3
| 本文作者： 易建成 | 2016-10-10 14:00 | 專題：雷峰網(wǎng)公開課 |
編者按：本文內(nèi)容來自友衷科技（AutoIO）技術(shù)總監(jiān)陳云峰在雷鋒網(wǎng)硬創(chuàng)公開課的分享，由雷鋒網(wǎng)旗下欄目“新智駕”整理。
傳統(tǒng)汽車儀表將車速、轉(zhuǎn)速、油量、水溫、機(jī)油壓力等信息呈現(xiàn)給駕駛者，以方便駕駛者能根據(jù)這些信息判斷車況，并據(jù)此修正自己的駕駛行為。傳統(tǒng)儀表系統(tǒng)的核心是一個(gè)單片機(jī)，這個(gè)單片機(jī)從 CAN/LIN 總線上收集車輛各個(gè)部件的信息，然后通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)來控制表針的旋轉(zhuǎn)，以此達(dá)到信息呈現(xiàn)的目的。
隨著時(shí)代進(jìn)步、技術(shù)發(fā)展、需求多元化，傳統(tǒng)儀表無法適應(yīng)現(xiàn)今的需求，于是這幾年各大廠商開始發(fā)展液晶儀表。奧迪、大眾、寶馬、奔馳、路虎、沃爾沃、卡迪拉克等國際大廠都先后推出了自己的液晶儀表。
▲奧迪液晶儀表盤
豪華品牌使用液晶儀表的最大動(dòng)力是提升整車的豪華感及駕駛感受，而對(duì)于混動(dòng)車型、純電動(dòng)車型來說，需要呈現(xiàn)的信息比燃油動(dòng)力汽車多很多，傳統(tǒng)儀表已經(jīng)無法承載相應(yīng)的需求，全液晶儀表已經(jīng)是混動(dòng)車型、純電動(dòng)車型的剛需。
隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)苛，混動(dòng)車型、純電動(dòng)車型是大勢(shì)所趨。各大車廠已經(jīng)看到了這個(gè)趨勢(shì)，愿意投入更多的人力物力在液晶儀表上做技術(shù)積累。國內(nèi)車廠在液晶儀表上的投入絲毫不比國際大廠差，如比亞迪的 E6，更是幾年前就用上了液晶儀表。可以預(yù)見的是：在不久的將來，液晶儀表將會(huì)是汽車的標(biāo)配。
與傳統(tǒng)儀表相比，全液晶儀表能呈現(xiàn)更多的信息，對(duì)信息的組合方式也是傳統(tǒng)儀表不可比擬的：將不同駕駛階段中最重要的信息顯示在最容易閱讀的區(qū)域。
對(duì)于駕駛者來說，視線焦點(diǎn)在正前方時(shí)是最安全的，儀表所呈現(xiàn)的信息越容易閱讀，駕駛者視線離開正前方路面的時(shí)間就越短，駕駛行為就越安全。對(duì)于儀表來說，駕駛的不同階段對(duì)儀表上信息的重視程度是不一樣的：高速路上駕駛時(shí)，更關(guān)心車速、轉(zhuǎn)速、剩余燃油；倒車時(shí)，更關(guān)心倒車后視鏡的內(nèi)容；在不熟悉的道路上駕駛時(shí)，更關(guān)心導(dǎo)航信息。
有一個(gè)很重要的特性：當(dāng)儀表盤亮起某些不常見的報(bào)警燈時(shí)，大部分人總是茫茫然不知道這個(gè)燈代表什么意思。這種困惑在液晶儀表盤上就不存在，因?yàn)橐壕x表盤可以在亮報(bào)警燈以文字的形式提示。每一塊液晶屏最容易閱讀的區(qū)域都是當(dāng)中的部分，在各種不同的情況下，將駕駛員最需要的信息呈現(xiàn)在儀表的正中區(qū)域，正是液晶儀表的優(yōu)勢(shì)之一。
但缺點(diǎn)是，在目前這個(gè)時(shí)間點(diǎn)，全液晶儀表比傳統(tǒng)儀表的成本貴 2-3 倍。而目前液晶儀表規(guī)模化有好幾個(gè)瓶頸，而成本正是其中之一。
首先是成本，目前全液晶儀表的成本比傳統(tǒng)儀表高很多，這也是目前主機(jī)廠選用液晶儀表的最大阻力。比如：液晶儀表所使用的 CPU，就比同等性能的消費(fèi)級(jí) CPU 貴 3-5 倍；液晶儀表所使用的液晶屏，也比同等規(guī)格消費(fèi)級(jí)的液晶屏貴 4-6 倍。
這種成本上的差異，主要是因?yàn)檐囈?guī)級(jí)物料的檢測(cè)規(guī)范更嚴(yán)格，兼且由于出貨量小，所以價(jià)格下不來。
但我們知道，所有的電子產(chǎn)品都有一個(gè)特點(diǎn)：邊際效應(yīng)非常強(qiáng)烈，隨著產(chǎn)量的提升，成本會(huì)呈現(xiàn)幾何級(jí)數(shù)的下降。相信在不遠(yuǎn)的將來，各個(gè)零部件的成本會(huì)降到一個(gè)更為合理的水平，這也意味著液晶儀表的成本劣勢(shì)會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐步消失。
