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Telematics的應(yīng)用模式與系統(tǒng)設(shè)計要領(lǐng)

來源:意法半導(dǎo)體公司 作者:佚名2010年07月22日 11:30
[導(dǎo)讀]        在汽車的資訊娛樂系統(tǒng)中,過去基本的配備即是類比AM/FM音訊廣播及音樂CD的播放設(shè)備,為駕駛及乘客提供娛樂及交通狀況。隨著技術(shù)的演進(jìn),除了音
關(guān)鍵詞:Telematics

       在汽車的資訊娛樂系統(tǒng)中,過去基本的配備即是類比AM/FM音訊廣播及音樂CD的播放設(shè)備,為駕駛及乘客提供娛樂及交通狀況。隨著技術(shù)的演進(jìn),除了音訊廣播邁向數(shù)位化外,開始加入車載GPS導(dǎo)航及數(shù)位電視/DVD/VCD的播放功能,以及行動電話(GSM/GPRS)的語音通話及資訊連接功能,進(jìn)而發(fā)展出新興的Telematics應(yīng)用與服務(wù)。

這套整合系統(tǒng)能提供即時路況導(dǎo)航、指引最佳的行車路線(避開擁塞路段)、提供汽車狀況診斷、失車尋回、預(yù)約停車位、電子收費(fèi)(Electronics Toll Collection;ETC)及進(jìn)行緊急狀況呼叫等多樣性的加值服務(wù)。以下將介紹Telematics的應(yīng)用模式與系統(tǒng)設(shè)計要領(lǐng)。


Telematics新興應(yīng)用模式

對于行車駕駛來說,Telematics概念的出現(xiàn)可說是汽車發(fā)展史上的一大突破,它打破原先只是個孤島的汽車個體限制,讓具備Telematics功能的汽車能夠隨時透過GPS獲知所處的位置,并將位置資訊傳送給相關(guān)的服務(wù)供應(yīng)商,進(jìn)而能提供道路救援、失車找回等服務(wù)。目前包括裕隆的TOBE汽車行動秘書、北美GM的OnStar,以及Toyota、Honda、Nissan等日本車系都有類似的服務(wù)。

除了個別車廠的Telematics服務(wù)外,包括歐、美、日等許多國家更積極將與Telematics相關(guān)的行車緊急救難提升為全國性、甚至是跨國性的應(yīng)變系統(tǒng)。在歐盟底下由eSafety Forum所推動的eCall計畫中,預(yù)定在2009年9月以后,全部的新車都要具有eCall的配備,此配備將結(jié)合碰撞偵測、GPS和行動通訊三大功能,在第一時間自動向泛歐統(tǒng)一的緊急電話號碼112進(jìn)行通報,除了車輛地理位置之外,eCall還設(shè)定可傳送數(shù)據(jù)資料,以語音和資訊雙重管道讓112接線人員來判定合適的救援方式。

車況感測與診斷

除了道路救援、失車找回及緊急救難外,Telematics系統(tǒng)還能結(jié)合車上的各種感測系統(tǒng),為車主提供車輛性能與車況之自動偵測,例如胎壓偵測(TPMS),也能提供駕駛輔助及警示功能,如預(yù)碰撞警示或前方路況監(jiān)視;透過Telematics系統(tǒng),汽車內(nèi)的機(jī)械及電子元件運(yùn)作狀況就能遠(yuǎn)距傳回給車廠,進(jìn)而得到遠(yuǎn)端診斷(Remote Diagnosis)服務(wù);保險公司還可以依據(jù)對駕駛行為的即時或離線監(jiān)控紀(jì)錄(如飛機(jī)的汽車黑盒子)來判斷出事時該支付何種等級的保險費(fèi)用。當(dāng)然,車主也能從遠(yuǎn)端獲得輔助的行車資訊,如交通狀況資訊或車廠進(jìn)行遠(yuǎn)端診斷后的車況報告等。

