Telematics的應(yīng)用模式與系統(tǒng)設(shè)計(jì)要領(lǐng)

?????? 在汽車的資訊娛樂系統(tǒng)中，過去基本的配備即是類比AM／FM音訊廣播及音樂CD的播放設(shè)備，為駕駛及乘客提供娛樂及交通狀況。隨著技術(shù)的演進(jìn)，除了音訊廣播邁向數(shù)位化外，開始加入車載GPS導(dǎo)航及數(shù)位電視／DVD／VCD的播放功能，以及行動(dòng)電話（GSM／GPRS）的語(yǔ)音通話及資訊連接功能，進(jìn)而發(fā)展出新興的Telematics應(yīng)用與服務(wù)。

這套整合系統(tǒng)能提供即時(shí)路況導(dǎo)航、指引最佳的行車路線（避開擁塞路段）、提供汽車狀況診斷、失車尋回、預(yù)約停車位、電子收費(fèi)（Electronics Toll Collection；ETC）及進(jìn)行緊急狀況呼叫等多樣性的加值服務(wù)。以下將介紹Telematics的應(yīng)用模式與系統(tǒng)設(shè)計(jì)要領(lǐng)。


Telematics新興應(yīng)用模式

對(duì)于行車駕駛來說，Telematics概念的出現(xiàn)可說是汽車發(fā)展史上的一大突破，它打破原先只是個(gè)孤島的汽車個(gè)體限制，讓具備Telematics功能的汽車能夠隨時(shí)透過GPS獲知所處的位置，并將位置資訊傳送給相關(guān)的服務(wù)供應(yīng)商，進(jìn)而能提供道路救援、失車找回等服務(wù)。目前包括裕隆的TOBE汽車行動(dòng)秘書、北美GM的OnStar，以及Toyota、Honda、Nissan等日本車系都有類似的服務(wù)。

除了個(gè)別車廠的Telematics服務(wù)外，包括歐、美、日等許多國(guó)家更積極將與Telematics相關(guān)的行車緊急救難提升為全國(guó)性、甚至是跨國(guó)性的應(yīng)變系統(tǒng)。在歐盟底下由eSafety Forum所推動(dòng)的eCall計(jì)畫中，預(yù)定在2009年9月以后，全部的新車都要具有eCall的配備，此配備將結(jié)合碰撞偵測(cè)、GPS和行動(dòng)通訊三大功能，在第一時(shí)間自動(dòng)向泛歐統(tǒng)一的緊急電話號(hào)碼112進(jìn)行通報(bào)，除了車輛地理位置之外，eCall還設(shè)定可傳送數(shù)據(jù)資料，以語(yǔ)音和資訊雙重管道讓112接線人員來判定合適的救援方式。

車況感測(cè)與診斷

除了道路救援、失車找回及緊急救難外，Telematics系統(tǒng)還能結(jié)合車上的各種感測(cè)系統(tǒng)，為車主提供車輛性能與車況之自動(dòng)偵測(cè)，例如胎壓偵測(cè)（TPMS），也能提供駕駛輔助及警示功能，如預(yù)碰撞警示或前方路況監(jiān)視；透過Telematics系統(tǒng)，汽車內(nèi)的機(jī)械及電子元件運(yùn)作狀況就能遠(yuǎn)距傳回給車廠，進(jìn)而得到遠(yuǎn)端診斷（Remote Diagnosis）服務(wù)；保險(xiǎn)公司還可以依據(jù)對(duì)駕駛行為的即時(shí)或離線監(jiān)控紀(jì)錄（如飛機(jī)的汽車黑盒子）來判斷出事時(shí)該支付何種等級(jí)的保險(xiǎn)費(fèi)用。當(dāng)然，車主也能從遠(yuǎn)端獲得輔助的行車資訊，如交通狀況資訊或車廠進(jìn)行遠(yuǎn)端診斷后的車況報(bào)告等。

