車載安卓系統(tǒng)的設(shè)計方案和注意事項

背景介紹

谷歌創(chuàng)立的開放手機聯(lián)盟(OHA)已走過七個春秋，該聯(lián)盟已經(jīng)讓安卓 (Android) 操作系統(tǒng)更容易被手機開發(fā)商所利用。在其成立后的相當短的時間內(nèi)，安卓平臺已經(jīng)發(fā)展成為主流智能手機和平板操作系統(tǒng)，目前開始出現(xiàn)在汽車和工業(yè)應(yīng)用等拓展市場。蘋果 (Apple) 的iOS和微軟的Windows CE等與之競爭的操作系統(tǒng)正在失去市場份額，基于安卓系統(tǒng)的設(shè)備則取而代之。事實上，可下載的有用的安卓應(yīng)用的數(shù)量已經(jīng)增長到近110萬個(數(shù)據(jù)來源：AppBrain 2014年1月)。

基于安卓系統(tǒng)的消費電子設(shè)備用戶還希望可以在開車或乘車時使用他們的應(yīng)用程序和設(shè)備功能。對于想要實現(xiàn)基于安卓系統(tǒng)的車載信息娛樂系統(tǒng)設(shè)計師來說，這里有多種途徑，例如對安卓操作系統(tǒng)進行全面定制后直接加載到芯片平臺(裸機)上，或者將智能手機與汽車的基礎(chǔ)架構(gòu)簡單鏈接。本文將對這些途徑及其利弊進行介紹。

車載安卓智能設(shè)備

最近，谷歌在拉斯維加斯2014年國際消費類電子產(chǎn)品展覽會 (2014 International Consumer Electronics Show) 上宣布，開放汽車聯(lián)盟 (OAA) 的使命是使安卓平臺應(yīng)用于汽車。除了谷歌以外，開放汽車聯(lián)盟的創(chuàng)始成員包括奧迪 (Audi)、通用 (GM)、本田 (Honda)、現(xiàn)代 (Hyundai)和nVidia。其他廠商預(yù)計也將相繼加入開放汽車聯(lián)盟，但是關(guān)于安卓平臺將如何用于汽車的細節(jié)尚處于討論階段。一些制造商，例如起亞 (Kia) 和雷諾 (Renault)，已經(jīng)將定制的安卓系統(tǒng)加載于量產(chǎn)汽車上，并使其自身精心管理的安卓應(yīng)用庫可在車內(nèi)使用。下表概括了智能手機安卓系統(tǒng)的現(xiàn)有功能和車載安卓系統(tǒng)必備功能之間的差別。

表1：與安卓智能手機相比車載安卓的潛在要求。

如果開放汽車聯(lián)盟建立了一個共同的安卓基礎(chǔ)平臺，現(xiàn)有的實現(xiàn)方法可能很快就可以發(fā)揮作用，因為任何經(jīng)過谷歌批準的新安卓操作系統(tǒng)無疑會降低維護和支持成本。與早期安卓版本和車載設(shè)備的兼容性將是一個重要特征，同時也將是開放汽車聯(lián)盟首要關(guān)注的問題。在整車使用壽命期內(nèi)，車主不可能像智能手機用戶那樣頻繁升級車載軟件。谷歌大約每隔九個月發(fā)布一次新安卓版本(圖1)，而安卓4.4“KitKat” 版本正處于量產(chǎn)過程中。智能手機市場的各個安卓版本都未能存活很長時間。相比之下，這些版本很可能作為內(nèi)置汽車配置使用較長時間。

圖1 ：安卓版本及其分布 整合安卓智能設(shè)備

考慮到安卓的普及性，駕駛員或乘客人人擁有一部安卓智能設(shè)備的情況是極有可能發(fā)生的。在理想情況下，這樣的設(shè)備將可以方便地連接到汽車基礎(chǔ)架構(gòu)的某些部件上，可能有多種連接形式，整合深度取決于使用情況。在最簡單的整合形式中，用戶喜歡在駕車時給自己的智能手機充電，而每部汽車都有一個用于連接 USB充電器的12V配件。較復(fù)雜的是內(nèi)置藍牙配對套件，它可以讓智能設(shè)備的音樂通過車內(nèi)音響系統(tǒng)進行播放。大多數(shù)新款汽車現(xiàn)在都有這個功能(圖2)。

圖2：與實施成本有關(guān)的智能設(shè)備集成水平。

不斷涌現(xiàn)的新標準正在提升車內(nèi)設(shè)備集成水平。汽車連接聯(lián)盟(Car Connectivity Consortium， CCC)(http://www.mirrorlink.com) 自成立起就致力于推動設(shè)備集成標準的確立，使在車載信息娛樂主機上遠程管理和顯示加載于智能手機的應(yīng)用成為可能。汽車連接聯(lián)盟已經(jīng)規(guī)定使用通用即插即用 (UPnP) 裝置控制車載應(yīng)用的存取。另一項標準 -- 虛擬網(wǎng)絡(luò)計算 (Virtual Network Computing， VNC) 讓智能手機顯示屏上顯示的信息得以復(fù)制到作為瘦客戶機的信息娛樂主機上。然后，該應(yīng)用可以在智能手機上運行，但在信息娛樂主機上能夠被看到。

