＜span class=“js_title_inner“＞智能座舱系统设计4——传感器与执行器＜/span＞

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作者| 木白

出品| 汽车电子与软件

目录

第一章：传感器

1.视觉传感器

2.音频传感器

3.触摸传感器

4.雷达传感器

5.惯性传感器

6.位置传感器

7.温度传感器

第二章：执行器

1.视觉执行器

2.音频执行器

3.车控执行器

4.充电执行器

书接上期，上期讨论了智能座舱的核心控制器的系统设计，本期来交流传感器和执行器部分的系统设计。

第一章：传感器

智能座舱的传感器分为下面几个类别：视觉传感器、音频传感器、触摸传感器、雷达传感器、惯性传感器、位置传感器、温度传感器等等。

1. 视觉传感器

• 摄像头系统框图

• 摄像头系统设计规格举例

• 摄像头系统诊断设计

• 初始化阶段诊断：针对摄像头自诊断功能无法启用的场景，其启动工作状态的判定需由解串器通过检测Lock信号实现，以此确认摄像头是否正常启动。

• 初始化完成后诊断：摄像头完成初始化后，需开展多维度诊断工作，具体包括：摄像头LVDS信号数据链路诊断、摄像头供电电源诊断、以及与摄像头之间的I2C通信链路诊断。

• 摄像头系统热插拔设计

• 实际应用中，物理中断、EMC干扰等因素可能导致信号中断，因此需在控制器端支持摄像头重启功能，即实现热插拔机制。

• 串行器通过寄存器配置方式建立信道，控制器端需对信道建立状态进行判定；若信道建立过程中出现异常导致建立失败，控制器端应能触发重新配置流程；经多次配置仍无信号时，判定为故障，需对摄像头重新上电并执行初始化配置。

• 摄像头上电后，需等待其内部芯片完成初始化（该过程约需800ms），方可接收I2C配置指令。

• 为避免摄像头内部时序紊乱，断电时间需充分保障，确保其电压降至1V以下并维持300ms后，再执行上电操作。

2. 音频传感器

• 麦克风音频输入设计

• 麦克风在车内布局有两种：一种是分布式麦克风，针对每个座位布置一个麦克风；另一种是矩阵式麦克风，布置在并排两个座位的中间，麦克风的中心间距大于10cm，采用beam forming波束成形技术。

• 麦克风分为模拟麦克风和数字麦克风两种。

• ICC前后排通话系统设计

• 车内外通话系统设计

• 蓝牙电话通话系统设计

备注：

• 占用处理器资源；

• 需要付License fee；

• SOC处理技术支持费用；

• 省掉外部独立DSP芯片。

备注：

• 不占用处理器资源；

• 不需要付License fee；

• DSP处理技术支持费用；

• 需要独立DSP芯片。

• 卡拉OK功能系统设计

3. 触摸传感器

• 触摸系统设计

4. 雷达传感器

• 超声波雷达传感器

• 车载超声波雷达USS主要分为超声波驻车辅助传感器UPA(Ultrasonic Parking Assistant)和自动泊车辅助传感器APA(Automatic Parking Assistant)两大类。UPA是一种短程超声波雷达，探测距离2.5m，探测距离较近，检测更准确，多用于汽车前后障碍物检测。APA是一种远程超声波雷达， APA探测距离5m，常安装在车身侧面，探测汽车侧方障碍物，检测范围可覆盖一个停车位，方向性较强。目前AK1下一代 AK2 超声波雷达探测距离已经可以达到 7m，最小盲区仅 10cm。

• 超声波雷达传感器菊花链式连接

• 只需要一个Master IC；

• 最小的硬件和软件effort；

• 最小化的线束成本。

• 超声波雷达传感器Pin Coding式连接

• 类似菊花链式连接；

• 根据引脚编码的方式区分地址，安装复杂。

5. 惯性传感器

• 惯性传感器(Inertial Sensor)也称IMU(Inertial Measurement Unit)是一种可以测量汽车运动状态的传感器。它可以测量车辆的加速度、角度和角速度等运动参数，是汽车辅助驾驶中不可或缺的一部分。IMU传感器代表惯性测量单元，沿着三个正交轴(X/Y/Z)，测量旋转角速率和线性加速度。