其次是技術(shù)、工藝水平。液晶屏幕、高端 CPU、IC 在高低溫環(huán)境下的適應(yīng)能力是汽車級(jí)電子產(chǎn)品首先要考量的。儀表是車載安全件，是不允許出現(xiàn)任何異常的，這就要求車載電子的所有物料都能經(jīng)受長時(shí)間高低溫的考驗(yàn)，由于設(shè)計(jì)、加工等因素的制約，早期的電子物料難以適應(yīng)車載環(huán)境。
隨著電子業(yè)的進(jìn)步，這個(gè)弱點(diǎn)已經(jīng)被克服，這就為高端電子物料進(jìn)入汽車提供了必要條件。這也是各大國際車廠開始裝配液晶儀表的原因之一。
其三，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是一個(gè)重要因素。液晶儀表系統(tǒng)比傳統(tǒng)儀表復(fù)雜很多，其中牽涉到的代碼也比傳統(tǒng)儀表有數(shù)量級(jí)的增多。我們知道：代碼越多，出錯(cuò)的概率就越大。如何使自己的系統(tǒng)更穩(wěn)定、容錯(cuò)性更好，這一點(diǎn)是非?？简?yàn)開發(fā)商系統(tǒng)集成能力。
以上都是當(dāng)今液晶儀表規(guī)?；钠款i，相信隨著時(shí)間的推移及技術(shù)的進(jìn)步，這些瓶頸都會(huì)逐漸消失，最后不復(fù)存在。
液晶儀表是一個(gè)「跨界」產(chǎn)品：它跨越了 IT 嵌入式領(lǐng)域和汽車領(lǐng)域。
全液晶儀表需要掌握很多技術(shù)：嵌入式操作系統(tǒng)、汽車 CAN/LIN 總線、OpenGL 3D 渲染技術(shù)。傳統(tǒng)儀表的單片機(jī)是不需要一個(gè)完整的操作系統(tǒng)的，它只負(fù)責(zé) CAN/LIN 總線的數(shù)據(jù)交互，鑒于單片機(jī)的運(yùn)算能力比較低，OpenGL 3D 渲染技術(shù)也是無法實(shí)現(xiàn)的。
全液晶儀表上所呈現(xiàn)的每一個(gè)像素，都是由 OpenGL 引擎實(shí)時(shí)渲染出來---盡管最終畫面是 2D 的?？梢哉f，高端嵌入式領(lǐng)域本身就是一個(gè)技術(shù)含量很高的領(lǐng)域，開發(fā)一個(gè)完整、安全的嵌入式操作系統(tǒng)是一個(gè)難度很高的任務(wù)。
而汽車領(lǐng)域?qū)﹄娮赢a(chǎn)品的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性等要求極其嚴(yán)苛，其對(duì)產(chǎn)品的測(cè)試、生產(chǎn)、質(zhì)檢流程也是傳統(tǒng)消費(fèi)級(jí)電子制造商所不敢想象的。
比如說環(huán)境溫度，汽車級(jí)電子產(chǎn)品要求環(huán)境溫度在-40℃~85℃之間都能很好地工作，而消費(fèi)級(jí)的 LCD 屏幕，大約-20℃就罷工了。
我親眼見過后裝車載導(dǎo)航的屏幕在陽光下暴曬一小時(shí)后屏幕變白，要開著空調(diào)吹 20 分鐘后才能恢復(fù)正常---相信這塊屏是工業(yè)級(jí)、甚至有可能是消費(fèi)級(jí)的。
再比如說系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，不能有遲滯、死機(jī)等異常，那么采用什么樣的系統(tǒng)架構(gòu)、中間件、3D 引擎才是合理、安全呢？
在業(yè)內(nèi)，有兩個(gè)規(guī)范 CMMI 3 和 TS-16949，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)本身就是很嚴(yán)格的，如果不遵循著兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)做，很可能會(huì)面臨一些不可預(yù)知的產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)。完全跟著這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)走的話，會(huì)讓公司為流程付出巨大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，得到的將會(huì)是一個(gè)穩(wěn)定、可信的產(chǎn)品。