電子收費(fèi)與車間通訊

Telematics的另一項(xiàng)重要應(yīng)用,即是電子收費(fèi)系統(tǒng)(Electronic Toll Collection;ETC)由于ETC有助于舒緩收費(fèi)站交通堵塞的問題,也能省下人事管理費(fèi)用及減少收費(fèi)站建設(shè)費(fèi)用,因此在許多國家已積極開始積極布建。 ETC系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),必須利用自動車輛辨識(Automatic Vehicle Indentification;AVI)技術(shù),AVI還可分為特定短距通訊技術(shù)(Dedicated Short Range Communication;DSRC)與自主式車輛定位系統(tǒng)(Vehicle Position System;VPS)兩種辨識技術(shù)。所謂的DSRC技術(shù),乃是利用裝置于路旁的定點(diǎn)通訊感應(yīng)設(shè)備,與車上單元互動進(jìn)行通訊辨識,來做收費(fèi)扣款的動作;VPS系統(tǒng)則是使用整合有車輛定位功能的車上單元,當(dāng)車輛行駛收費(fèi)道路時,向后端帳務(wù)中心回報扣款。

除了電子收費(fèi)的應(yīng)用,DSRC還可用于另一個新穎的概念,也就是車間通訊。當(dāng)車輛與車輛靠近一定距離時,兩車會自動連通,并交換鄰近的交通狀況,如塞車、事故、危險路段等資訊。此應(yīng)用的立意極佳,而且不需經(jīng)由特定的服務(wù)業(yè)者來主導(dǎo),發(fā)展重點(diǎn)在于要有相當(dāng)數(shù)量的車子具有此種通訊功能,而且不同的車種、廠牌之間要能互相通訊,才能發(fā)揮效用。

RDS-TMC

Telematics系統(tǒng)中,除了應(yīng)用行動通訊網(wǎng)路(GSM、GPRS或3G)來從服務(wù)供應(yīng)商處得到交通、旅館、娛樂、氣象、訂票等資訊外,也可以透過一般的收音廣播方式來得到此類服務(wù)。目前最有名的是歐洲TMC(Traffic Message Channel)聯(lián)盟所推動的數(shù)位路況廣播系統(tǒng)(Radio Navigation System)。在此系統(tǒng)架構(gòu)中,汽車駕駛能夠自行設(shè)定接收RDS(Radio Data System)副載波的頻率,再透過TMC-enabled的導(dǎo)航系統(tǒng)提供駕駛動態(tài)路經(jīng)指引。此外,TMC也能與數(shù)位廣播(DAB)或行動網(wǎng)路結(jié)合,因此極具發(fā)展性。目前歐洲已有包括德國、法國、英國、匈牙利、西班牙、奧地利與荷蘭等國家提供此服務(wù),未來將增加至20個國家以上。


系統(tǒng)架構(gòu)剖析

Telematics是結(jié)合GPS、通訊、資訊、車內(nèi)匯流排協(xié)定(CAN/LIN/MOST)、車載視聽娛樂裝置的一套系統(tǒng),而且還必須倚賴行動通訊網(wǎng)路、客服中心、資訊服務(wù)提供者(Telematics Service Providers ; TSP)、應(yīng)用軟體及其他相關(guān)元件的協(xié)力運(yùn)作,才能進(jìn)行兩大資訊(汽車資訊與車外資訊)之單向或雙向接收與傳送。其系統(tǒng)架構(gòu)中必須包括以下單元:

中央控制器

Telematics車載機(jī)的主控制器/處理器為運(yùn)算及控制的核心,整個控制器具有強(qiáng)化外殼且符合車用規(guī)范(-40℃~+85℃或105℃、防震、防摔、高穩(wěn)定性)。隨著工作負(fù)載的不斷增加,此類主控制器/處理器的需求規(guī)格不斷提升,從16位元MCU逐步提升到32位元MCU,甚至采用高整合度的SoC應(yīng)用處理器;在處理器核心方面,大致上又可分為采用ARM7及ARM9兩種等級,下一代的高階產(chǎn)品將會搭配更強(qiáng)大的ARM11核心,并采用先進(jìn)的65奈米制程。