電子收費(fèi)與車間通訊

Telematics的另一項(xiàng)重要應(yīng)用，即是電子收費(fèi)系統(tǒng)（Electronic Toll Collection；ETC）由于ETC有助于舒緩收費(fèi)站交通堵塞的問題，也能省下人事管理費(fèi)用及減少收費(fèi)站建設(shè)費(fèi)用，因此在許多國(guó)家已積極開始積極布建。 ETC系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，必須利用自動(dòng)車輛辨識(shí)（Automatic Vehicle Indentification；AVI）技術(shù)，AVI還可分為特定短距通訊技術(shù)（Dedicated Short Range Communication；DSRC）與自主式車輛定位系統(tǒng)（Vehicle Position System；VPS）兩種辨識(shí)技術(shù)。所謂的DSRC技術(shù)，乃是利用裝置于路旁的定點(diǎn)通訊感應(yīng)設(shè)備，與車上單元互動(dòng)進(jìn)行通訊辨識(shí)，來做收費(fèi)扣款的動(dòng)作；VPS系統(tǒng)則是使用整合有車輛定位功能的車上單元，當(dāng)車輛行駛收費(fèi)道路時(shí)，向后端帳務(wù)中心回報(bào)扣款。

除了電子收費(fèi)的應(yīng)用，DSRC還可用于另一個(gè)新穎的概念，也就是車間通訊。當(dāng)車輛與車輛靠近一定距離時(shí)，兩車會(huì)自動(dòng)連通，并交換鄰近的交通狀況，如塞車、事故、危險(xiǎn)路段等資訊。此應(yīng)用的立意極佳，而且不需經(jīng)由特定的服務(wù)業(yè)者來主導(dǎo)，發(fā)展重點(diǎn)在于要有相當(dāng)數(shù)量的車子具有此種通訊功能，而且不同的車種、廠牌之間要能互相通訊，才能發(fā)揮效用。

RDS-TMC

Telematics系統(tǒng)中，除了應(yīng)用行動(dòng)通訊網(wǎng)路（GSM、GPRS或3G）來從服務(wù)供應(yīng)商處得到交通、旅館、娛樂、氣象、訂票等資訊外，也可以透過一般的收音廣播方式來得到此類服務(wù)。目前最有名的是歐洲TMC（Traffic Message Channel）聯(lián)盟所推動(dòng)的數(shù)位路況廣播系統(tǒng)（Radio Navigation System）。在此系統(tǒng)架構(gòu)中，汽車駕駛能夠自行設(shè)定接收RDS（Radio Data System）副載波的頻率，再透過TMC-enabled的導(dǎo)航系統(tǒng)提供駕駛動(dòng)態(tài)路經(jīng)指引。此外，TMC也能與數(shù)位廣播（DAB）或行動(dòng)網(wǎng)路結(jié)合，因此極具發(fā)展性。目前歐洲已有包括德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、匈牙利、西班牙、奧地利與荷蘭等國(guó)家提供此服務(wù)，未來將增加至20個(gè)國(guó)家以上。


系統(tǒng)架構(gòu)剖析

Telematics是結(jié)合GPS、通訊、資訊、車內(nèi)匯流排協(xié)定（CAN／LIN／MOST）、車載視聽娛樂裝置的一套系統(tǒng)，而且還必須倚賴行動(dòng)通訊網(wǎng)路、客服中心、資訊服務(wù)提供者（Telematics Service Providers ； TSP）、應(yīng)用軟體及其他相關(guān)元件的協(xié)力運(yùn)作，才能進(jìn)行兩大資訊（汽車資訊與車外資訊）之單向或雙向接收與傳送。其系統(tǒng)架構(gòu)中必須包括以下單元：

中央控制器

Telematics車載機(jī)的主控制器／處理器為運(yùn)算及控制的核心，整個(gè)控制器具有強(qiáng)化外殼且符合車用規(guī)范（-40℃～+85℃或105℃、防震、防摔、高穩(wěn)定性）。隨著工作負(fù)載的不斷增加，此類主控制器／處理器的需求規(guī)格不斷提升，從16位元MCU逐步提升到32位元MCU，甚至采用高整合度的SoC應(yīng)用處理器；在處理器核心方面，大致上又可分為采用ARM7及ARM9兩種等級(jí)，下一代的高階產(chǎn)品將會(huì)搭配更強(qiáng)大的ARM11核心，并采用先進(jìn)的65奈米制程。

通訊模組

Telematics車載機(jī)的主控制器／處理器必須透過UART等介面來連結(jié)各種無線技術(shù)模組，除了藍(lán)牙、2G／2.5G／3G、DSRC等無線雙向的通訊技術(shù)外，還包括GPS、Radio RDS、 Satellite Radio、DVB-T／DVB-H／T-DMB等單向接收的無線技術(shù)。這些技術(shù)都具有天線、射頻和基頻三大基本組成單元。

