智能座舱域控之硬件系统

01 简  介

所谓智能座舱域控制器（Smart Cockpit Domain Controller，后文用CDC指代）是在以前车载娱乐系统（IVI）的基础上整合了多个独立的控制单元（如Cluster），并集成了更多的智能化的功能（如DMS），使车内功能和用户体验变得越来越丰富，同时变的更复杂。

座舱域控制器的主要功能：

1. 信息娱乐系统：

即原来的IVI的功能。

2. 行车电脑数据显示：

实现数字仪表盘的显示内容，如速度、里程、油量、电池状态等。

输出抬头显示（HUD）所需要的信息。

3. 空调系统：

控制车内空调系统，包括温度调节、风速控制、空气质量监测等。

实现更智能化的区域温度控制，提升乘坐舒适度。

4. 驾驶辅助系统：

集成泊车辅助功能，如倒车影像，AVM等。

随着NPU在SOC的集成，CDC也可以集成行车辅助功能，如车道偏离辅助，车道居中行驶。

5. 车内连接：

实现与智能手机、平板电脑等设备的连接和互动，支持Apple CarPlay、HUAWEI HiCar等功能。

提供Wi-Fi热点、蓝牙连接等车内网络服务。

 02 CDC主要解决方案和玩家

CDC域控供应商在和主机厂（OEM）合作的过程中，产生了多种多样的合作模式，主要包括如下三种形式：

1. 硬件+底层软件（BSP）

2. 硬件+底层软件+中间件

3. 硬件+底层软件+中间件+上层应用

表：CDC主要供应商及其方案。本调查基于2023年的车型数据和供应商销量排名情况，更新了部分基于高通8295的方案信息。

03  硬件系统框图简图

CDC的硬件是服务于功能而存在的。为实现上述简介中提及的功能，目前CDC硬件主要包含SOC、MCU、Display系统、Camera系统、Audio系统、导航系统、以太网、车内通讯等等。

以QAM8295为例，框图简图如下：

04  构成介绍

毋庸置疑，SOC是CDC最最最重要的元器件，它决定了CDC的性能和功能，还影响其可靠性、安全性和未来扩展能力。CDC硬件首先需要确定的就是SOC，一旦SOC型号确定后，基于SOC供应商提供的原型（prototype），SOC周边的元器件，如RAM等也就差不多确定了，本文重点介绍在CDC中需要基于features确定的硬件系统构成。

（一）SOC

全称SystemOnChip, 即单片系统，集成了包括处理器、存储器和其他部件在内的较完整信息处理系统的半导体芯片。

SOC选型需要考虑多个关键因素：

1. 处理性能

在决定SOC选型时，算力是否能支撑规划的feature的实现是最主要的考虑因素，需要进行业务-算力资源分析，基于worst case确定最低的算力要求。

CPU性能：选择具备足够通用处理能力（DMIPS）的SOC，确保可以支撑座舱所有功能的实现。

NPU性能：如果CDC需要处理语音、图像（如DMS功能）等，需要根据算法要求考虑NPU算力（TOPS）

2. 图形处理

GPU性能：评估GPU（图形处理单元）的性能，确保能够支持高分辨率显示、3D图形渲染和流畅的用户界面。

多显示屏支持：考察SoC能够支持的显示屏数量（同时需要考虑搭载屏幕的最大分辨率），包括主仪表盘、抬头显示（HUD）和信息娱乐显示屏。

多个功能显示区域和HMI交互：需要了解video pipeline，评估UX交互的最大能力。

3. 内存和存储

RAM容量：考察需要的RAM容量，以支持高性能应用和复杂软件运行。

存储接口：考察SoC支持的存储接口（如eMMC、UFS等），确保具有足够的存储带宽和容量。

4. 连接性

接口类型：考察SoC提供的接口类型，包括USB、Ethernet，DisplayPort，CSI，GPIO，SPI等，以满足各种外部设备和系统的连接需求。

网络连接：评估SoC是否支持必要的网络连接功能，如Wi-Fi、蓝牙和V2X通信。

5. 功耗和散热

功耗管理：考察SoC的功耗，确定散热类型，评估是否能满足布置要求。

6. 软件支持

操作系统兼容性：考察SOC支持的操作系统（如Linux、QNX、Android等），确保软件开发和集成的顺利进行。在决定操作系统时，需要考虑CDC APP生态多样性。

