全球最優秀的人機交互:Microchip 方案路虎新一代座艙應用剖析

路虎新一代座艙電子於2016年開始設計,2017年首次用於路虎星脈Velar上,未來將用於路虎和捷豹全系列。雖然路虎捷豹是二線品牌,並且座艙系統是在2016年設計,但即便是今天,路虎這套系統,依然可以說是全球最優秀的人機交互,不次於其他任何品牌。設計師下了很多功夫,路虎捷豹也在這套系統上下了血本。路虎的品牌難以和BBA抗衡,不過這套系統非常值得分析。

 

路虎新一代座艙電子系統包括雷射AR-HUD,12.3英寸全液晶儀表,10.3英寸導航與多媒體屏,10.3英寸車內信息屏,後排雙10寸顯示屏,帶兩塊觸控屏的方向盤。兩塊10英寸大屏是核心,即Incontrol Touch Pro Duo系統,多媒體操作和導航信息會在進入工作狀態同時自動向駕乘者傾斜,科技感十足。
 
車頂有手勢識別攝像頭,為駕駛者行為監控和駕駛者視線追蹤提供了物理基礎。未來,路虎將根據人眼視線自動調整上方10寸屏的傾斜角度。路虎星脈的車門則是自動感應彈出式,非常具有特色。儀表和後排顯示系統由偉世通提供,Touch Pro Duo系統由博世提供,博世同時還提供路虎全套雙目輔助駕駛系統。手勢控制系統由Microchip提供。

 

下方的車內信息屏值得特別說明,長期以來人們爭論是實體按鍵、旋鈕還是觸摸屏的HMI方式更好,路虎將這三者統一了,並且特別說明這種方式至少可以達到ASIL-B級以上。
 

 

雷射抬頭顯示的原理是使用具有較高功率的紅、綠、藍單色雷射器為光源,通過三原色光源混合成全彩色,當掃描速度高於所成像的臨界閃爍頻率,就可以滿足人眼“視覺殘留”的要求,人眼就可清晰觀察。與現有的抬頭顯示器應用的顯示技術相比,雷射技術所顯示出來的數據會更加的清晰,對比度是所有HUD顯示技術中最高,即使在光線比較強的夏天中午也還是可以看清楚顯示信息。此外,ADAS功能也有顯示,如AEB時,會顯示紅色提醒信號,能夠顯示道路限速,也能夠顯示簡單的導航。HUD系統可能由日本精機提供。
 

 

上圖是路虎星脈下方車內信息屏的旋鈕介紹,那實際是旋鈕上的觸摸顯示,背後是Microchip的maxTouch技術。實際它是Atmel的技術,2016年1月,Microchip以35.6億美元收購了Atmel,Atmel是全球最大的車載觸控IC廠家,市場占有率超過65%。它使用互電容搭配Differential取樣技術來測量多指訊號,可以識別所有觸摸動作,並避免誤觸摸檢測。它們還利用Microchip新的信號整形專利技術,顯著降低信號發射,幫助使用maXTouch控制器的大尺寸螢幕滿足CISPR-25 5級汽車電磁干擾要求。這個檢測技術帶來了更好的信噪比(SNR),有效地消除LCM噪聲干擾,且可支持10mm厚度的玻璃蓋板。三倍輸入電壓的驅動面板能力,足以用來驅動大尺寸觸控面板的能力。具備輸出訊號的跳頻和波形整形技術以及自互容和Differential、Single-Ended ADC取樣技術,只要在晶片內儲存一個配置設定,不需要用戶手動切換模式,便能支持不同厚度手套與被動筆的應用、動態偵測防水算法等的多種外在環境干擾,以通過各種嚴格的使用者體驗和電磁干擾測試。Microchip提供採用maXTouch觸摸屏控制器的印刷電路板(PCB)、安裝在透明玻璃蓋板上的觸摸傳感器、連接傳感器顯示屏所需的平面印刷電路(FPC)方案。
 

 

Microchip的手勢識別不同於傳統的圖形手勢識別,它沒有攝像頭,而是採用了一種近電勢場的技術。
 

 

 

 

上圖為近電勢場的理論示意圖,它不會受到光線和聲音的影響,它的載波頻率很低,分別為42、43、44、45和100KHz,不會衝擊任何頻譜管制。
 

 