平面顯示與人機(jī)介面

平面顯示可分為前座與后座系統(tǒng)之平面液晶顯示器，前者可顯示中央控制臺(tái)提供的汽車內(nèi)外資訊，后者則可為共乘者提供各式娛樂影視畫面。在操作上需提供簡(jiǎn)易、友善之人機(jī)介面軟硬體技術(shù)，如面板控制、紅外線遙控、語(yǔ)音啟動(dòng)、觸碰式螢?zāi)弧?br>
車內(nèi)溝通

利用Telematics System與整個(gè)汽車系統(tǒng)（Vehicle Systems）溝通，并藉由多媒體系統(tǒng)傳達(dá)使用者各種警示及提醒的車內(nèi)訊息。例如緊急呼叫裝置（SOS Button）即是內(nèi)建于中央控制器或是室內(nèi)車頂燈的緊急呼叫按鈕與服務(wù)呼叫按鈕。


《圖一　Telematics系統(tǒng)架構(gòu)圖》

GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)要領(lǐng)

在Telematics系統(tǒng)中，GPS接收器已是不可或缺的一個(gè)核心。評(píng)斷GPS效能的指標(biāo)主要有四項(xiàng)，分別是：第一次定位時(shí)間（Time to first fix；TTFF）、準(zhǔn)確性（Position accuracy）、靈敏度（Sensitivity）及通道數(shù)量（channel number）。其中最被重視的指標(biāo)為TTFF，在毫無衛(wèi)星資料的冷啟動(dòng)狀況下，目前市場(chǎng)上多數(shù)GPS接收器的首次定位時(shí)間至少需要35～38秒，若遇到收訊不良的環(huán)境，更動(dòng)輒需要一分鐘以上的時(shí)間。

GPS接收器包括射頻（RF）及數(shù)位基頻兩大部分，更仔細(xì)地來看，它是由RF前端、GPS引擎、處理器（通常為ARM7）、記憶體（ROM／RAM）和即時(shí)時(shí)脈（RTC）IC等單元所組成；其外部還有被動(dòng)或主動(dòng)天線，以及搭配溫度補(bǔ)償型振蕩器（TCXO）；如果有特殊的應(yīng)用需求，還得使用到外部的Flash EPROM或Serial EEPROM等記憶體。

這些單元可以采離散式（discrete）的作法來提高設(shè)計(jì)上的彈性，也能采整合式的策略，即將多個(gè)單元整合為一顆系統(tǒng)單晶片（SoC）、單封裝（SiP）或模組，以降低設(shè)計(jì)的難度及成本。以ST的Cartesio系統(tǒng)單晶片為例，它將基頻與射頻功能整合于小型的QFN-68封裝之中。它在基頻部分采用ARM7TDMI為核心，時(shí)脈可高達(dá)66MHz；在射頻部分為主動(dòng)天線系統(tǒng)，含有易與被動(dòng)天線連接的介面；此外，它還內(nèi)建ROM及SRAM記憶體。由于只需要用到少數(shù)的外部元件，因此能降低總體物料（BOM）成本；其小尺寸能讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)更為輕薄短小，而且具有低功耗的優(yōu)勢(shì)；不僅如此，此類整合性產(chǎn)品也讓工程師省下調(diào)校射頻與基頻整合的研究心力，能加速產(chǎn)品上市時(shí)間。


《圖二　整合GPS功能的汽車用應(yīng)用處理器架構(gòu)圖》

此外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上還有一些需注意的要領(lǐng)，包括功耗的降低和雜訊、干擾的抑制。以GPS接收器來說，相關(guān)器的運(yùn)作是產(chǎn)生功耗的主要來源，因此最好能分別控制每個(gè)相關(guān)器通道，也就是當(dāng)不需要啟動(dòng)所有通道的時(shí)候，系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整為僅啟動(dòng)所需的相關(guān)器通道，以降低功耗。此外，透過備用電池的使用，能將電源電壓降低，這也有助于節(jié)省功耗。

