智能座艙人機交互技術發展與座艙檢測的傳感器模塊應用探討

智能座艙人機交互技術發展趨勢

當前，汽車不僅在動力源、驅動方式和駕駛體驗上發生了改變，座艙也告別了傳統枯燥的機械和電子空間，智能化水平飆升，已經成為繼家庭和辦公室之外的人們生活中的“第三空間”。通過人臉；指紋識別、語音/手勢交互、多屏聯動等高科技技術，目前的汽車智能座艙在環境感知、信息收集與處理的能力得到顯著增強，成為人類駕駛的“智能小助手”。

智能座艙告別簡單電子化進入智能助理階段的一個顯著標志是人與座艙的交互從被動式進入主動式，而這個“被動”和“主動”是圍繞座艙本身定義的。過往的信息交流主要由人發起，現在人與機器都可以發起，人機交互水平已經成為定義智能座艙產品檔次的重要標志。

為實現“互動”式的人機交互，需要讓機器更好地理解人類的行為，各個設備中的處理器、控制器、傳感器等是實現這一切的關鍵。目前，貿澤電子上有豐富的面向汽車智能座艙應用的產品和開發套件，幫助工程師朋友們更快速、更高效地打造具有行業競爭力的智能座艙產品。

從簡單回應到主動、多模態

隨著越來越多的電子元器件進入到汽車座艙，智能座艙正在重塑汽車產業的新格局。過往消費者購買一臺汽車，其中大部分成本用于動力/傳動系統，而未來消費者購車可能近一半的錢會花費在更舒適、更便捷、更智能的乘坐空間上。

在這樣的需求帶動下，儀表顯示系統、中控屏、視覺感知系統和語音交互系統等將深度融合，且被賦予用戶的人格特性和情感特性。因而，未來智能座艙的發展將以用戶需求與體驗、用戶情感為中心，以具體化場景為驅動，構建出一個以人為本的智能系統。

當然，隨著車內信息和功能越來越多，物理旋鈕/按鍵的交互方式已經明顯過時，會給用戶使用座艙功能造成困擾。數字化界面和數字化功能已成為合格的繼任者，衍生出一個體量巨大的、新增的車用需求市場。

根據ICVTank的統計和預測數據，2019年全球智能座艙產業的市場規模已經達到364億美元，預計在2022年將突破460億元，而接下來的幾年智能座艙產業的發展將呈現大爆發，到2025年整個智能座艙的產業規模預計會達到1030億美元，2022年至2025年的年復合增長率(CAGR)將達到驚人的30.83%。

消費者之所以愿意為附加在汽車出行之外的智能化功能買單，一個重要原因是交互和體驗。我們在上面已經提到，未來的智能座艙發展將以人為本，并進化成為人們生活中的第三空間。

這樣的人機交互絕不是簡單的呼叫回應，而是多通道、多層次、多模態的交流感受。從駕乘人員的角度來看，未來智能座艙的人機交互將以智能語音為主要溝通手段，觸摸、手勢、動作、表情等為輔助溝通手段，解放了駕駛人員的雙手和雙眼，降低駕駛的操作風險。同時，車載信息娛樂系統會根據駕駛場景，給非駕駛人員帶來更多的樂趣，并且不影響駕駛人員和其他乘客。

在情感交互方面，伴聽式、不間斷、個性化的智能語音，將配合人臉識別和手勢識別等智能識別功能，判斷人的情緒、疲勞狀態、專注度等，在情感互動、疲勞駕駛預警、專注力監測等場景下發揮突出作用。

借助這些極具創新的人機交互功能，智能座艙將讓汽車突破出行工具的定義，成為人們的出行伴侶。

可用于座艙檢測的傳感器模塊

智能座艙要以人為本，那么就需要關注到駕乘人員的狀態，然后做出具體的回應。貿澤電子上，來自制造商ADI的ADPD144RI PPG光學傳感器模塊便可應用于駕乘人員的健康監測，主要是光學心率監測以及反射式SpO2（血氧飽和度）測量。

圖1：ADPD144RI PPG光學傳感器模塊

（圖源：ADI）

這款傳感器的供應商編號為ADPD144RI-ACEZ-RL7，是一款高度集成的光學前端。通過下方的系統框圖能夠看到，該模塊集成660nm LED、880nm紅外LED和光電二極管三款光學器件，可通過同步檢測紅光和紅外線波長，對血氧飽和度（SpO2）進行光學體積描記法（PPG）檢測。

圖2：ADPD144RI系統框圖

（圖源：ADI）

ADPD144RI模塊采用光脈沖的同步檢測來提高對環境光的抑制，專為超低直接光學反射應用而設計，這樣的方式還提供了比非同步架構低很多的功率表現，使得整個模塊具有低功耗特征。

通過圖3能夠看到，ADPD144RI模塊將高效的發光二極管（LED）發射器和靈敏的4通道深擴散光電二極管（PD1至PD4）與自定義應用特定集成電路（ASIC）組合在一個緊湊封裝中，并在集成LED發射器和檢測光電二極管之間提供光學隔離，以提高穿透組織的信噪比（SNR）。

圖3：ADPD144RI內部示意圖

（圖源：ADI）

此外，ADPD144RI模塊還提供4通道模擬前端（AFE）、14位模數轉換器(ADC)和I2C數據和控制接口等豐富的配置。讓廣大工程師朋友為之振奮的是，雖然提供了如此豐富的配置，但該模塊僅有2.8mm × 5.0mm大小。

更需要特別指出的是，為了方便用戶交互和座艙檢測等應用設計，ADPD144RI模塊采用適用于玻璃窗的定制光學封裝，極大地豐富了產品的應用維度。將ADPD144RI模塊與其他功能單元安裝在車窗和擋風玻璃等地方，就可以通過脈搏和血氧等關鍵指標檢測駕乘人員的身體狀態，這是智能座艙人機交互里機器發起交互的依據，幫助系統做出下一步回應或者指示。

