汽车电子信息娱乐系统工程开发与应用

作者:  来源:中国电子商情

发布时间:2015-04-22

我国在《汽车产业调整和振兴规划》等政策的推动下，汽车消费市场环境不断改善。汽车产业的蓬勃发展，推动了汽车电子市场的快速增长。中国虽已成为全球汽车第二大市场，但在汽车关键零部件技术上，全球汽车零部件企业的100强中至今没有一家中国企业。现在，我国的汽车电子市场基本上还处于“混战”的阶段，全国汽车电子企业约有1000多家，但绝大部分企业规模小、产品单一且技术含量低。国内厂商多选择自身优势可以扩展的领域切入汽车电子市场，产品集中在车载电子设备如汽车音响、汽车仪表、通信导航设备以及汽车安防等。
国家的“十二五”规划把高技术装备制造业和节能环保的低碳经济作为一个方向，意味着汽车产业的新一轮发展变革，汽车电子技术是汽车的核心技术，据权威统计分析，汽车工业技术进步和创新的70%都源自汽车电子技术的发展。汽车电子信息娱乐系统作为汽车电子的一个重要分支和组成部分，已经成为评价汽车舒适性的重要依据之一，正朝着集娱乐数字化、通讯导航、视听一体、节能环保的汽车多媒体系统方向发展，并且越来越受到重视。汽车电子信息娱乐系统包含了数字化技术、微电子技术、软件控制技术、通信导航技术多个技术领域，作为综合性的高科技电子产品，值得从系统的角度研究开发。
 
汽车电子的概念
汽车电子是指电子技术在汽车上的应用，包括的范围很宽，主要有五部分组成：
　　①动力控制系统：包括发动机管理控制系统、动力转向、AT控制与ACC；
　　②安全控制系统：包括安全气囊、ABS/ASR与SAFE-BY-WIRE；
　　③车身控制系统：包括开关控制、灯光控制、防盗系统、门锁控制、车窗控制、雨刮等车身电子的控制；
　　④行驶控制系统：包括仪表、空调与底盘控制系统；
⑤信息系统：包括娱乐、移动通信、GPS导航以及信息处理等系统。
一般将其归纳成两大类：一类是汽车电子控制装置，汽车电子控制装置要和车上机械系统进行配合使用，即所谓“机电一体化”的汽车电子装置。包括发动机、底盘、车身电子控制，例如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制、防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、电子控制自动变速器、电子动力转向等。另一类是车载电子装置，车载电子装置是在汽车环境下能够独立使用的电子装置，它和汽车本身的性能并无直接关系。包括汽车信息系统（行车电脑）、导航系统、汽车音响及电视娱乐系统、车载通信系统、上网设备、电子防盗系统等。
第一类需要更加专业的技术和研发经验积累，它是电子技术与汽车技术相互渗透，形成的机电一体化产品，我国的企业涉足的自主研发水平还有待提高。第二类是国内企业汽车电子产品研制开发生产的重点，因为它主要是数字化技术、微电子技术、软件控制技术、通信导航技术的融合应用，独立性较强，容易切入，能迅速形成产业集群效应，下面谈的重点就是这一类。
汽车电子的发展
我国汽车电子业发展起步于上世纪80年代初，从最基本的嵌入在仪表板里的收音机开始，而后有了卡带收放机，形成了以汽车音响为代表的汽车电子部件，车载功能越来越丰富，再演变至有CD、VCD、DVD、MP3、蓝牙（BLUETOOTH）、GPS、CMMB等，现在已经迈入了多媒体信息时代，即成为汽车电子的一个分支，汽车电子信息娱乐系统。国外新款车辆目前都会配备数字广播、汽车后座娱乐系统以及互联网接入设备，并且司机和乘客用的系统是独立的(当前排乘客听收音机时，后座乘客可以同时欣赏独立的调频广播或DVD播放)。而且能让乘客在车速高达200公里/小时(125英里/小时)的汽车内观看实时广播电视节目。享受汽车移动生活的令人激动的时代已经到来。
市场研究表明，由于中国目前汽车机械设计和制造已接近完美，汽车继续改进的空间将集中在汽车和电子的结合上，今后汽车革新将来自汽车电子。
 
