Telematics的应用模式与系统设计要领

       在汽车的资讯娱乐系统中，过去基本的配备即是类比AM／FM音讯广播及音乐CD的播放设备，为驾驶及乘客提供娱乐及交通状况。随着技术的演进，除了音讯广播迈向数位化外，开始加入车载GPS导航及数位电视／DVD／VCD的播放功能，以及行动电话（GSM／GPRS）的语音通话及资讯连接功能，进而发展出新兴的Telematics应用与服务。

这套整合系统能提供即时路况导航、指引最佳的行车路线（避开拥塞路段）、提供汽车状况诊断、失车寻回、预约停车位、电子收费（Electronics Toll Collection；ETC）及进行紧急状况呼叫等多样性的加值服务。以下将介绍Telematics的应用模式与系统设计要领。


Telematics新兴应用模式

对于行车驾驶来说，Telematics概念的出现可说是汽车发展史上的一大突破，它打破原先只是个孤岛的汽车个体限制，让具备Telematics功能的汽车能够随时透过GPS获知所处的位置，并将位置资讯传送给相关的服务供应商，进而能提供道路救援、失车找回等服务。目前包括裕隆的TOBE汽车行动秘书、北美GM的OnStar，以及Toyota、Honda、Nissan等日本车系都有类似的服务。

除了个别车厂的Telematics服务外，包括欧、美、日等许多国家更积极将与Telematics相关的行车紧急救难提升为全国性、甚至是跨国性的应变系统。在欧盟底下由eSafety Forum所推动的eCall计画中，预定在2009年9月以后，全部的新车都要具有eCall的配备，此配备将结合碰撞侦测、GPS和行动通讯三大功能，在第一时间自动向泛欧统一的紧急电话号码112进行通报，除了车辆地理位置之外，eCall还设定可传送数据资料，以语音和资讯双重管道让112接线人员来判定合适的救援方式。

车况感测与诊断

除了道路救援、失车找回及紧急救难外，Telematics系统还能结合车上的各种感测系统，为车主提供车辆性能与车况之自动侦测，例如胎压侦测（TPMS），也能提供驾驶辅助及警示功能，如预碰撞警示或前方路况监视；透过Telematics系统，汽车内的机械及电子元件运作状况就能远距传回给车厂，进而得到远端诊断（Remote Diagnosis）服务；保险公司还可以依据对驾驶行为的即时或离线监控纪录（如飞机的汽车黑盒子）来判断出事时该支付何种等级的保险费用。当然，车主也能从远端获得辅助的行车资讯，如交通状况资讯或车厂进行远端诊断后的车况报告等。

电子收费与车间通讯

Telematics的另一项重要应用，即是电子收费系统（Electronic Toll Collection；ETC）由于ETC有助于舒缓收费站交通堵塞的问题，也能省下人事管理费用及减少收费站建设费用，因此在许多国家已积极开始积极布建。 ETC系统的实现，必须利用自动车辆辨识（Automatic Vehicle Indentification；AVI）技术，AVI还可分为特定短距通讯技术（Dedicated Short Range Communication；DSRC）与自主式车辆定位系统（Vehicle Position System；VPS）两种辨识技术。所谓的DSRC技术，乃是利用装置于路旁的定点通讯感应设备，与车上单元互动进行通讯辨识，来做收费扣款的动作；VPS系统则是使用整合有车辆定位功能的车上单元，当车辆行驶收费道路时，向后端帐务中心回报扣款。

除了电子收费的应用，DSRC还可用于另一个新颖的概念，也就是车间通讯。当车辆与车辆靠近一定距离时，两车会自动连通，并交换邻近的交通状况，如塞车、事故、危险路段等资讯。此应用的立意极佳，而且不需经由特定的服务业者来主导，发展重点在于要有相当数量的车子具有此种通讯功能，而且不同的车种、厂牌之间要能互相通讯，才能发挥效用。

RDS-TMC

Telematics系统中，除了应用行动通讯网路（GSM、GPRS或3G）来从服务供应商处得到交通、旅馆、娱乐、气象、订票等资讯外，也可以透过一般的收音广播方式来得到此类服务。目前最有名的是欧洲TMC（Traffic Message Channel）联盟所推动的数位路况广播系统（Radio Navigation System）。在此系统架构中，汽车驾驶能够自行设定接收RDS（Radio Data System）副载波的频率，再透过TMC-enabled的导航系统提供驾驶动态路经指引。此外，TMC也能与数位广播（DAB）或行动网路结合，因此极具发展性。目前欧洲已有包括德国、法国、英国、匈牙利、西班牙、奥地利与荷兰等国家提供此服务，未来将增加至20个国家以上。


系统架构剖析

Telematics是结合GPS、通讯、资讯、车内汇流排协定（CAN／LIN／MOST）、车载视听娱乐装置的一套系统，而且还必须倚赖行动通讯网路、客服中心、资讯服务提供者（Telematics Service Providers ； TSP）、应用软体及其他相关元件的协力运作，才能进行两大资讯（汽车资讯与车外资讯）之单向或双向接收与传送。其系统架构中必须包括以下单元：

