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车载(An on-board)安卓系统的实行方案和理会事项

谷歌创立的开放手机联盟 (OHA) 已走过七个春秋,该联盟已经让安卓 (Android)
操作系统更容易被手机开发商所利用。在其成立后的相当短的时间内,安卓平台已经发展成为主流智能手机和平板操作系统,目前开始出现在汽车和工业应用等拓展市场。苹果
(Apple) 的 iOS 和微软的 Windows CE
等与之竞争的操作系统正在失去市场份额,基于安卓系统的设备则取而代之。事实上,可下载的有用的安卓应用的数量已经增长到近110万个(数据来源:AppBrain
2014年1月)。

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随着阿里巴巴Alios和百度Apollo计划的轮番登台,“操作系统OperatingSystem”
似乎在一夜间成为了智能网联汽车的标配。事实真是如此吗?本文将简单的介绍下汽车操作系统的前世今生。

基于安卓系统的消费电子设备用户还希望可以在开车或乘车时使用他们的应用程序和设备功能。对于想要实现基于安卓系统的车载信息娱乐系统设计师来说,这里有多种途径,例如对安卓操作系统进行全面定制后直接加载到芯片平台(裸机)上,或者将智能手机与汽车的基础架构简单链接。本文将对这些途径及其利弊进行介绍。

谷歌创立的开放手机联盟 已走过七个春秋,该联盟已经让安卓
操作系统更容易被手机开发商所利用。在其成立后的相当短的时间内,安卓平台已经发展成为主流智能手机和平板操作系统,目前开始出现在汽车和工业应用等拓展市场。苹果
的 iOS 和微软的 Windows CE
等与之竞争的操作系统正在失去市场份额,基于安卓系统的设备则取而代之。事实上,可下载的有用的安卓应用的数量已经增长到近110万个(数据来源:AppBrain
2014年1月)。

车载系统和电控系统

车载安卓智能设备

基于安卓系统的消费电子设备用户还希望可以在开车或乘车时使用他们的应用程序和设备功能。对于想要实现基于安卓系统的车载信息娱乐系统设计师来说,这里有多种途径,例如对安卓操作系统进行全面定制后直接加载到芯片平台上,或者将智能手机与汽车的基础架构简单链接。本文将对这些途径及其利弊进行介绍。

要谈汽车操作系统,首先得了解汽车电子。

2007年,由谷歌成立的开放手机联盟与手机制造商和半导体厂商宣布推出专门针对手机开发社区的安卓操作系统。最初版本被称为“Cupcake”(纸杯蛋糕),此后发布的版本均以甜点主题命名。在推出“Honeycomb”(蜂窝)版本的同时,谷歌打造了其首款平板电脑专用操作系统,2012年发布的“Ice-Cream
Sandwich”(冰淇淋三明治)版本将智能手机和平板电脑操作系统的要求整合到一个平台上。现在,基于安卓系统的智能手机占据了五分之四的市场份额,而剩余份额基本上采用的是苹果的
iOS 系统。

车载安卓智能设备

传统汽车电子产品可归纳为两类:一类是车载电子设备,如仪表,娱乐音响、导航系统、抬头显示、车载通信、无线上网等等,这类系统不直接参与汽车行驶的控制决策,不会对车辆行驶性能和安全产生影响,通常统称为车载娱乐信息系统(In-Vehicle
Infotainment,IVI)。

最近,谷歌在拉斯维加斯2014年国际消费类电子产品展览会 (2014 International
Consumer Electronics Show) 上宣布,开放汽车联盟 (OAA)
的使命是使安卓平台应用于汽车。除了谷歌以外,开放汽车联盟的创始成员包括奥迪
(Audi)、通用 (GM)、本田 (Honda)、现代 (Hyundai)和
nVidia。其他厂商预计也将相继加入开放汽车联盟,但是关于安卓平台将如何用于汽车的细节尚处于讨论阶段。一些制造商,例如起亚
(Kia) 和雷诺
(Renault),已经将定制的安卓系统加载于量产汽车上,并使其自身精心管理的安卓应用库可在车内使用。下表概括了智能手机安卓系统的现有功能和车载安卓系统必备功能之间的差别。