從高頻轉(zhuǎn)低頻的過程，是雜訊產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié)，在此過程中必須妥善抑制雜訊的產(chǎn)生，例如將SAMP CLK的訊號(hào)諧波降到最小，以免混雜在中頻（IF）鏈路當(dāng)中，這可透過在射頻前端與相關(guān)器之間配置適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電阻器來達(dá)成抑制的目標(biāo)。此外，各單元在電路上的布局和布線，也會(huì)影響干擾的狀況，因此需要進(jìn)行妥善的規(guī)劃。


其他設(shè)計(jì)議題

多媒體系統(tǒng)

在車載多媒體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，需要采用更為先進(jìn)的處理架構(gòu)來滿足復(fù)雜的影音應(yīng)用功能。除了主處理器核心外，特殊的硬體設(shè)計(jì)是有必要的，例如透過視訊加速器、音訊加速器、2D／3D繪圖加速器、Java加速器、加速功能硬體（Acceleration hardware）等專屬硬體來分散處理資源，并加速完成工作。

汽車的多媒體系統(tǒng)還是以音訊為主體，而今日的汽車音訊次系統(tǒng)必須支援多種音訊標(biāo)準(zhǔn)，如MP3、AAC、AAC+、WMA、Midi合成，以及高階多通道音訊，如MP3Pro、MWA、DTS-ES、 AAC、Dolby Digital-EX等，還得提供雜訊抑制、回聲消除、立體聲強(qiáng)化與環(huán)繞音效等功能。此外，強(qiáng)化的3D繪圖加速器，可用于地圖繪制和人機(jī)介面的顯示功能。

在車用音訊廣播方面，目前全球存在多種類比與數(shù)位的規(guī)格，類比方面包括既有的AM及FM頻道，以及美國(guó)的天氣頻道（weather band）。類比音訊廣播仍是今日車載廣播的主流應(yīng)用，核心架構(gòu)包括AM／FM接收器及播放機(jī)制、驅(qū)動(dòng)多個(gè)喇叭的音訊功率放大器，其中接收器又包括RF的解調(diào)器（tuner）及訊號(hào)處理的音訊處理器。

數(shù)位音訊廣播又可分為地面廣播，包括DAB／DMB、Digital Radio Mondiale（DRM）、HD Radio，以及衛(wèi)星廣播，包括XM Radio、Sirius和WorldSpace。其中數(shù)位音訊廣播讓基地臺(tái)能更有效的利用頻譜、接收性能也能提升，也更容易使用，而且除了聲音的傳送外，它也能同時(shí)傳送影像與數(shù)據(jù)服務(wù)，因此已是汽車娛樂的重要應(yīng)用趨勢(shì)。

在技術(shù)上，數(shù)位音訊廣播將高頻類比訊號(hào)轉(zhuǎn)為中頻后，再轉(zhuǎn)為數(shù)位訊號(hào)，透過數(shù)位訊號(hào)處理（DSP）技術(shù)，包括聲調(diào)（tone）、音量、漸大漸小和平衡，以及聲音的參數(shù)性等化等音訊效果都能進(jìn)行數(shù)位化的處理，可有效改善接收穩(wěn)定性及音訊品質(zhì)。


《圖三　數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖》

CAN總線協(xié)議

車機(jī)Telematics系統(tǒng)與PND等獨(dú)立型設(shè)備的最大的差異之一，就是Telematics系統(tǒng)往往必須支援車內(nèi)通訊協(xié)定。目前常見或發(fā)展中的車內(nèi)通訊協(xié)定包括CAN、LIN、MOST、FlexRay、byteflight、In vehicle等等，對(duì)Telematics來說，CAN協(xié)定最為重要。 CAN具有極佳的容錯(cuò)能力，能夠長(zhǎng)時(shí)間在惡劣的溫度、壓力及粉塵環(huán)境下以高安全等級(jí)來支援分散式、關(guān)鍵性的即時(shí)控制，而且具備低成本和易建置的特色，因此廣泛被車輛制造業(yè)所采用。

《圖四　不同通訊協(xié)議技術(shù)的速度及應(yīng)用定位》

CAN在汽車電子系統(tǒng)中的應(yīng)用很廣，其高速CAN協(xié)定常被用于汽車動(dòng)力或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制單元，例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、自動(dòng)變速器控制單元、ABS控制單元、安全氣囊控制單元等；低速CAN則使用于車身系統(tǒng)，例如車門上的集控鎖、車窗、行李箱鎖、后視鏡及車內(nèi)頂燈。在具備遙控功能的情況下，CAN控制器還能對(duì)遙控信號(hào)進(jìn)行接收處理，或控制其他防盜系統(tǒng)。