汽车电子的理念
汽车电子产品作为一种高科技含量、高安全性需求的特殊产品，对产品的质量和性能有着苛刻的要求。一般来讲，各大汽车生产厂家都会要求它的供应商通过ISO/TS16949 国际汽车质量体系的技术规范认证，从而证明供应商具备设计和生产汽车相关产品的能力。对于汽车电子产品的供应商来说，也不例外，更应该从设计开发之初就贯彻实施这种理念，从某种意义上讲，含有军工产品准入的味道。其构成产品的零部件必须选择满足汽车级的要求，生产工艺也要符合汽车产品特点，在质量体系方面，切实按照ISO/TS16949运行。
 
汽车电子信息娱乐系统产品
1、汽车音响系统
汽车音响系统最终有可能将AM/FM、电视接收机和卫星数字广播接收机、GPS、蓝牙模块、甚至通信等功能集成为一体，作为最早进入且准入门槛较低的汽车电子产品，在国内有众多方案提供商和研发生产企业，他们推出了各种档次的汽车音响产品。
汽车音响的突出特点是它的娱乐功能，坚持不懈的追求高质量的音视频效果。从原始的单声道发展到双声道输出，从四声道环绕立体声到现在的Dolby Digital。音频处理器从最初的线性电位器发展到模拟音频处理器和现在的数字处理器。从汽车音响本身的音响效果追求到特定汽车系统的空间音响效果的设定，进行各种汽车噪音的采集和降噪处理。从模拟汽车音频功放到数字功放的转化等等，都是围绕这个宗旨发展创新的。
2、车载电视系统
自从液晶显示器（FET）面世以来，车载电视已成为豪华汽车的一个重要配置。事实上，由于娱乐电子产品价格的不断降低，制造商正在全球低价格的汽车中配备后座多媒体娱乐系统，产品的多媒体功能也在进一步丰富。基于汽车安全行驶要求法规法令的限制，车载电视系统不断创新，如在多个屏幕上显示不同的内容(例如前座屏幕用于导航，后排座椅播放电视)。现在，随着中国CMMB的普及使用，汽车娱乐电子产品中融合车载数字电视功能的产品越来越受到广大车主的青睐。
3、汽车信息系统
它让人们超越了时空的界限，在车内进行娱乐和网络通信，随时保持与外界保持紧密的联系，实现移动办公和实时监控，汽车信息系统必将成为一个综合的移动信息终端。
4、汽车门禁系统
自机械钥匙无法满足人们对汽车防盗要求以来，遥控车锁（RKE发射/RKE接收）通过UHF频段的数字化发射和接收来识别车主身份满足防盗要求。现在更是发展到驾驶者无需从口袋中掏出钥匙，便既能打开车门，又可启动汽车的无钥匙门禁系统，即PEG 系统（Passive Entry Go），市场前景广阔。
5、倒车雷达系统
倒车雷达对于躲避在汽车后方的障碍物避免发生碰撞有很好的警示作用。它利用超声波原理，使停车和倒车更容易、更安全。新一代的倒车雷达不仅有数码显示，而且把后视镜、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合到一起，并设计了语音功能。更加人性化设计的倒车影像系统，让倒车时车后的状况非常直观。可以预见，倒车雷达将逐步成为汽车的标准配置。
6、汽车行驶记录仪
汽车行驶记录仪又称汽车黑匣子，它能够实时记录最近的汽车运行状态，为今后的交通事故分析处理提供依据。
7、智能化汽车仪表板
由先进的传感器与TFT液晶显示装置构成的电子仪表已开始取代传统的机电式仪表，汽车仪表技术正向数字化的综合信息系统方向发展。其功能除了车速、里程、发动机转速、油量、水温、方向灯指示外，还可能增添一些新功能，可指示安全系统运行状态，如轮胎气压、制动装置、安全气囊等。
汽车电子信息娱乐系统产品是一个多功能模块的组合化产品，随着汽车整车产品个性化的需求而不断向纵深发展。北斗导航、GPS嵌入到汽车电子产品中有普及的趋势。
 