6. 位置传感器

• 位置传感器，通常理解为GNSS卫星定位器件。

• 车辆收到的GNSS信号误差是米级别的。经过大气传播的衰减会增大定位误差，同时多路径干扰，尤其是高楼林立的城市和峡谷中多路径干扰也会增大定位误差，另外还存在信号欺骗，指伪造的GNSS信号干扰接收机，也就是显示与实际情况不符的位置和时间信息，以此欺骗用户。

• 为了降低定位误差，GNSS传感器设计会采用多星座设计，即结合GPS(美国)，GLONASS(俄罗斯)，Galileo(欧盟)，BeiDou(中国)，QZSS(日本)，NavIC(印度)等多个星座接收的方式。

• 每个星座也会采用多频段结合的策略，比如L1, L2和L5等多频段同时接收的设计。

• 在实际系统设计中，会有GNSS信号与IMU信号和动力域信息（车速、方向盘转角等信息）融合后经过一定算法，得到更加准确的惯性导航的车辆定位信息输出给SOC上层应用。

7. 温度传感器

• 智能座舱的温度传感器，主要应用于监控系统的环境温度，器件工作温度。根据不同的温度范围进行不同的系统运行策略调整，以及不同的电源迁移管理。

• 工作温度范围内：检测温度高于某个温度阈值（如40度），采取系统降温措施，开启风扇或者开启水冷控制；检测温度继续上升超过第二个温度阈值（如70度），降温措施增强，提高风扇转速或水冷流量；检测温度再上升超过第三个温度阈值（如80度），SOC的结温仍处在高位，则采取系统运行功能性能的降级处理（比如按照优先级顺序降低运行性能或杀掉第三方应用、后台运行的非安全应用、前台娱乐应用、前台非安全应用、降低SOC工作频率）。

• 温度传感器布置：显示屏模组，背光等附近布置温度传感器，用于检测背光灯温度，并在温度过高时反馈给系统用于降低背光的控制；座舱域控制器，SOC及DDR等芯片内部通常会自带温度传感器，用于在高温下彩玉运行降级措施；PCB板端远离发热器件的位置布置温度传感器，用于间接测量外部环境温度，以便在系统超过正常允许工作温度范围后，进行电源状态迁移的控制。（也可通过整车其它ECU获取外部环境温度信息）

• 另外，某些模块在不同温度下的工作状态会出现偏差，也需要采集温度，进行适当的温度补偿来优化器件的工作性能。

第二章：执行器

智能座舱的执行器分为下面几个类别：视觉执行器、音频执行器、车控执行器、充电执行器等等。

1. 视觉执行器

• 座舱显示设备

• 座舱显示屏按功能分：仪表屏，中控屏，副驾屏，抬头显示屏，后座娱乐屏，吸顶屏，空调控制屏，流媒体后视镜，透明A柱屏，智能表面显示屏等等。

• 座舱显示屏按显示方式分：TFT LCD显示屏，OLED屏，QLED屏，W-HUD屏，AR-HUD屏，车外投影显示屏，等等。

• 传统低端一体机的显示部分与主机在一个物理结构中，采用RGB并行的视频信号传输方式，或者采用LVDS信号传输给LCD。现在随着主机功能增多，体积增大，整合了仪表功能，显示屏都采用与主机部分分离式设计，通过串行解串芯片以及屏蔽线束连接。