當(dāng)Telematics系統(tǒng)透過CAN匯流排獲得關(guān)于車身、汽車動(dòng)力／傳動(dòng)等性能資訊，就能發(fā)展出許多加值性的新興應(yīng)用，如駕駛輔助／警示資訊、遠(yuǎn)端診斷、緊急救援等。不過，由于各車廠掌握有自己的一套協(xié)定規(guī)范作法，因此這類的應(yīng)用開發(fā)必須和車廠密切配合才能做得出來。

汽車等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

一臺(tái)汽車是由許許多的零組件所組成，這些零組件雖然有大有小，但由汽車的行駛與生命安全息息相關(guān)，每個(gè)零組件都被要求能達(dá)到最高的品質(zhì)與可靠性。因此汽車電子設(shè)備開發(fā)的另一重要特色，就是需要滿足嚴(yán)苛的汽車等級(jí)（Automotive Grade）認(rèn)證，甚至需做到零缺陷（Zero Defect）的理想境界。對(duì)于汽車零組件而言，產(chǎn)品的最大推動(dòng)力往往不是「先進(jìn)技術(shù)」，而是「品質(zhì)水準(zhǔn)」。 Telematics系統(tǒng)雖然與行車安全并沒有直接的關(guān)聯(lián)性，但目前仍受到汽車等級(jí)認(rèn)證的嚴(yán)格要求，這是消費(fèi)性電子廠商很難跨越的瓶頸。

目前汽車產(chǎn)業(yè)中已發(fā)展出幾個(gè)重要的品質(zhì)管理系統(tǒng)與相關(guān)規(guī)范，包括由汽車電子設(shè)備委員會(huì)（Automotive Electronics Council；AEC）所提出的各項(xiàng)規(guī)范，以及QS-9000和TS 16949等。此外，元件供應(yīng)商也會(huì)基于這些規(guī)范提出自己的一套管控作法，如ST的汽車等級(jí)認(rèn)證（Automotive Grade Qualification），除了滿足AEC及品質(zhì)管理系統(tǒng)規(guī)范外，ST還發(fā)展出一些嚴(yán)格管控的作法，例如在制程中采用特殊的篩選（screening）和測(cè)試方法，以及專屬的高可靠性認(rèn)證流程（High Reliability Certified Flow； HRCF）測(cè)試程式。

《圖五　汽車產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)歷史》

結(jié)語(yǔ)

對(duì)于汽車市場(chǎng)來說，Telematics雖然已討論多時(shí)，但真正快速成長(zhǎng)還需要一些時(shí)間。這一方面和汽車電子的設(shè)計(jì)時(shí)程較長(zhǎng)有關(guān)，另一方面則是Telematics需要一整套的基礎(chǔ)架構(gòu)來配合才行得通。不過，Telematics起飛的時(shí)間點(diǎn)已經(jīng)近了，隨著相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)的成熟與成本下降，車機(jī)Telematics的安裝門檻已大幅下降。而且車主對(duì)于LBS、防盜、緊急救援等需求非常明顯，加上各國(guó)政府已明確訂定與緊急救援相關(guān)的時(shí)間表，預(yù)估2009年至2010年間，將可看到Telematics的大量采用。
就生產(chǎn)商機(jī)來說，Telematics系統(tǒng)必須整合GPS定位與影音多媒體技術(shù)。目前***可說是GPS相關(guān)設(shè)備（尤其是PND）的設(shè)計(jì)制造重鎮(zhèn)，但要打進(jìn)汽車內(nèi)裝市場(chǎng)，仍欠缺汽車等級(jí)認(rèn)證、CAN協(xié)定建置與車載收音廣播等條件。此外，***設(shè)備廠商習(xí)慣以消費(fèi)性市場(chǎng)的模式來思考，這和生命周期極長(zhǎng)的汽車市場(chǎng)是有很大差異的。因此，透過與長(zhǎng)期投入汽車零組件設(shè)計(jì)的元件廠商合作，能夠更快地打進(jìn)這個(gè)市場(chǎng)。