【国内外液晶汽车仪表HMI技术研究现状的文献综述3500字】

国内外液晶汽车仪表HMI技术研究现状的文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u16376国内外液晶汽车仪表HMI技术研究现状的文献综述 1187061.1液晶汽车仪表HMI技术概览 1169181.2液晶仪表嵌入式操作系统现状 1244511.3液晶仪表跨平台图形方案现状 3239381.4液晶仪表HMI软件开发工具现状 41.1液晶汽车仪表HMI技术概览与传统仪表不同的是，液晶仪表通过人机界面（HumanMachineInterface,HMI）模拟传统仪表的显示效果与司乘人员进行信息交互。HMI是液晶汽车仪表的核心功能之一[8-9]，承担汽车各系统信息的显示功能。HMI可提供灵活多变的界面主题模式，用户可自定义HMI的界面显示颜色、布局方式和排列风格，使仪表界面在更加个性化的同时还能将信息全面、准确、醒目地呈现出来，进一步提升驾驶安全性。由于液晶汽车仪表功能日益增多，产品需要覆盖同一车系中的传统燃油车型与新能源车型，因此要求液晶仪表HMI软件具备高类聚、低耦合、可升级和跨平台的灵活特性。传统的面向指定MCU平台的裸机开发方式已无法满足上述要求，汽车电子行业转而采用通过专业HMI设计开发工具，调用指定GUI框架或是图形渲染库，在嵌入式操作系统上构建全屏交互应用程序的方式开发汽车仪表HMI软件。通过组合操作系统、图形用户框架库、图形渲染库和HMI开发工具建立最为高效的HMI软件开发链路，使HMI软件在开发流程得到简化的同时，确保完成开发的软件仍具备上述特性，便于后期产品的维护与更新迭代。1.2液晶仪表嵌入式操作系统现状HMI软件通常运行在搭载嵌入式操作系统的微处理单元（MicroProcessUnit,MPU）上，液晶仪表软件系统架构如图1.3所示，由板级驱动支持包、嵌入式操作系统和HMI应用程序三大部分组成。液晶仪表上使用的嵌入式操作系统一般由硬件抽象驱动层、函数库及框架层、操作系统内核和显示框架层构成，操作系统可为应用程序提供应用程序编程接口（ApplicationProgrammingInterface,API）与软件运行环境（RunTimeEnvironment,RTE），使HMI软件在开发中无需关心底层硬件类型或实现机制，从而降低开发难度。图1.3液晶仪表HMI软件系统架构示意图在汽车仪表领域常见的嵌入式系统包含以下几种：（1）VxWorksVxWork是美国WindRiver公司于1993年推出的面向嵌入式领域的微内核架构实时操作系统，该系统在任务切换和抢占、中断响应时间控制上有严格限制[10]，在军事、航空航天、工业控制领域被广泛使用[11]。VxWorks具有很强的扩展性，可配合WindML（Wind多媒体库）、Zinc、Tilcon等图形用户界面（GraphicUserInterface,GUI）框架及Tornado集成开发环境开发和交叉编译HMI应用程序[12-13]。韩改宁等在ARM处理器上设计了基于VxWorks开发的嵌入式车载图形系统实现影音娱乐、自主导航等功能[14]。（2）WindowsEmbeddedCompact(WindowsCE)WindowsCE是一个面向嵌入式移动设备的开放式32位嵌入式操作系统，支持多线程、多任务和完整的任务优先级管控体系。该操作系统具备的完善的开发解决方案和图形交互体系，支持应用程序基于桌面、窗口进行显示，提供按钮、滚动条等控件用于人机交互[15-16]。WinCE在工业控制、车载信息系统[17]和个人数字助理等领域被广泛使用，韩琨等基于WinCE系统设计了智能车载仪表[18]，曲大为则基于WinCE为混合动力汽车开发了智能信息显示系统[19]。（3）嵌入式LinuxLinux是一个基于POSIX和UNIX的多用户、多任务并支持多线程和多CPU的开源操作系统，被广泛运用于商业和个人计算机领域。嵌入式Linux是经过裁剪和驱动移植后操作系统，兼容x86、ARM、RISC等架构处理器，具备体积小和跨平台等特点。在GUI开发方面，可借助MiniGUI、QT/E、GTK+等GUI框架通过系统移植和交叉编译技术为嵌入式Linux系统开发GUI应用程序[20-21]，吴建芳和Sivakumar等学者开发了基于嵌入式Linux的车载影音娱乐系统（In-VehicleInfotainment,IVI）[22-23]。（4）QNXQNX是遵从POSIX规范，基于UNIX系统的分布式、嵌入式、可规模扩展的硬实时操作系统，支持ARM、MIPS、PowerPC、x86等多种处理器架构，在汽车市场占比高达75%。在汽车HMI开发领域，QNX提供了PhotonAPI和GF（GraphicsFrame）API分别用于窗口应用程序和全屏HMI界面开发[24-26]，并支持OpenGL3D图形API用以渲染三维画面[27]。