汽车电子信息娱乐系统要求
在汽车电子方面，汽车系统对汽车电子产品的特殊要求包括汽车蓄电池瞬间低电压的影响、汽车电源的宽范围变化的稳定性、多径干扰对收音质量的影响、即插即用USB/SD的兼容性、恶劣使用环境要求工业级、在体积上的限制与仪表板内饰的和谐、多种电器共用的电磁兼容（EMC）性设计等。
1、汽车电气系统总体组成
通常，汽车的电气系统分为供电系统和用电设备两部分。图1为汽车的电气系统概要框图。
 
图1  汽车的电气系统概要框图
供电电源系统中有很高的脉冲电流，随着不同用电设备的启用或关闭，在各个负载中的脉冲电流也相应变化，多种电器共用的电磁干扰形势严峻。另外，随着汽车用电设备的不断增加，供电的负荷能力有待提高，42VDC大容量蓄电池、42VDC供电系统需要应用。
2、无线电接收
汽车无线电接收机技术正在从模拟接收方式向数字接收方式演变，基于软件无线电技术的数字信号处理器将引领车载数字无线电接收机的发展方向，为了适应不同的国家和地区无线电广播接收，就要求收音机具有不同的接收波段（频率范围）和接收制式要求。在车载移动接收条件下，高稳定性、高抗干扰性能、较好音质要求都是需要随着科技的进步而发展的。特别是近年来城市高楼大厦林立，收音机的多径干扰和多普勒效应问题引起业界的广泛关注。对收音机的收台背景噪音也提出了要求，弱信号调整（ISS---让频宽根据信号的强弱及干扰情况自动调整，接收并输出最佳信号）也有所要求。
通过I2C控制的板上型无线电收音接收模块，既解决了产品体积要求越来越小的问题，又对于多径干扰问题的处理、弱信号调整（ISS）、背景噪音抑制等都有措施，以求能够接收并输出最佳信号，综合成本较低。
数字化技术已经深入到无线电领域的各个方面，全球出现了多种数字广播系统标准（DAB/DMB、DRM、HD Radio）。西方的许多车厂已经把数字广播收音机作为一种标配或选配，而且有的做成便携式的产品，既可以在车上用，又可以拿到房间使用。
由于许多国家和地区的广播事业都是一种免费的公益服务，给人们提供了丰富多彩的听觉感受，还有交通信息、天气路况等为广大车友服务的特色栏目。所以，汽车电子信息娱乐系统中收音机部分成为必不可少的功能。而且，数字广播可以提高频谱的使用效率，数字广播的电台数量远远高于普通模拟广播，数字广播的信号接收质量更高，收音机使用更加简便，同时还为语音、视频、数据三网合一服务提供了机会。相信我国未来无线电接收的发展前景FM可能将会被DAB取代，AM可能将会被DRM取代。
3、数字功放应用
低碳经济意味着汽车产业新一轮的发展变更，它已经成为汽车产业可持续发展战略研究的主要课题。作为碳排放大户的汽车业，如何实现节能环保的低碳经济，对社会的影响意义深远。这也对所有汽车零部件行业提出了较高的配套要求，材料更新、技术升级、较低消耗、轻量化等已经成为企业迫在眉睫的任务。
车载音频功率放大器（即汽车功放，简称功放）是汽车音响系统的重要组成部分，也是能量消耗的重点。提升效率，实现轻量化，将会极大地提升汽车电子信息娱乐系统的设计水平，为方兴未艾的汽车零部件乃至汽车整车贡献力量。数字功放的出现正是这种要求的具体实现。近年来，数字功放的技术不断提升与完善，在汽车电子信息娱乐系统上的应用已经成为可能。
通常的汽车电子信息娱乐系统使用的音频功率放大器在汽车启动/停止时会进入mute状态，即没有声音输出。其根本原因是当汽车发动机处于这两种状态时，外围电路建立静态工作点的电容都有一个快速放电的行为，快速放电导致了电路不再正常工作，这是由音频功率放大器的电路结构决定的。在当今越来越追求享受的时代，汽车驾驶者对汽车音响的要求越来越高，宝马、奔驰在汽车娱乐系统方面最近向OEM厂家提出了新的要求，那就是在汽车启动/停止时，汽车音响仍然能正常工作。
 
