CN102682182A - 一种多屏独立操控的新型架构车载信息系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一个通过创新的嵌入式软硬件架构在车载系统中实现多屏互动的车载多媒体互动终端。该架构在硬件上扩充人机接口能力，使其支持多个显示、声音、触控和按键接口，在软件上通过虚拟机技术或多窗口应用框架技术重构现有的嵌入式操作系统，使其支持多用户多窗口的独立任务响应。通过应用这一新型的嵌入式架构，在汽车上实现多个触控、按键独立操控和多个声音输入，以及与之一一对应的多个屏幕独立显示、多个音响独立输出，以满足驾驶员和多个乘客不同的车内需求。统一的处理核心和共享的系统资源，一方面减少了多客户端之间的通信需求，方便了系统实现，另一方面节省了系统成本，提高了系统。

Description

一种多屏独立操控的新型架构车载信息系统

技术领域

本发明涉及车载电子和嵌入式应用技术领域。 

背景技术

随着轿车工业的发展，电子系统被越来越广泛的应用到轿车上，尤其是轿车的后装市场因为其开放性和标准化，吸引了众多厂商来研发车载电子设备。 

到目前为止，后装车载电子设备主要集中在传统的基于数字多功能光盘DVD(Digital Versatile Disc)的影音系统和独立的全球定位系统GPS(global position system)导航系统。传统DVD影音系统虽然能够提供不错的娱乐体验，但功能的缺失也是显而易见的，功能扩展性和设备互通性不足，尤其在如今各种电子设备层出不穷，设备联网互通日益迫切的情况下，这些缺点尤为突出。独立GPS系统导航系统为众多车主提供了便利，但由于必须使用点烟器作为供电来源，而且需要额外固定在车台上，带来了很多不便，比如不能提供更大的屏幕以利于查看，有安全隐患等。 

一种高度整合的产品成为迫切需要。市场上不乏一些整合的方案。比较典型的一种是采用基于x86的PC架构，安装了微软公司视窗Windows类操作系统，在易用性上有很大的好处。但通常电源需要专门的转220VAC适配器，显示器与主机分立，安装复杂，整体价格很高。 

另外常用的一种方案是采用了标准的2DIN结构尺寸，通过采用不 同的面板适配不同的车型，在装配上维持了轿车和设备的一体性，安装便利美观，但系统的核心架构即是基于各种独立功能模块通过单片机和音视频开关实现，DVD播放、存储视频播放、数字电视播放等均需要经过转换和开关切换实现，为此系统设计的紧凑性和灵活性不足，软件系统基本上是单任务的简单操作。 

而且以上解决方案都是基于单屏的实现，无法为车内其他乘客提供服务，实际上极大地限制了车内其他乘客的需求。在以往个人电脑PC系统中有不少多显示器架构的系统，比如视频点播系统VOD(Vedio On Demand)系统，飞机客舱娱乐系统，但架构都很复杂，电力消耗巨大，整体造价昂贵，显然不利于汽车这种小空间和讲求低成本的应用环境以及目前低碳的趋势。 

美国专利6243645提出一种多个屏幕显示内容和声音播放系统，但是该发明是在多个影像和声音源中切换，最后只提供一个视频和声音的输出，既不能满足多个用户同时自己独立的输出需求，也不能满足用户通过其独立的人机接口例如触摸屏、按键等实现自己的选择的操控要求。 

中国专利CN1395409使用一种信息控制器，通过开放式多路输出接口电路，与车内、外多个液晶显示屏，实施双向数据通讯，同步显示多种信息，但是该发明既不能实现显示和用户之间的交互，也不能通过软件控制实现复杂多媒体显示并执行应用。 

为此，针对目前现状和未来车载设备的发展趋势，结合飞机载VOD系统思想以及Linux开放平台，本发明提出了一种新型架构的多屏独立显示多个声音独立播放系统，实现了一部车内多个屏的独立操控，是一种可以灵活地适用于出租车、家用轿车等不同市场，带来增值价值的解决方案。 

发明内容

本发明所要解决的问题是如何高效、低成本并简洁地是实现车内多个用户同时、独立、互不干扰应用车载电子通信装备，满足车内娱乐、信息和通信需求。 

传统的嵌入式系统一般针对少数单一的应用优化，单个系统一般只有一套人机接口，其内嵌的操作系统也只有单个客户应用窗口。在车内，虽然空间比较狭小，但各个用户会有不同的应用的需求，传统的方法就需要为每个用户每个座位配备一整套用户电子系统，其中像定位信息服务、无线通信服务等都是大家都需要。如果车内连接一个内部网络系统，一个成本太高，一个技术复杂度大，对嵌入式系统的处理能力要求提高。 