OTA升级支持：确保SoC支持OTA（Over-the-Air）更新，以便于未来的软件升级和功能扩展。

快速启动：选择支持快速启动的SoC，确保用户上车的体验。

7. 安全性

功能安全：根据CDC集成功能的功能安全等级，选择符合汽车功能安全标准（如ISO 26262）的SoC，确保系统的安全性和可靠性。

网络安全：评估SoC的网络安全功能，包括硬件加密、安全启动和安全存储，以防止黑客攻击和数据泄露。

8. 可靠性和长期供应

环境耐受性：选择能够在广泛温度范围和恶劣环境条件下可靠运行的SoC，即车规级芯片。

供应链稳定性：评估SoC供应商的长期供应能力，确保能够持续获得所需芯片，避免供应中断。

9. 成本和性价比

采购成本：综合考虑SoC的采购成本，确保在预算范围内选择最佳方案。

整体性价比：评估SoC的整体性价比，包括性能、功能、安全性和可靠性，以做出最优选择。

通过综合考虑这些因素，可以选择最适合的SoC，用于座舱域控制器的设计和开发，确保其在性能、功能、安全性和成本等各方面达到最佳平衡。

例：QAM8295P的一些参数

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

全称Microcontroller Unit，它提供与车内其他ECU之间接口的作用，所以也叫VIP，Vehicle Interface Processor

MCU选型需要考虑多个关键因素，以确保所选方案能够满足车辆的功能需求、性能要求和未来扩展的可能性。

1. 功能需求

集成能力：确定CDC需要集成哪些功能，如信息娱乐系统、仪表盘显示、空调系统、驾驶辅助系统等，确定上述能力的实现方案和功能分配。简单来说需要确定哪些是由SOC实现，哪些是MCU实现。

2. 性能要求

处理能力：考察MCU的处理器性能，确保其能够处理所有必要的功能和数据流。

Memory：评估内存和存储容量，以支持复杂的软件和数据存储需求。

实时性能：确保CDC具备实时处理能力，以满足驾驶辅助和安全系统的要求。

3. 可靠性和安全性

系统稳定性：评估MCU在各种工作条件下的稳定性，确保其能在不同环境中可靠运行。

功能安全等级：对于有功能安全等级要求CDC，需要考虑MCU需要满足的ASIL等级

4. 兼容性和标准

接口和协议：确保MCU支持必要的接口、接口数量和通信协议（如CAN、LIN、Ethernet等），满足车辆EE架构的需求。

操作系统：选择支持汽车行业标准化操作系统（如autosar）的MCU。

5. 供应商选择

供应商信誉：评估供应商的市场声誉和历史表现，选择有经验和可靠的供应商。

支持和服务：考虑供应商提供的售后支持和服务，包括技术支持、培训和维护服务。

成本和性价比：综合评估MCU的采购成本和生命周期成本，选择性价比高的方案。

6. 未来扩展性

硬件扩展：确保MCU具有硬件扩展能力，以适应未来可能增加的功能需求。

表：基于自动辅助驾驶功能的功能安全角度评估MCU对标数据。

（三） DSP和音频输入输出

系统方案

考虑到部分audio产品可以在多个软件系统实现，对于音频系统的规划和选型，首先要确定产品分配方案，基于功能集合，综合考虑算力需求、延迟需求、可能的算法提供方。

*本算力评估基于ADI Shark系列（1MHz/6MFLOPS）进行的评估。同一种算法在不同的DSP上算力数字会有不同。

A2B bus目前是Audio系统内部/外部常用的传输方式，在确定功能分配方案后，需要形成audio routing，支撑DSP选型，A2B Transceiver数量、外部A2B总线数量和SOC与DSP之间A2B&SPI总线数量确定等。

随着汽车涉及audio的功能越来越多、功能越来越强大，CDC需要连接的麦克风也越来越多，有些车型会达到12个之多，这就需要计算每个A2B总线的带宽，确定每个A2B节点供电和“Bus Activity”是否能达到要求。