中央控制器

Telematics车载机的主控制器／处理器为运算及控制的核心，整个控制器具有强化外壳且符合车用规范（-40℃～+85℃或105℃、防震、防摔、高稳定性）。随着工作负载的不断增加，此类主控制器／处理器的需求规格不断提升，从16位元MCU逐步提升到32位元MCU，甚至采用高整合度的SoC应用处理器；在处理器核心方面，大致上又可分为采用ARM7及ARM9两种等级，下一代的高阶产品将会搭配更强大的ARM11核心，并采用先进的65奈米制程。

通讯模组

Telematics车载机的主控制器／处理器必须透过UART等介面来连结各种无线技术模组，除了蓝牙、2G／2.5G／3G、DSRC等无线双向的通讯技术外，还包括GPS、Radio RDS、 Satellite Radio、DVB-T／DVB-H／T-DMB等单向接收的无线技术。这些技术都具有天线、射频和基频三大基本组成单元。

平面显示与人机介面

平面显示可分为前座与后座系统之平面液晶显示器，前者可显示中央控制台提供的汽车内外资讯，后者则可为共乘者提供各式娱乐影视画面。在操作上需提供简易、友善之人机介面软硬体技术，如面板控制、红外线遥控、语音启动、触碰式萤幕。

车内沟通

利用Telematics System与整个汽车系统（Vehicle Systems）沟通，并藉由多媒体系统传达使用者各种警示及提醒的车内讯息。例如紧急呼叫装置（SOS Button）即是内建于中央控制器或是室内车顶灯的紧急呼叫按钮与服务呼叫按钮。


《图一　Telematics系統架构图》

GPS系统设计要领

在Telematics系统中，GPS接收器已是不可或缺的一个核心。评断GPS效能的指标主要有四项，分别是：第一次定位时间（Time to first fix；TTFF）、准确性（Position accuracy）、灵敏度（Sensitivity）及通道数量（channel number）。其中最被重视的指标为TTFF，在毫无卫星资料的冷启动状况下，目前市场上多数GPS接收器的首次定位时间至少需要35～38秒，若遇到收讯不良的环境，更动辄需要一分钟以上的时间。

GPS接收器包括射频（RF）及数位基频两大部分，更仔细地来看，它是由RF前端、GPS引擎、处理器（通常为ARM7）、记忆体（ROM／RAM）和即时时脉（RTC）IC等单元所组成；其外部还有被动或主动天线，以及搭配温度补偿型振荡器（TCXO）；如果有特殊的应用需求，还得使用到外部的Flash EPROM或Serial EEPROM等记忆体。

这些单元可以采离散式（discrete）的作法来提高设计上的弹性，也能采整合式的策略，即将多个单元整合为一颗系统单晶片（SoC）、单封装（SiP）或模组，以降低设计的难度及成本。以ST的Cartesio系统单晶片为例，它将基频与射频功能整合于小型的QFN-68封装之中。它在基频部分采用ARM7TDMI为核心，时脉可高达66MHz；在射频部分为主动天线系统，含有易与被动天线连接的介面；此外，它还内建ROM及SRAM记忆体。由于只需要用到少数的外部元件，因此能降低总体物料（BOM）成本；其小尺寸能让产品设计更为轻薄短小，而且具有低功耗的优势；不仅如此，此类整合性产品也让工程师省下调校射频与基频整合的研究心力，能加速产品上市时间。


《图二　整合GPS功能的汽車用应用处理器架构图》

此外，在系统设计上还有一些需注意的要领，包括功耗的降低和杂讯、干扰的抑制。以GPS接收器来说，相关器的运作是产生功耗的主要来源，因此最好能分别控制每个相关器通道，也就是当不需要启动所有通道的时候，系统能自动调整为仅启动所需的相关器通道，以降低功耗。此外，透过备用电池的使用，能将电源电压降低，这也有助于节省功耗。

从高频转低频的过程，是杂讯产生的主要环节，在此过程中必须妥善抑制杂讯的产生，例如将SAMP CLK的讯号谐波降到最小，以免混杂在中频（IF）链路当中，这可透过在射频前端与相关器之间配置适当的电阻器来达成抑制的目标。此外，各单元在电路上的布局和布线，也会影响干扰的状况，因此需要进行妥善的规划。


其他设计议题

多媒体系统

在车载多媒体系统的设计上，需要采用更为先进的处理架构来满足复杂的影音应用功能。除了主处理器核心外，特殊的硬体设计是有必要的，例如透过视讯加速器、音讯加速器、2D／3D绘图加速器、Java加速器、加速功能硬体（Acceleration hardware）等专属硬体来分散处理资源，并加速完成工作。

汽车的多媒体系统还是以音讯为主体，而今日的汽车音讯次系统必须支援多种音讯标准，如MP3、AAC、AAC+、WMA、Midi合成，以及高阶多通道音讯，如MP3Pro、MWA、DTS-ES、 AAC、Dolby Digital-EX等，还得提供杂讯抑制、回声消除、立体声强化与环绕音效等功能。此外，强化的3D绘图加速器，可用于地图绘制和人机介面的显示功能。