 
上圖為MGC3140的內部框架圖,採用類似毫米波雷達的設計,5發5收,感知與計算都在一片晶片內部完成,而像寶馬之類的手勢控制至少需要兩顆晶片,一顆是CMOS圖像傳感器,另一顆是圖像處理系統,還有可能需要一個MCU,此外,紅外補光LED也不可缺少,而MGC3140一顆就足以完成全部功能,系統簡潔且成本低。
 

 

上圖為Touch Pro Duo系統主機,由博世設計,設計相當先進。從外形可以看出,這是一塊底板或者叫母板,多塊子板構成。
 

 

上圖為母板,IHS提供圖片

 

 

上表為主要元件及價格(價格僅供參考)

 

 

 

上圖為本人推測的路虎星脈Infotainment的網絡架構,歡迎高手指出錯誤。首先是CPU,這是英特爾早期產品,沒有以太網MAC和CAN接口,主要接口是USB、SATA和PCIe。一路通過CPLD將USB轉CAN網絡,用了兩片CPLD。另一路通過WGI210CS PCIe轉以太網。手勢識別與主MCU連在CAN網絡上。以太網方面,T-BOX一路負責4G、WLAN、BT、GPS/SDRAS和OTA升級,以太網接入或直接輸入E3845。也有可能T-BOX 4G通訊信號進入車身網關,再通過車身網關進入以太交換機。再一路是360環視接入。
 
如果是採用解串行的方式處理360環視,那麼360環視視頻可以直接進入E3845,但是這樣就找不到FPGA的用武之地了,考慮到博世為寶馬做的360環視是車載以太網,推測路虎也是如此。再一路是車身網關,也有可能還有一路音頻以太輸出。一路FPGA將以太網信號轉換為HDMI信號,再通過APIX解串行輸出到螢幕,也輸送給後排娛樂顯示系統,後排的娛樂顯示系統也可以顯示導航信息包括路徑規劃,整體路況和到達目的地時間等。一路以太網連接儀表,可以把導航地圖推送到儀表顯示。ADAS ECU與儀表通過以太網連接,將ADAS信息推送給儀表,儀表再通過APIX解串行與HUD的螢幕連接。E3845也有視頻輸入通道,可以接一個傳統意義的後視攝像頭。
 

 

上圖為路虎用的以太網交換機BCM89501內部框架圖,其內部集成了5個BroadR-Reach PHY,有兩個上傳通道。支持IEEE1588和IEEE802.1AS。內部包含一個ARM Cortex R4實時處理器內核。
 

 

上圖為E3845內部框架圖,這是E3800系列的最頂級產品,是E3800系列唯一4核的產品,路虎星脈是在2016年設計的,2016年的下半年英特爾就推出了E3900系列,車載產品則是A3900系列,相信下一代產品,路虎會換用A3900系列。
 
Touch Pro Duo系統下方螢幕集成的功能則更為豐富,除了電話、音樂等常規功能外,用戶還可以在該螢幕上完成一些車輛控制功能。此外,在有特殊路況模式需求下,用戶也可以在該螢幕上選擇越野模式,並在螢幕上看到虛擬的車輛形式狀態。物理旋鈕和螢幕的原生結合,對用戶體驗的提升也顯而易見。
 
以最常用的空調溫度調節功能為例,此前的路虎車型上,用戶通過旋鈕調節溫度時只能看見旋鈕上方的溫度數字顯示,而在和液晶屏的UI設計結合後,用戶在旋轉旋鈕的過程中,紅藍(熱冷)兩色會在液晶顯示屏內的虛擬車輛上完成轉換。路虎官方透露,攬勝星脈的InControl Touch Pro Duo系統除了可得見的進化外,還增加了學習功能,可以通過記錄車主的日常操作來學習車主的使用習慣,通過數據判斷車主的需求,隨時為車主提供所需的服務。
 
反觀國內,HMI或者說車機領域老是跟手機較勁,試圖把手機放進車內,用戶已經習慣用手機了,但不會習慣把車機當手機用,車機必須有車機的特點,像路虎這樣精心考慮用戶需求而不是追求一些華而不實的類手機功能,這種HMI非常值得學習。


來源:Microchip、佐思汽車研究

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