不少消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)公司在進(jìn)入汽車電子領(lǐng)域前，天真地認(rèn)為「應(yīng)該和以前差不多」，在深入研發(fā)、測(cè)試、量產(chǎn)后才發(fā)覺，汽車電子產(chǎn)品與消費(fèi)電子產(chǎn)品有太大的差異。
在當(dāng)前的業(yè)界，傳統(tǒng)儀表廠商所掌握的技術(shù)不足以完全掌控全液晶儀表，而傳統(tǒng)嵌入式領(lǐng)域的廠商卻又沒有太多的汽車工業(yè)知識(shí)。以上這些條件結(jié)合在一起，整個(gè)產(chǎn)品就變成了一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程。
說到安全問題，汽車在行駛過程中，液晶儀表會(huì)會(huì)怎么來保證穩(wěn)定安全？如出現(xiàn)故障，會(huì)有怎樣的預(yù)防措施保證行駛安全？環(huán)境適應(yīng)性 (如低溫) 及響應(yīng)時(shí)間問題如何解決？
系統(tǒng)的穩(wěn)定性由兩方面決定：硬件、軟件。
硬件上，從設(shè)計(jì)伊始，就要考慮散熱、振動(dòng)、高低溫、電磁干擾等因素。同時(shí)，所有的來料都必須是汽車級(jí)的，這個(gè)級(jí)別的材料比我們?nèi)粘Ｋ姷南M(fèi)級(jí)材料貴 2-5 倍，但是對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性更為強(qiáng)悍。
汽車在夏天長時(shí)間暴曬后，駕駛艙溫度很可能達(dá)到 60℃甚至更高。工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是散熱的第一重保障，良好的結(jié)構(gòu)能保證系統(tǒng)得到最大程度的散熱。我們?cè)诟鱾€(gè)項(xiàng)目實(shí)施的過程中積累了很多結(jié)構(gòu)上散熱的經(jīng)驗(yàn)。通過專業(yè)的模擬軟件，對(duì)系統(tǒng)做熱分析，并針對(duì)熱分析的結(jié)果設(shè)計(jì)相應(yīng)的散熱方案。
注意：這里所說的「結(jié)構(gòu)」不僅是外殼類結(jié)構(gòu)，還包括 PCB 板上元器件的擺放位置。應(yīng)用了這種從根源處散熱的產(chǎn)品，才能真正應(yīng)付各種高溫環(huán)境。
另外，車規(guī)級(jí)的元器件、液晶屏這時(shí)候是最發(fā)揮功力的，長時(shí)間的高溫對(duì)于車規(guī)級(jí)物料來說不是事。剛才我提到的某后裝導(dǎo)航屏幕白屏的問題，在車規(guī)級(jí)液晶屏上是見不到的。
有個(gè)定律：CPU 的發(fā)熱量與時(shí)鐘頻率大約成正比。因此，在系統(tǒng)軟件上，我們的液晶儀表自動(dòng)根據(jù)負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整 CPU 的頻率，讓 CPU 在不影響用戶體驗(yàn)的情況下以最低的發(fā)熱量運(yùn)轉(zhuǎn)。在 Linux 系統(tǒng)中，這樣的技術(shù)叫做 DVFS（Dynamic voltage and frequency scaling），即「動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整」。
比如說：在汽車未點(diǎn)火的時(shí)候，儀表的指針不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)候系統(tǒng)的負(fù)載很小，CPU 可以工作在 200MHZ 的頻率下，而汽車一旦發(fā)動(dòng)，CPU 可以在 10-20 個(gè)毫秒的時(shí)間內(nèi)快速切換到 400MHz 甚至更高的頻率，以保證系統(tǒng)的流暢度。
除了來料，加工環(huán)節(jié)也與消費(fèi)類電子有不小的差異，因?yàn)楣に嚿系男┰S差異很可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的穩(wěn)定性變差。以液晶屏為例，消費(fèi)級(jí)的液晶屏無需考慮高低溫環(huán)境，而車規(guī)級(jí)的液晶屏需要考慮-40℃~85℃的工況，低溫時(shí)不能出現(xiàn)殘影、響應(yīng)遲緩，高溫時(shí)不能白屏。