通訊模組

Telematics車載機(jī)的主控制器/處理器必須透過UART等介面來連結(jié)各種無線技術(shù)模組,除了藍(lán)牙、2G/2.5G/3G、DSRC等無線雙向的通訊技術(shù)外,還包括GPS、Radio RDS、 Satellite Radio、DVB-T/DVB-H/T-DMB等單向接收的無線技術(shù)。這些技術(shù)都具有天線、射頻和基頻三大基本組成單元。

平面顯示與人機(jī)介面

平面顯示可分為前座與后座系統(tǒng)之平面液晶顯示器,前者可顯示中央控制臺提供的汽車內(nèi)外資訊,后者則可為共乘者提供各式娛樂影視畫面。在操作上需提供簡易、友善之人機(jī)介面軟硬體技術(shù),如面板控制、紅外線遙控、語音啟動、觸碰式螢?zāi)弧?br>
車內(nèi)溝通

利用Telematics System與整個汽車系統(tǒng)(Vehicle Systems)溝通,并藉由多媒體系統(tǒng)傳達(dá)使用者各種警示及提醒的車內(nèi)訊息。例如緊急呼叫裝置(SOS Button)即是內(nèi)建于中央控制器或是室內(nèi)車頂燈的緊急呼叫按鈕與服務(wù)呼叫按鈕。


《圖一 Telematics系統(tǒng)架構(gòu)圖》


GPS系統(tǒng)設(shè)計要領(lǐng)

在Telematics系統(tǒng)中,GPS接收器已是不可或缺的一個核心。評斷GPS效能的指標(biāo)主要有四項(xiàng),分別是:第一次定位時間(Time to first fix;TTFF)、準(zhǔn)確性(Position accuracy)、靈敏度(Sensitivity)及通道數(shù)量(channel number)。其中最被重視的指標(biāo)為TTFF,在毫無衛(wèi)星資料的冷啟動狀況下,目前市場上多數(shù)GPS接收器的首次定位時間至少需要35~38秒,若遇到收訊不良的環(huán)境,更動輒需要一分鐘以上的時間。

GPS接收器包括射頻(RF)及數(shù)位基頻兩大部分,更仔細(xì)地來看,它是由RF前端、GPS引擎、處理器(通常為ARM7)、記憶體(ROM/RAM)和即時時脈(RTC)IC等單元所組成;其外部還有被動或主動天線,以及搭配溫度補(bǔ)償型振蕩器(TCXO);如果有特殊的應(yīng)用需求,還得使用到外部的Flash EPROM或Serial EEPROM等記憶體。

這些單元可以采離散式(discrete)的作法來提高設(shè)計上的彈性,也能采整合式的策略,即將多個單元整合為一顆系統(tǒng)單晶片(SoC)、單封裝(SiP)或模組,以降低設(shè)計的難度及成本。以ST的Cartesio系統(tǒng)單晶片為例,它將基頻與射頻功能整合于小型的QFN-68封裝之中。它在基頻部分采用ARM7TDMI為核心,時脈可高達(dá)66MHz;在射頻部分為主動天線系統(tǒng),含有易與被動天線連接的介面;此外,它還內(nèi)建ROM及SRAM記憶體。由于只需要用到少數(shù)的外部元件,因此能降低總體物料(BOM)成本;其小尺寸能讓產(chǎn)品設(shè)計更為輕薄短小,而且具有低功耗的優(yōu)勢;不僅如此,此類整合性產(chǎn)品也讓工程師省下調(diào)校射頻與基頻整合的研究心力,能加速產(chǎn)品上市時間。


《圖二 整合GPS功能的汽車用應(yīng)用處理器架構(gòu)圖》


此外,在系統(tǒng)設(shè)計上還有一些需注意的要領(lǐng),包括功耗的降低和雜訊、干擾的抑制。以GPS接收器來說,相關(guān)器的運(yùn)作是產(chǎn)生功耗的主要來源,因此最好能分別控制每個相關(guān)器通道,也就是當(dāng)不需要啟動所有通道的時候,系統(tǒng)能自動調(diào)整為僅啟動所需的相關(guān)器通道,以降低功耗。此外,透過備用電池的使用,能將電源電壓降低,這也有助于節(jié)省功耗。