電子設(shè)計自動化技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)廠商 Mentor Graphics近日發(fā)布一份題為《車載安卓系統(tǒng)的實施方案和注意事項》的研究報告。

目前，大多數(shù)集成都是通過USB連接線完成的，但是這種途徑顯得笨拙且不可靠。一些車載信息娛樂主機現(xiàn)在擁有Wi-Fi功能，因此現(xiàn)在有了另外一種智能設(shè)備集成途徑。

集成智能設(shè)備也可以為信息娛樂主機提供漫游3G/4G/LTE連接。這提供了一種替代內(nèi)置無線調(diào)制解調(diào)器的廉價選擇，以及多種單獨的資費和數(shù)據(jù)套餐。

無論是成本還是集成規(guī)模，汽車OEM廠商奧迪均處于高端水平，該公司已經(jīng)推出一款專為車內(nèi)使用設(shè)計的專用10.2英寸的平板設(shè)備。“奧迪平板電腦” 有權(quán)訪問專門的應(yīng)用商店，并可以通過Wi-Fi連接車輛的導(dǎo)航和信息娛樂系統(tǒng)。這種方法的優(yōu)點在于移動設(shè)備解決方案處于嚴格管理下并經(jīng)過高度集成，與軟硬件整合的品質(zhì)極高。 與安卓系統(tǒng)兼容的架構(gòu)

安卓系統(tǒng)與車輛整合的其他途徑是利用靈活但安全的多域軟件架構(gòu)。這些途徑包括將安卓系統(tǒng)設(shè)置為GuestOS，或者設(shè)置到現(xiàn)有操作系統(tǒng)之上(例如以Linux Container方式)，或者設(shè)置為與另一個操作系統(tǒng)并行的GuestOS(圖3)。

在Linux Container (LXC)技術(shù)的支持下，安卓客戶端的資源、訪問控制和安全由主機Linux操作系統(tǒng)管理。對于關(guān)注安卓安全的系統(tǒng)設(shè)計師來說，這是一種在標準Linux 平臺上很好地提供安卓應(yīng)用訪問權(quán)限以及運行其他系統(tǒng)功能的方式。多核片上系統(tǒng)(SoC) 平臺使這個架構(gòu)更具吸引力，因為足夠多的Linux和安卓域資源可以讓它們同時有較好的表現(xiàn)。除了中央處理器 (CPU)資源，內(nèi)存、圖形處理資源和其他外圍設(shè)備都可以實現(xiàn)共享。兩個域的輸出可以重組為一個共同的人機界面 (Human Machine Interface， HMI)，從而使用戶能夠從兩個域中選擇功能。

圖3：Linux Container內(nèi)的安卓系統(tǒng)，支持前后車輛功能。

為了在LinuxContainer內(nèi)運行安卓系統(tǒng)，必須對支持該Container的Linux內(nèi)核進行一些修改。在典型的使用情況下，在前端屏幕上有信息娛樂控制器去控制后座安卓的顯示。支持安卓顯示的硬件資源，如通過 USB 輸入的觸摸屏信息、音頻和圖形，需要虛擬化，然后提供給使用后顯示器的用戶。這將有助于盡可能在車上重現(xiàn)“消費電子設(shè)備”的體驗。

音頻資源需小心加以管理：前座信息娛樂用戶將需要訪問導(dǎo)航命令、電話呼叫、系統(tǒng)警告、多媒體播放器等，還可以優(yōu)化聲道和靜音。在后座用戶使用的是單聲道，可用于欣賞音樂/娛樂用途。

Linux Container的替代方法是使用完全嵌入式虛擬機管理程序，它可以管理可用的SoC硬件資源，并將其分配給多個域/操作系統(tǒng)。虛擬機管理程序經(jīng)過配置后可以精確管理哪些資源是GuestOS，安卓、Linux、AUTOSAR或其他操作系統(tǒng)可用的，并允許域之間進行一些通信。Mentor Graphics 最近展示了一款混合域系統(tǒng)，其中的AUTOSAR數(shù)據(jù)來自車載電子控制單元 (ECU)，這些AUTOSAR數(shù)據(jù)被送入運行于單一硬件平臺上的數(shù)字儀表板及信息娛樂系統(tǒng)內(nèi)(圖4)。

圖4：帶有運行于單一SoC的AUTOSAR、儀表板和信息娛樂系統(tǒng)的混合車輛操作系統(tǒng)。

結(jié)論

安卓已經(jīng)蔚然成風。越來越多的智能設(shè)備用戶希望能在車內(nèi)訪問安卓應(yīng)用程序。制造商擁有多種實施方案，在成本、集成程度和功能上有多個層次可選。谷歌的開放汽車聯(lián)盟和汽車連接聯(lián)盟推廣集成設(shè)備的倡議等標準化努力將進一步加快車載安卓系統(tǒng)的發(fā)展。這些解決方案的供應(yīng)商既要謹慎行事以覆蓋廣泛的 Android APP選擇，還要保持車內(nèi)計算系統(tǒng)的安全性和完整性。汽車現(xiàn)在已經(jīng)為被歸類為消費電子設(shè)備做好了準備嗎?我們重新定義“移動設(shè)備”的日子不會很久遠。