在軟件上，選用一個(gè)足夠安全、穩(wěn)定的操作系統(tǒng)非常重要。在這里不得不提一下 AGL（Automotive Grade Linux）這個(gè)組織，它是由 Linux 基金會(huì)發(fā)起，匯集了全球各大知名企業(yè)，旨在提供一個(gè)「汽車級(jí)」的 Linux 安全規(guī)范。
我們知道，Linux 世界里有成千上萬種你想得到或者想不到的各種程序、組件，但是 AGL 并不允許所有的組件進(jìn)入汽車領(lǐng)域。也就是說，一個(gè)對(duì)于電腦「可用的」軟件，未經(jīng) AGL 認(rèn)證的情況下，是不允許進(jìn)入汽車級(jí) Linux 系統(tǒng)的。AGL 界定了「足夠安全的」各種組件，并在產(chǎn)品中只允許這些經(jīng)過重重驗(yàn)證的組件，這樣就在最根源處保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全。
我們作為 AGL 成員，使用了汽車級(jí)的 Linux 作為核心，以此作為系統(tǒng)安全穩(wěn)定的保障。另外，在軟件研發(fā)的過程中，我們遵循了 CMMI 3 規(guī)范。為了應(yīng)對(duì)各種極小概率事件，我們?cè)敢飧冻龈嗟木εc資源，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
以上所述其實(shí)不是什么秘密，但是知易行難，只有在研發(fā)、量產(chǎn)的過程中摸爬滾打過才能知道怎樣把這幾點(diǎn)真正實(shí)施到每個(gè)細(xì)節(jié)中。
快速響應(yīng)一般是指儀表能在極短的時(shí)間內(nèi)（毫秒級(jí)）將整車的狀況反映到儀表上。
Android 手機(jī)是一個(gè)基于 Linux 的操作系統(tǒng)，由于各種原因，Android 手機(jī)冷啟動(dòng)的時(shí)間大約是 30-50 秒，這么長的時(shí)間對(duì)于儀表來說是個(gè)噩夢(mèng)。主機(jī)廠對(duì)儀表的冷啟動(dòng)時(shí)間要求是 2 秒，我們基于 Linux 做了深度優(yōu)化，將冷啟動(dòng)時(shí)間縮短到了 1.6 秒以內(nèi)。
我們所說的 1.6 秒，并不是用一個(gè) Linux Frame Buffer 的靜態(tài) Logo 圖片來做視覺欺騙，而是將 3D 渲染的界面完整地呈現(xiàn)出來。雖然 0.4 秒的差距，普通人很難發(fā)現(xiàn)出其中的差別。但有一個(gè)現(xiàn)實(shí)狀況：汽車從點(diǎn)火的瞬間就開始發(fā)送 CAN/LIN 信號(hào)，某些汽車的某些 CAN 信號(hào)，只在點(diǎn)火后 1-2 秒發(fā)送，如果儀表啟動(dòng)時(shí)間過長，會(huì)導(dǎo)致這些信號(hào)有機(jī)會(huì)丟失。
從操作系統(tǒng)的角度看，一般稱之為「實(shí)時(shí)性」。傳統(tǒng)的 Linux 的實(shí)時(shí)性不是很好，這也是眾多需要 RTOS 的平臺(tái)不選擇 Linux 的主要原因。但是隨著時(shí)間的推移，偉大的 Linux Kernel 也把 RTOS 的特性加進(jìn)來了。
我們從兩個(gè)層面來提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性：內(nèi)核層、應(yīng)用層。得益于這兩個(gè)層面的提升，我們的儀表響應(yīng)速度比傳統(tǒng)儀表更勝一籌。死機(jī)等問題的應(yīng)對(duì)是一個(gè)很大的話題，也是業(yè)界關(guān)心的問題。死機(jī)分系統(tǒng)級(jí)死機(jī)和應(yīng)用級(jí)死機(jī)。前面提到的 AGL，是應(yīng)對(duì)系統(tǒng)級(jí)死機(jī)的方案之一。
同時(shí)，各種心跳機(jī)制、看門狗機(jī)制，可以應(yīng)對(duì)各種小概率事件。從設(shè)計(jì)及實(shí)施上去預(yù)防，是更重要的解決辦法。前面提到的 CMMI 3、系統(tǒng)測(cè)試，都是行之有效的預(yù)防手段。如果從用戶的角度出發(fā)，萬一發(fā)生了死機(jī)，系統(tǒng)會(huì)偵測(cè)到并在 2 秒內(nèi)重新完成 HMI 加載。