2007年,由谷歌成立的开放手机联盟与手机制造商和半导体厂商宣布推出专门针对手机开发社区的安卓操作系统。最初版本被称为“Cupcake”,此后发布的版本均以甜点主题命名。在推出“Honeycomb”版本的同时,谷歌打造了其首款平板电脑专用操作系统,2012年发布的“Ice-Cream
Sandwich”版本将智能手机和平板电脑操作系统的要求整合到一个平台上。现在,基于安卓系统的智能手机占据了五分之四的市场份额,而剩余份额基本上采用的是苹果的
iOS 系统。

另一类是汽车电子控制装置,它们是车辆运动和安全防护的控制“大脑”,通过直接向执行机构(如电子阀门,继电器开关,执行马达等)发送指令以控制车辆关键部件(如发动机,变速箱,动力电池等)的协同工作,这类系统可以统称为电子控制单元(ElectronicControl
Unit, ECU)。

图片 1与安卓智能手机相比车载安卓的潜在要求

最近,谷歌在拉斯维加斯2014年国际消费类电子产品展览会 (2014 International
Consumer Electronics Show) 上宣布,开放汽车联盟
的使命是使安卓平台应用于汽车。除了谷歌以外,开放汽车联盟的创始成员包括奥迪
、通用 、本田 、现代 和
nVidia。其他厂商预计也将相继加入开放汽车联盟,但是关于安卓平台将如何用于汽车的细节尚处于讨论阶段。一些制造商,例如起亚
和雷诺
,已经将定制的安卓系统加载于量产汽车上,并使其自身精心管理的安卓应用库可在车内使用。下表概括了智能手机安卓系统的现有功能和车载安卓系统必备功能之间的差别。

常见的ECU包括EMS发动机电控系统,ABS制动防抱死控制、变速箱牵引力控制TCU、电子稳定控制EPS、电子动力转向EPS,新能源汽车整车控制VCU,电池管理系统BMS等。

如果开放汽车联盟建立了一个共同的安卓基础平台,现有的实现方法可能很快就可以发挥作用,因为任何经过谷歌批准的新安卓操作系统无疑会降低维护和支持成本。与早期安卓版本和车载设备的兼容性将是一个重要特征,同时也将是开放汽车联盟首要关注的问题。在整车使用寿命期内,车主不可能像智能手机用户那样频繁升级车载软件。谷歌大约每隔九个月发布一次新安卓版本(图1),而安卓
4.4
“KitKat”版本正处于量产过程中。智能手机市场的各个安卓版本都未能存活很长时间。相比之下,这些版本很可能作为内置汽车配置使用较长时间。

如果开放汽车联盟建立了一个共同的安卓基础平台,现有的实现方法可能很快就可以发挥作用,因为任何经过谷歌批准的新安卓操作系统无疑会降低维护和支持成本。与早期安卓版本和车载设备的兼容性将是一个重要特征,同时也将是开放汽车联盟首要关注的问题。在整车使用寿命期内,车主不可能像智能手机用户那样频繁升级车载软件。谷歌大约每隔九个月发布一次新安卓版本,而安卓
4.4
“KitKat”版本正处于量产过程中。智能手机市场的各个安卓版本都未能存活很长时间。相比之下,这些版本很可能作为内置汽车配置使用较长时间。

为什么需要操作系统?

图片 2(图1)安卓版本及其分布(数据来源:Phandroid,2013年12月)

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汽车操作系统是汽车电子软件的重要组成部分,但不是所有的汽车电子产品都需要操作系统。

整合安卓智能设备

从20世纪90年代开始,随着车载和电控系统功能的日益丰富以及汽车电子产品外部交互/接口标准的种类增加,这类基于微控制芯片的嵌入式电子产品逐渐需要采用类似个人电脑的软件架构以实现分层化,平台化和模块化,提高开发效率的同时降低开发成本。因此,汽车电子产品才逐步开始采用了嵌入式操作系统(EmbeddedOperating
System)。

考虑到安卓的普及性,驾驶员或乘客人人拥有一部安卓智能设备的情况是极有可能发生的。在理想情况下,这样的设备将可以方便地连接到汽车基础架构的某些部件上,可能有多种连接形式,整合深度取决于使用情况。在最简单的整合形式中,用户喜欢在驾车时给自己的智能手机充电,而每部汽车都有一个用于连接
USB 充电器的 12V
配件。较复杂的是内置蓝牙配对套件,它可以让智能设备的音乐通过车内音响系统进行播放。大多数新款汽车现在都有这个功能(图2)。