在车用音讯广播方面，目前全球存在多种类比与数位的规格，类比方面包括既有的AM及FM频道，以及美国的天气频道（weather band）。类比音讯广播仍是今日车载广播的主流应用，核心架构包括AM／FM接收器及播放机制、驱动多个喇叭的音讯功率放大器，其中接收器又包括RF的解调器（tuner）及讯号处理的音讯处理器。

数位音讯广播又可分为地面广播，包括DAB／DMB、Digital Radio Mondiale（DRM）、HD Radio，以及卫星广播，包括XM Radio、Sirius和WorldSpace。其中数位音讯广播让基地台能更有效的利用频谱、接收性能也能提升，也更容易使用，而且除了声音的传送外，它也能同时传送影像与数据服务，因此已是汽车娱乐的重要应用趋势。

在技术上，数位音讯广播将高频类比讯号转为中频后，再转为数位讯号，透过数位讯号处理（DSP）技术，包括声调（tone）、音量、渐大渐小和平衡，以及声音的参数性等化等音讯效果都能进行数位化的处理，可有效改善接收稳定性及音讯品质。


《图三　数字音频广播系统硬件架构图》

CAN总线协议

车机Telematics系统与PND等独立型设备的最大的差异之一，就是Telematics系统往往必须支援车内通讯协定。目前常见或发展中的车内通讯协定包括CAN、LIN、MOST、FlexRay、byteflight、In vehicle等等，对Telematics来说，CAN协定最为重要。 CAN具有极佳的容错能力，能够长时间在恶劣的温度、压力及粉尘环境下以高安全等级来支援分散式、关键性的即时控制，而且具备低成本和易建置的特色，因此广泛被车辆制造业所采用。

《图四　不同通讯协议技术的速度及应用定位》

CAN在汽车电子系统中的应用很广，其高速CAN协定常被用于汽车动力或传动机构控制单元，例如汽车发动机控制单元、自动变速器控制单元、ABS控制单元、安全气囊控制单元等；低速CAN则使用于车身系统，例如车门上的集控锁、车窗、行李箱锁、后视镜及车内顶灯。在具备遥控功能的情况下，CAN控制器还能对遥控信号进行接收处理，或控制其他防盗系统。

当Telematics系统透过CAN汇流排获得关于车身、汽车动力／传动等性能资讯，就能发展出许多加值性的新兴应用，如驾驶辅助／警示资讯、远端诊断、紧急救援等。不过，由于各车厂掌握有自己的一套协定规范作法，因此这类的应用开发必须和车厂密切配合才能做得出来。

汽车等级标准

一台汽车是由许许多的零组件所组成，这些零组件虽然有大有小，但由汽车的行驶与生命安全息息相关，每个零组件都被要求能达到最高的品质与可靠性。因此汽车电子设备开发的另一重要特色，就是需要满足严苛的汽车等级（Automotive Grade）认证，甚至需做到零缺陷（Zero Defect）的理想境界。对于汽车零组件而言，产品的最大推动力往往不是「先进技术」，而是「品质水准」。 Telematics系统虽然与行车安全并没有直接的关联性，但目前仍受到汽车等级认证的严格要求，这是消费性电子厂商很难跨越的瓶颈。

目前汽车产业中已发展出几个重要的品质管理系统与相关规范，包括由汽车电子设备委员会（Automotive Electronics Council；AEC）所提出的各项规范，以及QS-9000和TS 16949等。此外，元件供应商也会基于这些规范提出自己的一套管控作法，如ST的汽车等级认证（Automotive Grade Qualification），除了满足AEC及品质管理系统规范外，ST还发展出一些严格管控的作法，例如在制程中采用特殊的筛选（screening）和测试方法，以及专属的高可靠性认证流程（High Reliability Certified Flow； HRCF）测试程式。

《图五　汽车产业标准演进历史》

结语

对于汽车市场来说，Telematics虽然已讨论多时，但真正快速成长还需要一些时间。这一方面和汽车电子的设计时程较长有关，另一方面则是Telematics需要一整套的基础架构来配合才行得通。不过，Telematics起飞的时间点已经近了，随着相关产品技术的成熟与成本下降，车机Telematics的安装门槛已大幅下降。而且车主对于LBS、防盗、紧急救援等需求非常明显，加上各国政府已明确订定与紧急救援相关的时间表，预估2009年至2010年间，将可看到Telematics的大量采用。
就生产商机来说，Telematics系统必须整合GPS定位与影音多媒体技术。目前***可说是GPS相关设备（尤其是PND）的设计制造重镇，但要打进汽车内装市场，仍欠缺汽车等级认证、CAN协定建置与车载收音广播等条件。此外，***设备厂商习惯以消费性市场的模式来思考，这和生命周期极长的汽车市场是有很大差异的。因此，透过与长期投入汽车零组件设计的元件厂商合作，能够更快地打进这个市场。