本发明就是针对车内多用户的需求，以新型的车载嵌入式架构，提出一种高性价比的新型嵌入式架构的车载多媒体信息系统，除满足传统车载影音终端的娱乐等基本功能外，实现了一部车内多个显示屏的独立互动操作，满足车内不同乘客的使用需求。通过整合先进的智能操作系统，为用户提供一个小化的多角色车内空间，可以灵活地适用于出租车、家用轿车等不同市场，蕴含极大的增值功能。 

如图9和图10所示，本发明的架构在硬件上扩展了人机接口，单个车载嵌入式系统拥有多个人机界面，包括触控显示屏、声音通道和按键控制。而由单个的处理器子系统控制管理所有的人机界面以及共享的通信、位置服务以及其他功能模块。这种主控方式避免了多个用户在共享资源时复杂的通信机制，从而可以比较方便在操作系统任务分配层面解决冲突共享问题。 

本发明的架构在软件上突破了传统嵌入式操作系统单用户应用框架和单窗口管理的限制，通过虚拟机技术或操作系统多用户化扩展来实现软件对多套人机界面和多个客户端的支持。 

在虚拟机技术中，在操作系统之下实现多个虚拟机，每个虚拟机配备一套的人机界面，并加载一个单用户的嵌入式操作系统，从而是多个用户得以独立而共存在一起，既有个体独立的客户界面，又可共享系统资源。 

在嵌入式操作系统多用户方法中，将单用户的嵌入式操作系统进行重构，肩并肩地实现多个用户应用框架及多个窗口，并将一组用户应用框架和窗口和硬件的人机接口进行绑定，实现与虚拟机技术相同的功效。 

在本发明的创新架构下，嵌入式的软件和硬件根据用户逻辑进行捆绑，从而既实现用户应用独立响应和输出，也实现用户之间的资源共享和数据通信。多个用户可以在自己逻辑上独立的窗口中，尽享可能的车内电子带来的方便。 

在本发明中，很多公共的信息资源服务是完全共享给所有的用户的，其包括的车载位置服务、通信服务、各种车内监控服务信息以及其他车内服务，都可以为车内所有用户共享。 

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： 

图1为本发明实现实例中的标准2DIN结构外观； 

图2为本发明实现实例中详细设计的原理框图； 

图3为本发明实现实例中电源输入框图； 

图4为本发明实现实例中系统电源分配框图； 

图5为本发明实现实例中音频处理框图； 

图6为本发明实现实例中出租车应用的功能框图； 

图7为本发明实现实例中通用轿车应用框图； 

图8为本发明实现实例中多窗口显示外观 

图9为本发明实现实例中多窗口软件实现层次结构； 

图10为本发明功能模块结构示意图，采用虚拟机技术 

图11为本发明功能模块结构示意图，采用多窗口扩展技术 

图12为本发明实现实例中核心板和显示板间接口信号定义 

图13为本发明实现实例中核心板和电源功放板接口信号定义 

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，说明本发明的示例性实施例。本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，但并不构成对本发明的不当限定。 

本发明实现实例为一个出租车车载多屏互动系统，包含一带屏主机，外接1～2个触摸屏幕，通过DVI或者S-Video形式输出。每个屏幕都有统一的操作界面，可以独立触摸操作，互不影响地使用系统所提供的任何功能。这样前排司机可以在使用GPS导航的同时，后面的屏幕上可以进行上网浏览新闻、看视频、游戏等各种操作。 

本系统主机采用了轿车的标准2DIN尺寸，如附图1所示。面板可以根据不同的车型适配，可以涵盖绝大部分市售轿车。后背板为各种信号接口，包括电源，音频，天线等。虽然系统将提供多点触摸功能，但考虑到使用习惯，依然提供了各种通用按键。USB2.0接口，双MicroSD卡口可以满足平时的设备互联内容更新的需求。 

每个屏幕支持触摸操作和立体声外放，其中主机支持外接轿车自带的音响系统。 

系统主机上分为三个主要组成部分：核心板，显示板和电源功放板。其中，核心板将众多核心功能集成，包括影音播放、GPS、蓝牙、收音机、高级车载音频管理、CMMB数字电视、LCD显示控制、3G/2G通信、USB2.0OTG、USb2.0host、microSD等。 