從高頻轉(zhuǎn)低頻的過程,是雜訊產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié),在此過程中必須妥善抑制雜訊的產(chǎn)生,例如將SAMP CLK的訊號諧波降到最小,以免混雜在中頻(IF)鏈路當(dāng)中,這可透過在射頻前端與相關(guān)器之間配置適當(dāng)?shù)碾娮杵鱽磉_(dá)成抑制的目標(biāo)。此外,各單元在電路上的布局和布線,也會影響干擾的狀況,因此需要進(jìn)行妥善的規(guī)劃。


其他設(shè)計議題

多媒體系統(tǒng)

在車載多媒體系統(tǒng)的設(shè)計上,需要采用更為先進(jìn)的處理架構(gòu)來滿足復(fù)雜的影音應(yīng)用功能。除了主處理器核心外,特殊的硬體設(shè)計是有必要的,例如透過視訊加速器、音訊加速器、2D/3D繪圖加速器、Java加速器、加速功能硬體(Acceleration hardware)等專屬硬體來分散處理資源,并加速完成工作。

汽車的多媒體系統(tǒng)還是以音訊為主體,而今日的汽車音訊次系統(tǒng)必須支援多種音訊標(biāo)準(zhǔn),如MP3、AAC、AAC+、WMA、Midi合成,以及高階多通道音訊,如MP3Pro、MWA、DTS-ES、 AAC、Dolby Digital-EX等,還得提供雜訊抑制、回聲消除、立體聲強(qiáng)化與環(huán)繞音效等功能。此外,強(qiáng)化的3D繪圖加速器,可用于地圖繪制和人機(jī)介面的顯示功能。

在車用音訊廣播方面,目前全球存在多種類比與數(shù)位的規(guī)格,類比方面包括既有的AM及FM頻道,以及美國的天氣頻道(weather band)。類比音訊廣播仍是今日車載廣播的主流應(yīng)用,核心架構(gòu)包括AM/FM接收器及播放機(jī)制、驅(qū)動多個喇叭的音訊功率放大器,其中接收器又包括RF的解調(diào)器(tuner)及訊號處理的音訊處理器。

數(shù)位音訊廣播又可分為地面廣播,包括DAB/DMB、Digital Radio Mondiale(DRM)、HD Radio,以及衛(wèi)星廣播,包括XM Radio、Sirius和WorldSpace。其中數(shù)位音訊廣播讓基地臺能更有效的利用頻譜、接收性能也能提升,也更容易使用,而且除了聲音的傳送外,它也能同時傳送影像與數(shù)據(jù)服務(wù),因此已是汽車娛樂的重要應(yīng)用趨勢。

在技術(shù)上,數(shù)位音訊廣播將高頻類比訊號轉(zhuǎn)為中頻后,再轉(zhuǎn)為數(shù)位訊號,透過數(shù)位訊號處理(DSP)技術(shù),包括聲調(diào)(tone)、音量、漸大漸小和平衡,以及聲音的參數(shù)性等化等音訊效果都能進(jìn)行數(shù)位化的處理,可有效改善接收穩(wěn)定性及音訊品質(zhì)。


《圖三 數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖》


CAN總線協(xié)議

車機(jī)Telematics系統(tǒng)與PND等獨(dú)立型設(shè)備的最大的差異之一,就是Telematics系統(tǒng)往往必須支援車內(nèi)通訊協(xié)定。目前常見或發(fā)展中的車內(nèi)通訊協(xié)定包括CAN、LIN、MOST、FlexRay、byteflight、In vehicle等等,對Telematics來說,CAN協(xié)定最為重要。 CAN具有極佳的容錯能力,能夠長時間在惡劣的溫度、壓力及粉塵環(huán)境下以高安全等級來支援分散式、關(guān)鍵性的即時控制,而且具備低成本和易建置的特色,因此廣泛被車輛制造業(yè)所采用。