汽车电子信息娱乐系统设计与实践
汽车电子信息娱乐系统的特点是多媒体多功能（娱乐、通信、GPS导航监控）、低功耗（环保低碳生活）、高质量音视频效果、漂亮外观设计（与仪表板内饰的合拍）。作为技术应用和规划需要采用系统平台化、低成本和节能绿色环保设计方法构建企业的汽车电子信息娱乐系统技术平台：
①  硬件系统设计多功能化，电路模块设计规范，不断优化；
②  功能扩展主要取决于软件的变化，特别是人机界面设计；
③  外观造型设计适应汽车仪表板整体布局。
1、汽车电子信息娱乐系统的基本构成
汽车电子信息娱乐系统的构成框图如图2所示。从图可以看出，系统大致分为显示部分、操作部分、音源部分、音频处理部分、功放、扬声器部分和协调控制部分。其中变化主要是系统前端部分的变化组合。
                   图2 汽车电子信息娱乐系统的基本方框图
2、结构与汽车仪表板及内饰的协调设计
在结构体积上汽车电子信息娱乐系统产品基本分为1DIN（178×50×155mm）和2DIN（178×100×155mm），由于各车型仪表板空间的不同，再加上顾客的个性化要求，使得在结构设计上的难度增加，产品外观设计既要与汽车的整个仪表系统融合为一，又要和整车的内饰协调。
产品使用环境温度要求的苛刻，以及散热效果的影响，催生了高效率功放（数字功放）的应用，散热片可以根据输出功率的半峰值安全地设计尺寸。
3、硬件多功能化和可靠性设计
基于汽车电子信息娱乐系统产品的恶劣使用环境，比如空间小、环境温度高、常有路面不平而造成颠簸的运行环境等，应小心选择接口部分的接插件，确保接触良好可靠。
考虑到汽车级的环境温度范围，高温承受能力远高于航空军工产品的承受能力，硬件电路选用的元器件必须是工业级的。另外，多功能化使得PCB设计难度增加，有可能采用多层板设计。
随着汽车电子化的程度越来越高，汽车用电器越来越多，汽车电源环境也就越差，汽车电子信息娱乐系统产品的电磁兼容（EMC）性设计成为设计师们需要重点考虑的问题。这是在可靠性的设计策划初期就要做的。满足ISO 7637已经成为车厂共同要求。
4、控制软件程序设计
汽车音响系统的软件控制程序是一个复杂的程序，一般均采用嵌入式的模块化设计，正常的常规操作使用，一般不会发生问题。但是，对于各种异常的电源环境，非正常的操作，有可能导致设计欠佳的软件程序的失控。因此，在设计的过程中，软件测试尤为重要。要模拟各种异常情况，确认没有问题。
 
汽车电子信息娱乐系统产品制造
1、建立和完善测试试验标准
一个企业必须建立自己的一整套测试试验标准，并不断吸收先进标准条款要求，以此作为衡量设计开发的基准，促使设计开发核心技术不断提高。
2、实现绿色制造
积极推行环保理念，采用ROSH、免清洗制造工艺方式生产，贯彻工业级应用的电子精装思想。
3、建立产业联盟的集约化生产
积极寻求与汽车整车厂形成产业联盟，结成战略伙伴关系。通过资本运作、兼并重组，扩大配套能力。
 
结束语
汽车产业正处于动荡、调整、变更期，它的发展加速了兼并重组、结构性变更。信息化技术和数字化技术的飞速发展，使得汽车电子产品的新技术开发与应用成倍增效应，汽车电子信息娱乐系统产品不断融合通信导航技术，产品创新日新月异。纵观世界汽车产业格局，我国将成为汽车及汽车电子产品的设计制造中心。