主机直连的显示板主要提供液晶屏的固定和各种按键以及提供和 核心板间的转接，完成和各种车型面板的适配。 

电源功放板直接连接轿车电源，并负责提供核心板所需的主入电源和LCD背光，LCD栅极控制电压以及功放功率。同时，该板还作为扩展功能模块的承载板，在保持核心板不动的情况下，通过更换该板可以实现不同的应用。 

本系统分为3个主要的组件，即标准2DIN带显示屏主机和额外的两个显示器。其中，主机又由3个功能部件组成，即核心板、显示板和电源功放板。额外的两个显示器不带本地播放芯片，只是完成视频输入格式转换到LCD输出和接入的立体声音频放大，并接受本地的触摸屏输入操作。触摸屏控制通过串行口I2C直接接回主机，不再需要额外的控制信号传输通道。显示器的输入电源直接来自于主机稳压过后的+12V，保证了系统电源的一致稳定性。 

核心板和显示板、电源功放板通过自定义接口进行连接。核心板和显示板之间主要有显示信号、键盘信号和SD卡信号三类如附图12。电源功放板除了提供各种必须的电源外，还预留了用作未来功能扩展可用的USB接口如附图13。 

电源功放板的电源输入处理由三个部分组成如图3，电源输入首先经过保护电路然后在软启动电路控制下进入后端的各DC-DC转换模块。保护电路首先要解决轿车电瓶电源的瞬时高压等问题。由于系统将直接引入轿车电瓶电源，而由于车电力系统的特殊性，其+12V电源供给并不稳定，这对电源有要求的高性能处理器和嵌入式系统元件来说是不可接受的，为此在该子板设计上首先选取了能够满足SAESpecification J1113标准的车用瞬压抑制器，能够最高抑制高达40V5A的瞬时电压尖峰(8/20ms的测试电流)，在摄氏125度的高温下依然可以维持直流18V的正常操作电压上限，并能承受6J的抛负载能 量。 

为安全起见，一个100uH/5A的电感和4700uF的滤波电路专门添加以最大限度抑制经过保护器件后的残压脉冲。 

软启动电路可以控制整个系统的电源开关和电源的上升斜率，以介绍对后端DC转换电路的瞬时冲击。该软启动电路利用MOS管的开关特性组成。 

如附图4详细介绍了电源的分配网络。其中低电压主要为核心板提供，第二路+5V生成的各电压供给LCD屏。同时，经输入处理后的+12V电源直接供给汽车单响专用功放芯片，以提供前、后、左、右四个方向共计4x25W的总驱动功率。为解决该功放的散热问题，在结构设计上需要利用后面的金属板，将功放芯片通过导热硅胶绑定到其上。 

该板同时预留了可用作功能扩展的USB接口和GPIO信号，可以通过内置USB Dongle或者SPI/I2C的形式支持其他可功能组件，如硬盘、专用通信接口等。在保证减少核心系统复杂性和适应不同类型的应用有着很好的灵活性。 

比如，在应用到出租车上时如图6，由于其运营的特殊性，需要接收相应交通信息和车车之间的通话，同时车内有计价器、一卡通系统等，而且作为作为商业应用，广告业务将在此应用中占据重要位置，而车载音响系统不太需要。为此，在保证核心板无需改动的情况下，通过特别设计的电源功放板，加载交通信息通信模块(比如DAB)和把现有的出租车上需要用到的功能组件集中接入。通过交通信息接收模块下来的各种讯息和广告可以直接存到核心板上的本地存储空间，而且，外置存储卡可以直接为系统添加广告内容，所有的这些主机内容都可由后排座位上的乘客依据自己的兴趣通过后座显示器自主选择。而当应用到一般轿车上时如图7，车载音响系统接口和3G的高速上网或许成为车主更 关注的功能，此时，带有专用车载音频处理器的电源功放板可以通过加载3G模块满足车主需求。 

主机显示板主要于液晶屏的装配和车型的适配。显示信号、触摸屏控制信号均通过FPC软线和核心板相接，核心板提供的键盘信号经28AWG排线引入显示板，映射成具体的功能按键，如电源开关、声音的高低控制，影音播放时的快进、快退、暂停控制，选择、确定控制。两个microSD接口和一个miniUSB-AB口也从核心板经FPC排线从该板引出(主要的接口信号如图13)。该主机显示板接主显示屏，位于司机前排的2DIN空间位置，行车途中为司机导航，并可以支持蓝牙免提等传统车载DVD导航系统的基本功能。 