如果涉及多个外部A2B总线的输入输出，需要合理分配每个节点，基本思想是1）相同功能的节点在一个总线上；2）当任一节点异常时，能最大化的保留更多功能。

DSP选型

因为A2B总线的关系，ADI的DSP是市场占有率比较高的，其他的可选供应商包括AKM等。

当然也可以考虑使用SOC内置的dsp，但是部分模块会收License费用。

图：Qualcomm对高级音频处理模块的费用

DSP选型需要考虑的因素包括：

1. 处理能力

计算性能：评估DSP的处理能力，尤其是在处理音频和视频信号时的性能表现。

2. 接口和连接性

通信接口：确保DSP具备丰富的通信接口（如TDM、I2S、SPI、UART等），以便与CDC其他系统和外部设备连接。

数据吞吐量：评估DSP的数据吞吐量能力，确保其能够处理大量实时数据。

3. 音频处理

音频处理能力：选择支持高品质音频处理的DSP，满足车内音响系统、降噪和回声消除等需求（或者寻求集成第三方的音频算法）。

4. 开发工具和生态系统

开发环境：确保DSP供应商提供完备的开发工具、SDK和调试工具，以支持开发和集成过程。

生态支持：评估DSP是否有良好的生态支持，确保提供audio算法的第三方公司在选型DSP上有移植经验。

5. 供应商选择

供应商信誉：选择具有良好市场声誉和长期稳定供货能力的供应商，以确保持续的支持和供应链稳定性。

技术支持：评估供应商提供的技术支持和售后服务质量，确保在开发和维护过程中能够获得及时帮助。

6. 成本和性价比

成本效益：综合考虑DSP的采购成本和整体性价比，选择能够在性能、功能和成本方面达到最佳平衡的方案。

生命周期成本：评估DSP在整个产品生命周期内的成本，包括开发、维护和升级成本，以实现更高的经济效益。注：最好同时关注供应商的产品系列，这样后续迭代升级的产品的AUDIO方案有延续性。

（四） 视频输入输出

常见的视频传输协议有 TI FPDlink和 Maxim GMSL，它们的串形器 Serializer&解串器DESerializer一般成对出现。

串形器和解串器的选型主要需要考虑传输视频的视频码率 link Bit Rate：

假如视频分辨率为 1920 x 1080、位深为 8 bits、帧速率 60 fps 的视频，无压缩状态下的码率应为 2848 Mbps，约 2.78 Gbps。即串形器和解串器需要支持的码率最少为2.78Gbps。

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

假定传输24位色（真彩色）色彩深度的RGB图像，R、G、B各8bit，所以需要乘以系数3

不同图像格式因为表达和传输色彩方式的不同需要乘的系数不同。

需要考虑摄像头的供电方式，供电包括POC供电和独立供电2种。

（五） 其他

1. 以太网SWITCH

Switch选型需要考虑以太网速度和带宽、端口数据和类型、QoS和安全性、TSN、可靠性等技术要素，以及成本、生命周期、供应商因素（信誉、技术支持）等因素。

在硬件回路设计时，需要考虑诊断、时间同步和OTA的方案，以确定QNX、Android、VIP是否需要单独的IP地址。

2. 定位系统

定位系统包含GPS和IMU，首先确定整车是否提供GPS和IMU数据，提供的数据是否满足精度、延时、时间同步等的要求。

如果无法使用整车其他系统提供的数据，GPS定位模块需要考虑是否需要支持RTK，而IMU需要基于功能对于加速度/角速度数据需要确定选型6轴、5轴抑或更少数据的元器件。

3. 总线Transceivers & USB

CDC需要搭载的总线类型主要取决于整车EE拓扑，并基于客户硬件DPR考虑扩展性。

USB也是如此，在USB回路设计中需要考虑供电方式和相关回路设计。

05 后  记

CDC硬件设计和零件选型涉及到方方面面，是一个系统工程。根据实践经验，CDC硬件的最终方案会根据功能和系统的定义逐渐完善，而这些“完善”内容会造成每次layout的变更，产生资源浪费（特别是钱），所以经验丰富的系统架构，在A样时就提供高带宽、高灵活的方案设计以支撑硬件工程师的硬件设计工作，减少后续的变更。即解决了开发成本，也可以节省开发时间，后续我们会在《智能座舱之软件系统》中进行探讨。