《圖四 不同通訊協(xié)議技術(shù)的速度及應(yīng)用定位》


CAN在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用很廣,其高速CAN協(xié)定常被用于汽車動力或傳動機(jī)構(gòu)控制單元,例如汽車發(fā)動機(jī)控制單元、自動變速器控制單元、ABS控制單元、安全氣囊控制單元等;低速CAN則使用于車身系統(tǒng),例如車門上的集控鎖、車窗、行李箱鎖、后視鏡及車內(nèi)頂燈。在具備遙控功能的情況下,CAN控制器還能對遙控信號進(jìn)行接收處理,或控制其他防盜系統(tǒng)。

當(dāng)Telematics系統(tǒng)透過CAN匯流排獲得關(guān)于車身、汽車動力/傳動等性能資訊,就能發(fā)展出許多加值性的新興應(yīng)用,如駕駛輔助/警示資訊、遠(yuǎn)端診斷、緊急救援等。不過,由于各車廠掌握有自己的一套協(xié)定規(guī)范作法,因此這類的應(yīng)用開發(fā)必須和車廠密切配合才能做得出來。

汽車等級標(biāo)準(zhǔn)

一臺汽車是由許許多的零組件所組成,這些零組件雖然有大有小,但由汽車的行駛與生命安全息息相關(guān),每個零組件都被要求能達(dá)到最高的品質(zhì)與可靠性。因此汽車電子設(shè)備開發(fā)的另一重要特色,就是需要滿足嚴(yán)苛的汽車等級(Automotive Grade)認(rèn)證,甚至需做到零缺陷(Zero Defect)的理想境界。對于汽車零組件而言,產(chǎn)品的最大推動力往往不是「先進(jìn)技術(shù)」,而是「品質(zhì)水準(zhǔn)」。 Telematics系統(tǒng)雖然與行車安全并沒有直接的關(guān)聯(lián)性,但目前仍受到汽車等級認(rèn)證的嚴(yán)格要求,這是消費(fèi)性電子廠商很難跨越的瓶頸。

目前汽車產(chǎn)業(yè)中已發(fā)展出幾個重要的品質(zhì)管理系統(tǒng)與相關(guān)規(guī)范,包括由汽車電子設(shè)備委員會(Automotive Electronics Council;AEC)所提出的各項(xiàng)規(guī)范,以及QS-9000和TS 16949等。此外,元件供應(yīng)商也會基于這些規(guī)范提出自己的一套管控作法,如ST的汽車等級認(rèn)證(Automotive Grade Qualification),除了滿足AEC及品質(zhì)管理系統(tǒng)規(guī)范外,ST還發(fā)展出一些嚴(yán)格管控的作法,例如在制程中采用特殊的篩選(screening)和測試方法,以及專屬的高可靠性認(rèn)證流程(High Reliability Certified Flow; HRCF)測試程式。


《圖五 汽車產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)歷史》


結(jié)語

對于汽車市場來說,Telematics雖然已討論多時,但真正快速成長還需要一些時間。這一方面和汽車電子的設(shè)計時程較長有關(guān),另一方面則是Telematics需要一整套的基礎(chǔ)架構(gòu)來配合才行得通。不過,Telematics起飛的時間點(diǎn)已經(jīng)近了,隨著相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)的成熟與成本下降,車機(jī)Telematics的安裝門檻已大幅下降。而且車主對于LBS、防盜、緊急救援等需求非常明顯,加上各國政府已明確訂定與緊急救援相關(guān)的時間表,預(yù)估2009年至2010年間,將可看到Telematics的大量采用。
就生產(chǎn)商機(jī)來說,Telematics系統(tǒng)必須整合GPS定位與影音多媒體技術(shù)。目前臺灣可說是GPS相關(guān)設(shè)備(尤其是PND)的設(shè)計制造重鎮(zhèn),但要打進(jìn)汽車內(nèi)裝市場,仍欠缺汽車等級認(rèn)證、CAN協(xié)定建置與車載收音廣播等條件。此外,臺灣設(shè)備廠商習(xí)慣以消費(fèi)性市場的模式來思考,這和生命周期極長的汽車市場是有很大差異的。因此,透過與長期投入汽車零組件設(shè)計的元件廠商合作,能夠更快地打進(jìn)這個市場。

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