為了方便大家盡快了解ADPD144RI模塊，ADI還特意開發了一款EVAL-ADPD144RIZ-SF評估板，用于評估ADPD144RI領先的測光系統。該評估板在貿澤電子上的制造商編號為EVAL-ADPD144RIZ-SF。

圖4：EVAL-ADPD144RIZ-SF評估板

（圖源：ADI）

該評估板除了提供ADPD144RI模塊的完全配置，還包括應用WaveTool圖形用戶界面（GUI），可提供低級和高級可配置性、實時頻率和時域分析。為了方便智能座艙等應用的系統開發，該評估板能夠借助用戶數據報協議（UDP）傳輸功能，輕松地連接到開發系統。

支持多傳感融合的i.MX 8/8X基板

剛剛我們提到了，傳感器信息到達智能座艙系統之后，需要分析這些數據進而做出判斷，而類似的傳感器數據還包括人手識別信息、語音信息、駕駛員目光方向信息以及駕駛時長信息等等。接下來我們要介紹的這款器件，則是智能座艙理解這些信息的關鍵，它就是來自制造商NXP的i.MX 8X系列應用處理器，制造商編號為MIMX8DX2AVOFZAC。

圖5：i.MX 8X處理器

（圖源：NXP）

i.MX 8X系列處理器采用與高端i.MX 8系列相同的子系統和架構，多達4個Arm Cortex-A35內核、用于實時處理的Arm Cortex-M4F內核以及用于音頻、語音和語音處理的集成式Cadence Tensilica HiFi DSP，具有先進的圖形能力和高效的系統性能，可支持圖形、視頻、圖像處理和語音功能，能夠滿足安全認證和高能效方面的需求。

我們在前面部分已經提到，在未來智能座艙的發展過程中，語音將會是人機交互的重要途徑和方式。而i.MX 8X系列處理器可進行多域語音識別，集成式Tensilica HiFi 4 DSP可提供音頻前置和后處理、關鍵字檢測和語音識別（用于免提交互）等功能。

通過圖6能夠看到，MPU是NXP電子駕駛艙解決方案中的核心。借助豐富的外設接口，無論是音頻信號、聯網信號、傳感信號、NFC信號和顯示信號等，最終都將匯集到NXP MPU里面。而i.MX 8X系列處理器是NXP MPU的高端系列，在信息處理和反饋方面的性能無疑更加出色，給座艙系統帶來更加人性化的體驗。

圖6：NXP電子座艙解決方案

（圖源：NXP）

此外，還有一點也必須要強調。為了打造更加人性化的智能座艙，每一臺汽車通過一款時間的使用之后，都會成為駕乘人員的伙伴，但其中的信息也會被不法分子盯上，甚至借由智能座艙深入然后控制汽車，那么安全防護就演得尤為重要。

i.MX 8X系列處理器提供出色的安全性能，支持AES、無閃存SHE、橢圓曲線加密和密鑰存儲等加密標準，為車輛和個人信息帶來多層保護。

綜上所述，i.MX 8X系列處理器可為智能座艙帶來冗余的算力支撐，在圖形、音視頻、圖像處理方面有著突出的性能，可通過豐富的外設接口高效對接和處理聯網信號、傳感信號、NFC信號和顯示信號等。此外，i.MX 8X系列處理器領先的安全性能為產品和方案帶來了全方位的保護。

傳感是智能座艙和駕乘人員交流的窗口，而接受、處理傳感器信息并進行交互恰是i.MX 8X系列處理器的強項。到底有多強？大家可以通過貿澤電子在售的i.MX 8QuadXPlus多傳感器支持套件（MEK）進行體驗，供應商編號為MCIMX8QXP-CPU。

圖7：i.MX 8QuadXPlus多傳感器支持套件（MEK）

（圖源：NXP）

該多傳感器支持套件用于評估和開發i.MX 8QuadXPlus、i.MX 8DualXPlus和i.MX 8DualX應用處理器，以及NXP PF8100能源管理集成電路（PMIC）解決方案和傳感器。

通過該套件，工程師朋友可以從多維度了解上述幾款i.MX 8X系列處理器。比如通過LVDS和MIPI-DSI連接器以及3.5mm耳機音頻插孔來評估音頻、視頻和HMI性能。實際上，這是一個開箱即用的方案，通過LVDS轉HDMI適配器卡、高度優化的驅動程序和軟件，可直接用于開發圖形、視頻、圖像處理、音頻和語音功能。

該套件還支持Linux、Android、FreeRTOS，并提供領先的內存配置用于程序和應用開發，因此在智能座艙應用之外，在工業自動化、機器人、樓宇和衛生保健等領域都具有很好的產品性能，能夠作為通用的HMI（人機界面）方案。

釋放千億美元的市場潛力

隨著消費者對駕乘體驗的追求越來越高，智能座艙兌現千億美元級市場潛力是可以預見的。因此，人機交互后續將成為智能汽車進一步發展的核心內容，在汽車儀表盤、中控、抬頭顯示、V2V、V2D各個環節給駕乘人員帶來更好的體驗。

智能汽車的人機交互也將出現九大明顯的趨勢，包括從運載工具到交通系統、連接和分離、共享服務、無處不在的顯示、接管與移交、實體媒介交互、個性化、多通道融合交互和智能情感交互。而實現這些需要軟硬件的結合，在貿澤電子上，無論是器件還是配套的工具，面向智能汽車人機交互，你總能找到適合自己的，借此打造極具市場競爭力的應用方案。