图形化汽车应用程序、支持多种外围设备，如相机、USB设备、音频和多媒体功能设备。驾驶员信息模块(DIM)、车辆报警系统和控制对计算资源要求不高，但仍需要确保性能和一个稳定的显示屏显示重要的安全状态信息。为实现这些功能，采用安全的实时操作系统(RTOS)非常合适。车辆控制领域网络(CAN)、FlexRay或其它网络获取的信息可以提供给实时操作系统。

 

设计要求是将这两个独立的操作系统（Linux 和 RTOS）以及运行的应用程序整合到一个硬件参考平台上，并且可以借助AUTOSAR 4.0.3标准界面（图1）实现CAN（车辆控制局域网）通信。车辆设计者必须整合消费电子设备已成事实，95%以上的市场通过提供对苹果iOS和谷歌Android设备支持满足这一需求。其它标准正在这一领域出现，Mentor的概念验证平台包括MirrorLink support、Apple CarPlay和Google Android Auto。

 

通过选择多核参考平台降低要素成本、实现硬件整合。这降低了车辆组件的数量以及电子线束设计的相关成本。所用XSe AXSB平台搭载了德州仪器公司(Texas Instruments)J6多核CPU（中央处理器和瑞萨电子公司 (Renesas)V850 MCU（微程序控制器）。AXSB还包括许多针对以太网(ethernet)、串口/USB、电台调谐器、倒车摄像头输入电路和CAN收发器等众多支持性外围组件。一种基于Yocto且符合GENIVI的Linux发行套件已经针对该平台进行了高度优化，可实现快速开机。而且，一些重要的Linux组件（如音频管理和图形管理层）已经得到了“加固”。改善后的内存组件和引导装载程序让Linux操作系统在两秒钟之内就能正常运行，满足汽车制造商对信息娱乐和导航系统的要求。

 

Mentor Graphics的Nucleus RTOS（实时操作系统）占用的资源少、启动快，因此被选作驾驶员信息模块(DIM) 的操作系统。该操作系统可配置性高、拥有一个针对流行的驾驶员信息模块(DIM)图形支持应用软件的标准界面 Open GLES2。利用远程协议消息（Remote Protocol Messaging，RPMsg）进行稳定的通信，让驾驶员信息模块 (DIM)软件栈向信息娱乐系统和AUTOSAR软件栈传送实时数据。

 

消费电子集成

时下汽车制造商无法逃避的是 -- 需要支持基于苹果iOS系统和基于谷歌Android系统的设备。通常智能手机和平板电脑制造商的创新周期不足一年，因此需要一种普遍支持的可以连接这些设备和车内电子系统的方法，并且在整个车辆使用年限之内这一方法都能用。早期的系统使用蓝牙(Bluetooth)，但蓝牙技术没有进行多媒体整合的带宽，也不支持后座娱乐的视频流。USB是一种公认的连接方法，Wi-Fi（无线网络）车内链接正在逐渐用于视听信息传输，同时提供车内热点从而支持多设备客户。成立汽车连接联盟(CCC)是为了推动和提议 MirrorLink成为行业整合智能设备的标准方法。借助MirrorLink可通过信息娱乐管理设备远程访问、显示和控制基于手机的应用软件。执行者可以控制哪些应用软件可用以及如何访问--是通过触摸屏用户界面还是安装在方向盘上的按钮。多设备制造商和车辆OEM（原始设备制造商）是汽车连接联盟(CCC)成员，有几款采用了该技术的产品已经处于生产阶段。苹果公司(Apple)已经推出具有类似功能的专有CarPlay解决方案。

 

如今任何一款新车上都应拥有智能设备集成功能。它让驾驶员能立即访问联系人、音乐、视频和最爱的应用软件，以及利用智能设备连接4G/LTE网络。这样可以实时访问云服务，如导航、礼宾服务、个人电子邮箱等。Mentor参考设计包括实施MirrorLink标准和可以通过10英寸触摸屏界面执行所有智能手机的功能。

 

图1：参考设计概要。

多重操作系统架构

运行虚拟机的虚拟层是一种允许Linux和Nucleus RTOS在一个硬件平台上同时运行的简洁方式。每个操作系统在一个专用的虚拟机上运行并共享AXSB平台上可用的硬件资源。不同操作域间的通信可以利用RPMsg协议用一种可控制的方法进行，这样应用软件之间就可以共享一些数据。也可以通过设定权限来管理资源、拒绝对某些系统功能的访问。这样在信息娱乐系统中可能安装或下载了不可信或未认证的应用软件时就可以进行某种程度的隔离。

 

开机顺序也经过了仔细考虑。通常车上的CAN总线通信应该在50ms内激活，但同时还要求信息娱乐和驾驶员信息模块要快速完成初始化。在这个参考设计中，基于AUTOSAR的CAN通信栈在Renesas V850 MCU上完成初始化，与 J6多核CPU同时运行。RPMsg通信引擎快速启动，以便在域间传送早期的交通状态（图2）。

 

图2：单个系统芯片(SoC)上的多域启动架构。

构建信息娱乐系统

概念验证参考设计包括了一些功能样例，包括软件无线电台调谐器、后视摄像头输入、多媒体视频和音频播放器和车内系统功能，如HVAC（暖通空调）控制和胎压监测系统。胎压监测仪所涉及到的功能具有代表性，它的数据源来自汽车远端的某一部分，低压或轮胎完全没气时，相关信息必须优先通过CAN总线发送并立即显示在驾驶员信息屏上。因为设定了显示优先次序，警示屏幕覆盖了默认的信息娱乐主页屏幕。利用CAN信息生成器（ETAS BusMaster模拟器）对该系统进行了测试，见图3。

 

图3：利用ETAS BusMaster生成CAN通信量测试参考设计。

调整开机顺序还用到了其它几种工具，包括 Mentor Graphics XSe XSTrace和Mentor Graphics Sourcery Analyzer。通过监测初始化和开机顺序，驾驶员和进程可以重新排序并节约宝贵的时间。开机优化是一个迭代的过程，不重要的系统任务和进程会被及时地移出，为重要的汽车功能更早地出现让路。

 

为确保DIM的帧刷新率达到60帧/s或更快还使用了图形-性能微调工具。为确保车内信息娱乐(IVI)和DIM模块在关键时刻收到图形带宽，GPU（图形处理器）共享架构包括了负载平衡和资源优化。这一进程涉及GENIVI Wayland元件、Open GLES2参与的多层调谐，以及用于显示屏幕图像的专有显示工具层。对屏幕分辨率和性能之间的权衡进行分析，从而保证可视性较高、性能优于说明书。

 

最终得到的是一个我们认为符合现有市场趋势的概念设计，并且在当今竞争激烈的汽车市场上它可能具有节省时间和开发周期的潜力。

 

结论

在当今快速发展的汽车电子市场上，从头开始设计已经不可取 -- 它在研究上花费很多年的时间才能找到正确的解决方案。利用预先建立的参考设计概念，设计者可以选择一些困难的性能和整合问题得到解决的节点作为设计起点，在此基础上加入他们自己的IP（知识产权）和最终的定制要求，从而缩短上市时间并搭载用户直接可用的功能来满足当前市场的需求。

 

Mentor Graphics及汽车事业部XS Embedded开创性地使用了基于行业标准软件和硬件组件的near-A-Sample（近A级实验）平台。该设计将在拉斯维加斯举行的2015年消费电子展(2015 Consumer Electronics Show)、德国纽伦堡Embedded World及其它在全球各地举行的重大活动上展出。