智能座舱人机交互技术发展与座舱检测的传感器模块应用探讨

智能座舱人机交互技术发展趋势

当前，汽车不仅在动力源、驱动方式和驾驶体验上发生了改变，座舱也告别了传统枯燥的机械和电子空间，智能化水平飙升，已经成为继家庭和办公室之外的人们生活中的“第三空间”。通过人脸；指纹识别、语音/手势交互、多屏联动等高科技技术，目前的汽车智能座舱在环境感知、信息收集与处理的能力得到显著增强，成为人类驾驶的“智能小助手”。

智能座舱告别简单电子化进入智能助理阶段的一个显著标志是人与座舱的交互从被动式进入主动式，而这个“被动”和“主动”是围绕座舱本身定义的。过往的信息交流主要由人发起，现在人与机器都可以发起，人机交互水平已经成为定义智能座舱产品档次的重要标志。

为实现“互动”式的人机交互，需要让机器更好地理解人类的行为，各个设备中的处理器、控制器、传感器等是实现这一切的关键。目前，贸泽电子上有丰富的面向汽车智能座舱应用的产品和开发套件，帮助工程师朋友们更快速、更高效地打造具有行业竞争力的智能座舱产品。

从简单回应到主动、多模态

随着越来越多的电子元器件进入到汽车座舱，智能座舱正在重塑汽车产业的新格局。过往消费者购买一台汽车，其中大部分成本用于动力/传动系统，而未来消费者购车可能近一半的钱会花费在更舒适、更便捷、更智能的乘坐空间上。

在这样的需求带动下，仪表显示系统、中控屏、视觉感知系统和语音交互系统等将深度融合，且被赋予用户的人格特性和情感特性。因而，未来智能座舱的发展将以用户需求与体验、用户情感为中心，以具体化场景为驱动，构建出一个以人为本的智能系统。

当然，随着车内信息和功能越来越多，物理旋钮/按键的交互方式已经明显过时，会给用户使用座舱功能造成困扰。数字化界面和数字化功能已成为合格的继任者，衍生出一个体量巨大的、新增的车用需求市场。

根据ICVTank的统计和预测数据，2019年全球智能座舱产业的市场规模已经达到364亿美元，预计在2022年将突破460亿元，而接下来的几年智能座舱产业的发展将呈现大爆发，到2025年整个智能座舱的产业规模预计会达到1030亿美元，2022年至2025年的年复合增长率(CAGR)将达到惊人的30.83%。

消费者之所以愿意为附加在汽车出行之外的智能化功能买单，一个重要原因是交互和体验。我们在上面已经提到，未来的智能座舱发展将以人为本，并进化成为人们生活中的第三空间。

这样的人机交互绝不是简单的呼叫回应，而是多通道、多层次、多模态的交流感受。从驾乘人员的角度来看，未来智能座舱的人机交互将以智能语音为主要沟通手段，触摸、手势、动作、表情等为辅助沟通手段，解放了驾驶人员的双手和双眼，降低驾驶的操作风险。同时，车载信息娱乐系统会根据驾驶场景，给非驾驶人员带来更多的乐趣，并且不影响驾驶人员和其他乘客。

在情感交互方面，伴听式、不间断、个性化的智能语音，将配合人脸识别和手势识别等智能识别功能，判断人的情绪、疲劳状态、专注度等，在情感互动、疲劳驾驶预警、专注力监测等场景下发挥突出作用。

借助这些极具创新的人机交互功能，智能座舱将让汽车突破出行工具的定义，成为人们的出行伴侣。

可用于座舱检测的传感器模块

智能座舱要以人为本，那么就需要关注到驾乘人员的状态，然后做出具体的回应。贸泽电子上，来自制造商ADI的ADPD144RI PPG光学传感器模块便可应用于驾乘人员的健康监测，主要是光学心率监测以及反射式SpO2（血氧饱和度）测量。

图1：ADPD144RI PPG光学传感器模块

（图源：ADI）

这款传感器的供应商编号为ADPD144RI-ACEZ-RL7，是一款高度集成的光学前端。通过下方的系统框图能够看到，该模块集成660nm LED、880nm红外LED和光电二极管三款光学器件，可通过同步检测红光和红外线波长，对血氧饱和度（SpO2）进行光学体积描记法（PPG）检测。

图2：ADPD144RI系统框图

（图源：ADI）

ADPD144RI模块采用光脉冲的同步检测来提高对环境光的抑制，专为超低直接光学反射应用而设计，这样的方式还提供了比非同步架构低很多的功率表现，使得整个模块具有低功耗特征。

通过图3能够看到，ADPD144RI模块将高效的发光二极管（LED）发射器和灵敏的4通道深扩散光电二极管（PD1至PD4）与自定义应用特定集成电路（ASIC）组合在一个紧凑封装中，并在集成LED发射器和检测光电二极管之间提供光学隔离，以提高穿透组织的信噪比（SNR）。

图3：ADPD144RI内部示意图

（图源：ADI）

此外，ADPD144RI模块还提供4通道模拟前端（AFE）、14位模数转换器(ADC)和I2C数据和控制接口等丰富的配置。让广大工程师朋友为之振奋的是，虽然提供了如此丰富的配置，但该模块仅有2.8mm × 5.0mm大小。

更需要特别指出的是，为了方便用户交互和座舱检测等应用设计，ADPD144RI模块采用适用于玻璃窗的定制光学封装，极大地丰富了产品的应用维度。将ADPD144RI模块与其他功能单元安装在车窗和挡风玻璃等地方，就可以通过脉搏和血氧等关键指标检测驾乘人员的身体状态，这是智能座舱人机交互里机器发起交互的依据，帮助系统做出下一步回应或者指示。