核心板集成了本系统的核心功能见附图2，包括最小系统、CMMB数字电视、GPS、蓝牙、收音机(FM和AM)，视频监控，音/视频输出(输出到额外的屏幕)。最小系统构建于先进的ARM Cortex-A8基础之上，可以提供高达4G的ROM存储和4G的RAM空间，既保证了足够的系统存储空间，又可保证即使系统软件增加依然能保证足够的运行流畅性。通过扩展出来的USB接口和预留的GPIO信号，支持通过电源功放板做更多的应用扩展。 

核心板将LCD显示接口扇出，通过FPC软线和主机显示板连接。蓝牙，收音机和系统的音频系统如附图5，其中的功放和辅助预放大输出在电源功放板，这样就避免了大电流高功耗的器件对整个核心元件的热影响。核心板和额外屏幕的视频连接经由电源功放板的S_Video接口完成，如附图13中的CPU音频信号2用来输出到该后座显示器上。触摸屏和触摸中断经由电源功放板的I2C和GPIO控制接口接回到核心板。 

系统的各种天线信号均通过转接馈线(蓝牙除外)，通过后面板转 接到外面的实物天线。蓝牙由于主要在车内空间使用，其天线将直接引到显示板的面板后面。 

系统的软件设计上使用了Linux开放平台，与通常的C/S架构依托于以太网络不同的是，本发明没有使用网络，而是直接在主机上启动多个客户端并分别显示到不同的屏幕，系统软件层次如图8所示。每个屏幕上显示的是相同的操作界面。在应用到出租车和通用轿车不同环境时，通过UI界面的个别调整满足特定的需求，而核心软件组件保持不变。软件的模块化封装和设计，能够灵活的对应硬件变动。 

Claims (7)

1.该新型架构的车载多屏互动系统，其特征在于该车载系统拥有多套人机界面，每个人机界面对应一个客户端，并在统一的处理器的控制下，独立对多个人机界面，即多个客户端，作出响应，互不干扰；

2.根据权利要求1所述的车载系统，其特征在于其创新的软硬件架构，采用高性能的车载嵌入式处理器，应用嵌入式操作系统，在嵌入式环境下实现对多个人机界面的同时支持。在硬件上多个人机界面是分开的、单独的，例如每个用户可以独享一套LCD触控屏幕、键盘界面、声音播放和采集等组成的人机界面硬件，但其中央处理器系统，及其控制的软件和硬件，如处理器单元、存储、通信和位置信息等信息采集模块是单一的，并具有足够处理能力的，同时、统一地为所有用户服务的；

3.根据权利要求1所述的车载系统，其特征在于，软件系统具有支持多个独立客户端的能力，通过虚拟机的技术，在嵌入式环境下实现i)多个操作系统，或，ii)单个操作系统多个应用框架和窗口管理对象，从而为每个用户实现独立的、互不干扰的人机交互软件环境；

4.根据权利要求1、2、3所述的车载多屏互动系统，其特征在于，如图10和图11，系统包含处理器子系统、通信模块、GPS模块、多个人机界面和其他功能以及接口模块，而每个人机界面中包含触控显示屏、按键和声音收发功能；

5.根据权利要求1、2、3所述的车载多屏互动系统，其特征在于，由独立的软件模块实现独立的人机界面，软件和人机界面之间一一对应；多个操作系统以虚拟机的方式共存，为每个人机界面的客户端对应一个独立运行的操作系统；或者，在同一个嵌入式操作系统下，实现多个窗口应用框架，每个人机界面的客户端对应一个独立的窗口应用框架；

6.根据权利要求1、2、3、4、5所述的车载多屏互动系统，其特征在于，多个客户端通过触控显示屏及其作为可选项的按键来实现客户和系统的操控，系统为每个客户端实现独立的显示和声音输出，并独立接受各个客户端的触屏和按键输入；

7.根据权利要求1、2、3、4、5所述的车载多屏互动系统，其特征在于，所有客户端可以共享系统资源，包括无线通信能力和位置信息获得能力，能够及时地将位置信息和其他车内监测信息上传到服务中心，并可访问互联网，获取必要的信息；

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