• 串行解串芯片目前主流供应商有TI和Maxim(ADI)，当然还有小众的Inova的APIX，Rohm的Clockless等传输方案及产品。

• 针对不同的显示方案可以选用不同的串行解串芯片方案，比如支持MST的方案可以支持多个屏的显示，splitter方案可以在SOC中将两个显示画面拼成super frame输出，再由串行芯片split成两个独立的显示画面，分别发送给两个显示屏的解串芯片。显示屏显示内容及分辨率也有相同和不同的几种组合，对应不同的串行解串芯片方案。

• 座舱显示设备

• 在选择串行解串芯片时，除了考虑显示屏的常规参数，如分辨率，帧率，位深等，还要考虑消隐区域(行场的前廊后廊)也要占用一定带宽；同时传输协议本身的data payload占比也要计算在内。

• 传输方式可以采用差分对传输，或同轴传输。差分对传输介质连接器可以采用HSD连接器（带宽可以到3~5Gbps），H-MTD连接器（带宽可以到13.5Gbps）；同轴传输介质连接器可以采用FAKRA连接器（带宽可以到8Gbps），HFM连接器（带宽可以到10Gbps）。以上数据皆为理论数据，实际应用中依赖于具体连接器供应商规格，线束材质、长度、屏蔽性能，以及线束与连接器之间的匹配情况。

• 显示屏端通产设计为一个可以自我管理的独立设备，具备MCU芯片来控制整个显示屏的工作状态，以及外部传输控制；出于成本考虑，提高产品成本竞争力，也会考虑去掉MCU，由功能强一点的T-CONT芯片来集成部分屏端信号或控制，由主机端统一进行控制管理。

• 显示屏的电源使能信号通常由一根单独的线束来控制，两对差分信号传输的方案可能会选用4+2的HSD连接器。为了降本，由差分传输变为同轴传输，将连接器HSD变更为FAKRA，可以同时节省连接器和线束的成本。此时，电源使能信号可以通过同轴线传输，在屏端设计特殊电路，这样可以节省一根独立的硬线，不仅节省硬件成本，整车布线也降低复杂度。

2. 音频执行器

• 功放设备分为内置功放和外置功放。

• 低配车型通常采用内置四通道功放，模拟或数字接口；外置功放通常采用A2B接口，A2B收发器选型通常采用I2C控制接口，具体型号可根据节点数量和线束长度来确定，在整车布线长度未知的情况下通常会选用AD2428。

• 内置数字功放选型需要考虑功率，时钟频率，以及支持的TDM格式是否能与DSP相匹配。

• A2B总线外挂节点类型包括外置功放，数字Mic，RNC降噪传感器，副功放（不带算法），甚至后排车机。

• A2B总线节点布置顺序需要考虑整车布线长度，节点供电能力，上行和下行的音源slot数量，不同的连接顺序，上行和下行的音源配置方案将不同，会影响audio系统设计。

3. 车控执行器

• 智能座椅

• 智能座椅具有智能调整座椅角度，用户按摩，座椅加热的智能功能，通过马达，加热装置等完成这些功能。这些装置通过CAN/LIN等总线直接或间接连接到座舱域控制器，由用户进行操作。

• 智能空调

• 智能空调具有智能调整座舱内温度湿度，以及释放香氛，调节座舱内气味，使座舱内空气更清新。而智能空调是通过CAN或Ethernet总线与座舱域控制器进行连接通信。

• 智能车窗

• 智能车窗具有智能调整车窗的开闭，调整开度，以及防止夹手等功能。其由座舱域控制器通过CAN或Ethernet总线发送命令给车身ECU，再由车身ECU通过CAN/LIN总线来控制车窗的马达执行器来完成这些功能。

4. 充电执行器

• USB充电

• USB充电类型：BC1.2充电协议，Apple充电，PD充电，Type-C充电。连接方式：座舱域控制器单独提供最大2.5A电流的充电能力；或者外部单独配置一个USB充电盒子，通过USB2.0或USB3.0接口与座舱域控制器相连进行通信。

• 车载无线充电

• WPC充电模块通过LIN总线与车控ECU或座舱域控制器连接。

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