为了方便大家尽快了解ADPD144RI模块，ADI还特意开发了一款EVAL-ADPD144RIZ-SF评估板，用于评估ADPD144RI领先的测光系统。该评估板在贸泽电子上的制造商编号为EVAL-ADPD144RIZ-SF。

图4：EVAL-ADPD144RIZ-SF评估板

（图源：ADI）

该评估板除了提供ADPD144RI模块的完全配置，还包括应用WaveTool图形用户界面（GUI），可提供低级和高级可配置性、实时频率和时域分析。为了方便智能座舱等应用的系统开发，该评估板能够借助用户数据报协议（UDP）传输功能，轻松地连接到开发系统。

支持多传感融合的i.MX 8/8X基板

刚刚我们提到了，传感器信息到达智能座舱系统之后，需要分析这些数据进而做出判断，而类似的传感器数据还包括人手识别信息、语音信息、驾驶员目光方向信息以及驾驶时长信息等等。接下来我们要介绍的这款器件，则是智能座舱理解这些信息的关键，它就是来自制造商NXP的i.MX 8X系列应用处理器，制造商编号为MIMX8DX2AVOFZAC。

图5：i.MX 8X处理器

（图源：NXP）

i.MX 8X系列处理器采用与高端i.MX 8系列相同的子系统和架构，多达4个Arm Cortex-A35内核、用于实时处理的Arm Cortex-M4F内核以及用于音频、语音和语音处理的集成式Cadence Tensilica HiFi DSP，具有先进的图形能力和高效的系统性能，可支持图形、视频、图像处理和语音功能，能够满足安全认证和高能效方面的需求。

我们在前面部分已经提到，在未来智能座舱的发展过程中，语音将会是人机交互的重要途径和方式。而i.MX 8X系列处理器可进行多域语音识别，集成式Tensilica HiFi 4 DSP可提供音频前置和后处理、关键字检测和语音识别（用于免提交互）等功能。

通过图6能够看到，MPU是NXP电子驾驶舱解决方案中的核心。借助丰富的外设接口，无论是音频信号、联网信号、传感信号、NFC信号和显示信号等，最终都将汇集到NXP MPU里面。而i.MX 8X系列处理器是NXP MPU的高端系列，在信息处理和反馈方面的性能无疑更加出色，给座舱系统带来更加人性化的体验。

图6：NXP电子座舱解决方案

（图源：NXP）

此外，还有一点也必须要强调。为了打造更加人性化的智能座舱，每一台汽车通过一款时间的使用之后，都会成为驾乘人员的伙伴，但其中的信息也会被不法分子盯上，甚至借由智能座舱深入然后控制汽车，那么安全防护就演得尤为重要。

i.MX 8X系列处理器提供出色的安全性能，支持AES、无闪存SHE、椭圆曲线加密和密钥存储等加密标准，为车辆和个人信息带来多层保护。

综上所述，i.MX 8X系列处理器可为智能座舱带来冗余的算力支撑，在图形、音视频、图像处理方面有着突出的性能，可通过丰富的外设接口高效对接和处理联网信号、传感信号、NFC信号和显示信号等。此外，i.MX 8X系列处理器领先的安全性能为产品和方案带来了全方位的保护。

传感是智能座舱和驾乘人员交流的窗口，而接受、处理传感器信息并进行交互恰是i.MX 8X系列处理器的强项。到底有多强？大家可以通过贸泽电子在售的i.MX 8QuadXPlus多传感器支持套件（MEK）进行体验，供应商编号为MCIMX8QXP-CPU。

图7：i.MX 8QuadXPlus多传感器支持套件（MEK）

（图源：NXP）

该多传感器支持套件用于评估和开发i.MX 8QuadXPlus、i.MX 8DualXPlus和i.MX 8DualX应用处理器，以及NXP PF8100能源管理集成电路（PMIC）解决方案和传感器。

通过该套件，工程师朋友可以从多维度了解上述几款i.MX 8X系列处理器。比如通过LVDS和MIPI-DSI连接器以及3.5mm耳机音频插孔来评估音频、视频和HMI性能。实际上，这是一个开箱即用的方案，通过LVDS转HDMI适配器卡、高度优化的驱动程序和软件，可直接用于开发图形、视频、图像处理、音频和语音功能。

该套件还支持Linux、Android、FreeRTOS，并提供领先的内存配置用于程序和应用开发，因此在智能座舱应用之外，在工业自动化、机器人、楼宇和卫生保健等领域都具有很好的产品性能，能够作为通用的HMI（人机界面）方案。

释放千亿美元的市场潜力

随着消费者对驾乘体验的追求越来越高，智能座舱兑现千亿美元级市场潜力是可以预见的。因此，人机交互后续将成为智能汽车进一步发展的核心内容，在汽车仪表盘、中控、抬头显示、V2V、V2D各个环节给驾乘人员带来更好的体验。

智能汽车的人机交互也将出现九大明显的趋势，包括从运载工具到交通系统、连接和分离、共享服务、无处不在的显示、接管与移交、实体媒介交互、个性化、多通道融合交互和智能情感交互。而实现这些需要软硬件的结合，在贸泽电子上，无论是器件还是配套的工具，面向智能汽车人机交互，你总能找到适合自己的，借此打造极具市场竞争力的应用方案。