以车载娱乐信息系统为例,最早的数字收音机/CD播放器采用专用的音频解码芯片就能实现,后来实现数字化将可触摸液晶屏代替播放器开关、调节按钮,后来又增加了蓝牙电话功能,接着又集成了地图导航、倒车雷达影像,相应的实现这些功能的IVI嵌入式系统主CPU数据处理能力也逐步增强,从最早4位、8位发展到16位、32位到后来多核,引入嵌入式操作系统,就是有效分配CPU资源,对以上各种任务功能进行协同管理,并控制各项任务优先级别。

图片 4(图2)与实施成本有关的智能设备集成水平

相比车载电子产品,电控系统通常需要闭环控制,这样就意味着需要响应更多的输入输出信号,任务调度更加复杂;另外,由于电控系统直接参与车辆行驶的管理,系统可靠性要求要更高,因此应用于电控单元ECU的嵌入式操作系统比车载电子产品的操作系统有更严苛的技术指标。

不断涌现的新标准正在提升车内设备集成水平。汽车连接联盟 (Car Connectivity
Consortium, CCC) (www.mirrorlink.com)
自成立起就致力于推动设备集成标准的确立,使在车载信息娱乐主机上远程管理和显示加载于智能手机的应用成为可能。汽车连接联盟已经规定使用通用即插即用
(UPnP) 装置控制车载应用的存取。另一项标准——虚拟网络计算 (Virtual Network
Computing, VNC)
让智能手机显示屏上显示的信息得以复制到作为瘦客户机的信息娱乐主机上。然后,该应用可以在智能手机上运行,但在信息娱乐主机上能够被看到。汽车连接联盟已经成为领先的汽车产业联盟,拥有超过80个成员,占全球汽车产能的70%。汽车连接联盟还正在定义车载应用批准流程,这是由于汽车制造商想要严密控制哪些应用可以用于车载用途。因为汽车连接联盟是仅针对安卓系统的组织,该组织将寻求与谷歌近期成立的开放汽车联盟密切合作。

车载操作系统IVI-OS

目前,大多数集成都是通过 USB
连接线完成的,但是这种途径显得笨拙且不可靠。一些车载信息娱乐主机现在拥有
Wi-Fi 功能,因此现在有了另外一种智能设备集成途径。Wi-Fi 联盟 (Wi-Fi
Alliance) (www.wi-fi.org) 还提供了 Miracast
标准,一种端对端的标准,它可以使希望共享多媒体流的基于 Wi-Fi
的设备之间实现无缝连接。

早在2011年,咨询机构StrategyAnalytics对中国当时主流汽车主机厂和车载信息娱乐系统供应商进行了调研,报道了当时车载操作系统的生态圈,如图所示。随着中国汽车市场的持续增长带来的变化,该报告在2015年进行了部分更新,目前市场上用于车载系统的OS包括:

集成智能设备也可以为信息娱乐主机提供漫游 3G/4G/LTE
连接。这提供了一种替代内置无线调制解调器的廉价选择,以及多种单独的资费和数据套餐。然而,即将出台的欧洲
eCall
法案要求所有新车都必须具有自动紧急呼叫求助功能,这可能意味着内置调制解调器必须始终存在。到2015年底或2016年,量产汽车可能就必须遵守
eCall 法案的相关规定。在此期间,集成智能设备就可以成为一种有效的替代品。

1.
Android:开源操作系统,无授权费用对很多中低端车载电子产品开发商是有很大的吸引,但是版本升级过于频繁,开机启动时间长,系统稳定性不强而饱受诟病。

无论是成本还是集成规模,汽车OEM厂商奥迪均处于高端水平,该公司已经推出一款专为车内使用设计的专用10.2英寸的平板设备。“奥迪平板电脑”有权访问专门的应用商店,并可以通过
Wi-Fi
连接车辆的导航和信息娱乐系统。这种方法的优点在于移动设备解决方案处于严格管理下并经过高度集成,与软硬件整合的品质极高。

  1. Microsoft:从定位工业应用WinCE到移动通信的Windows
    Embedded操作系统,由于相对稳定的性能和平(Dao)价(Ban)授权费用,深受众多从消费电子转型到后装导航市场的公司推崇,但市场份额持续下降。

与安卓系统兼容的架构

3.
QNX:曾经占据接近60%的市场份额,优惠的单机授权费用和良好的开发支持是主流国际汽车电子供应商愿意合作的原因,但随着其母公司Blackberry的凋落和其他免费竞争对手挑战,风光已不敌当年。