最后提一下我們的 JetCast 協(xié)議。JetCast 所支持的是 WiFi 連接、AVB、LVDS、車用以太網(wǎng)等各種汽車級(jí)多媒體總線連接方式。目前實(shí)現(xiàn)的是基于 WiFi 的連接。JetCast 是一種全新的流媒體傳輸協(xié)議，不是 AirPlay，也不是 Miracast。Airplay、Miracast 都只是單向的傳輸，JetCast 是雙向傳輸。
我見到的眾多駕駛者似乎都有這么一個(gè)習(xí)慣（包括我自己）：不愛使用車載導(dǎo)航，更愿意使用手機(jī)導(dǎo)航。
手機(jī)導(dǎo)航有幾個(gè)好處：可以有實(shí)時(shí)路況、升級(jí)更方便。所以，大家都花了各種心思，設(shè)法把手機(jī)固定在車上的某個(gè)位置，以方便駕駛時(shí)觀看?？墒?，問題來了，萬一駕駛途中有電話來了，盡管可以用藍(lán)牙來通話，但是導(dǎo)航界面就被切換到后臺(tái)了，需要手動(dòng)切換回來。
另一方面，液晶儀表這么大一塊屏幕，又處于最易于觀察的位置，如果能將手機(jī)導(dǎo)航的畫面?zhèn)鬏數(shù)揭壕x表上，那這件事就完美了：有實(shí)時(shí)路況、升級(jí)方便、無需設(shè)法固定手機(jī)。
液晶儀表與手機(jī)連接建立以后，手機(jī)以流媒體的形式將導(dǎo)航畫面?zhèn)鬏斀o儀表，在傳輸圖片的過程中，手機(jī)處于完全解放狀態(tài)：可以把手機(jī)屏幕關(guān)掉，可以打電話，甚至打游戲（駕駛員行車時(shí)可不能這么干）。
這種將手機(jī)導(dǎo)航投射到儀表的技術(shù)，目前眾多德系車廠實(shí)現(xiàn)的只是將車載導(dǎo)航畫面投射到儀表，并沒有實(shí)現(xiàn)手機(jī)投射的功能。
問：目前液晶儀表會(huì)開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用嗎？
陳云峰：儀表是安全件，所有的應(yīng)用應(yīng)該由專業(yè)開發(fā)商來開發(fā)，不會(huì)隨意開放應(yīng)用接口。不管從哪個(gè)角度出發(fā)，app 之類的東西，還是由中控來玩比較好。
總有人問我：你們的儀表如果能放電影就好了。我的回答是：我們的儀表的確可以播放高清電影，但是我不會(huì)做，因?yàn)殚_車的時(shí)候看電影是一件極其不安全的事。
問：汽車級(jí) Linux 會(huì)對(duì)汽車行業(yè)產(chǎn)生多大的影響？
陳云峰：Linux 是一個(gè)開放的系統(tǒng)，開放性的同時(shí)會(huì)帶來不安全性。AGL 之所以成立，就是基于這個(gè)原因而成立--提供一個(gè)開放的、安全的、穩(wěn)定的系統(tǒng)，并建立比消費(fèi)級(jí) Linux 更嚴(yán)格的準(zhǔn)入門檻。
相信在不久的將來，AGL 將會(huì)助力 Linux 在儀表業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
問：車規(guī)級(jí) Android 現(xiàn)在比較火，也出現(xiàn)了幾個(gè)案例通過車廠客戶測(cè)試，車規(guī)級(jí) Android 儀表的前景及問題？
陳云峰：Android 很棒，但是也有缺點(diǎn)——需要 40 秒來冷啟動(dòng)，這個(gè)對(duì)于儀表來說是不可忍受的。所以，儀表上暫時(shí)見不到 Android 的生存空間。
而中控領(lǐng)域，Android 做中控的方案已經(jīng)在后裝市場(chǎng)逐漸出現(xiàn)。如果 Google 能建立一個(gè)類似于 AGL 的分支，為車載提供啟動(dòng)速度更快、組件都經(jīng)過驗(yàn)證的 Android，相信它也能在中控領(lǐng)域大施拳腳。
*部分圖片來自網(wǎng)絡(luò)
PS：如果你對(duì)這個(gè)話題有興趣，并想做更深入的了解，歡迎掃描下方二維碼，友衷科技技術(shù)總監(jiān)陳云峰將與你做更多討論。
雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見轉(zhuǎn)載須知。
專題