由于QNX的商业授权费用较高，目前仅有高端车型采用QNX系统开发的液晶仪表，无法支持中低端汽车市场。（5）AndroidAndroid是一款由谷歌公司和开放手机联盟共同主导开发的应用于移动设备的开源操作系统，遵循AOSP开源规范，凭借其开源、可联网和开放的应用市场等特性，Android系统逐渐引入汽车领域取代WinCE系统。一般用于车载影音娱乐系统和其他车载大屏设备[28-30]。由于该系统对设备硬件需求较高，且实时性和稳定性相较于其他几款嵌入式系统较差，因此未能广泛应用在液晶汽车仪表领域。1.3液晶仪表跨平台图形方案现状汽车HMI软件通常运行在由不同指令集、不同架构的处理器和不同的操作系统搭建的嵌入式平台上，某些高性能处理器内置独立的图形处理单元（GraphicalProcesserUnit,GPU）可加速画面渲染。直接基于处理器或操作系统开发GUI/HMI应用软件需要从底层构建软件，将导致开发难度增大、软件可移植性差等问题。GUI/HMI框架和图形渲染API内置多种与硬件和操作系统相关的函数库或类库，基于上述框架开发HMI软件可使开发者无需关心底层硬件和操作系统接口，通过跨平台的方式为嵌入式设备开发应用软件，以下列举了四种液晶仪表和车载影音娱乐系统常用的跨平台嵌入式图形方案：（1）嵌入式Qt（Qt/E）Qt是由Qt软件公司开发的跨平台GUI应用程序开发框架，主要开发语言为C++和QML。Qt提供了包含数十种标准控件及模块在内的工具箱、自动化窗口布局系统、控件属性编辑等功能为一体的GUI设计器[31-32]。Qt/Embedded是Qt的嵌入式版本，为嵌入式设备在内存压缩和图形底层接口方面进行了专门优化，支持包括Linux、QNX在内的多种嵌入式操作系统[33]，可通过跨平台编译的方式为嵌入式操作系统开发Qt应用程序。Qt框架在汽车电子领域应用较多，任洪涛、王润民、陈典等人研究了Qt框架在汽车仪表和信息系统中的应用[34-36]。（2）MiniGUIMiniGUI是一款遵循GPL3.0的轻量化开源GUI框架，支持包括RTOS、uC/OS-Ⅱ在内的多种嵌入式实时操作系统，其系统资源消耗低，可在较低成本的设备上稳定运行，因而被广泛应用于工业组态软件、仪器仪表等领域[37]。MiniGUI可提供超过30种控件和控制模块，其GUI核心由图形抽象层（GAL）、输入抽象层（IAL）、图形设备接口、消息处理模块、窗口响应模块组成[38]，支持对窗口外观进行定制开发。miniStudio是具备自动生成和布局代码维护的MiniGUI的可视化GUI设计软件，旨在降低使用门槛，提升GUI开发效率[39]。（3）Gtk+和Cairo图形库Gtk+是遵循LGPL许可协议发布的跨平台图形用户界面开发工具包,支持多种桌面操作系统和嵌入式Linux操作系统。Gtk+内置了窗口控件和应用程序API，逐渐发展成为Linux系统环境下的主流的应用程序GUI开发框架之一[40]，某些Linux发行版中集成的GNOME桌面图形操作环境基于Gtk+开发。Gtk+支持GtkBuilder和Glade等可视化GUI编辑器用于创建复杂的用户界面[41]，该框架基于事件驱动，通过关联窗口控件和对应的控制代码即可监听窗口事件并响应。Gtk+框架采用Cairo图形库作为图形底层，Cairo是基于C语言开发的跨平台2D矢量图形库，支持Windows系统和部分嵌入式平台，也可通过Gtk+框架支持Linux系统。Cairo图形库可将渲染好的像素数据导出为多种格式的文件或与各平台图形底层结合显示图像，其图形应用程序接口（API）和画面输出效果在任意平台下均保持一致，拥有优秀的跨平台开发特性[42]。（4）OpenGL/OpenGLES图形APIOpenGL是用于2D、3D图形渲染的跨语言、跨平台图形API，用于在具备独立图形处理单元的设备上加速画面渲染，主要应用于3D画面渲染或电子游戏开发领域。OpenGLES是被应用于嵌入式移动设备上，因此在规格上仅保留了最重要的基础API，是OpenGL的子集，保证图形库能在更简单、更低成本的嵌入式平台上以更低功耗运行。OpenGLES现已更新到3.2版本，支持QNX、嵌入式Linux、Android和iOS操作系统，在具备3D渲染功能的液晶汽车仪表[43]和车载影音娱乐领域有所应用[44-45]。1.4液晶仪表HMI软件开发工具现状随着汽车电子技术的发展，汽车HMI软件功能性日趋复杂，产品更迭速度加快导致软件开发周期逐渐缩短，传统的裸机开发方式已经无法满足高效开发的需求，使用专用开发工具可以显著提升开发效率，常见的汽车HMI开发工具包括CGIStudio、Kanzi和Altia三种。CGIStudio是富士通半导体旗下嵌入式解决方案奥地利公司（FEAT）推出的专用于汽车领域的HMI工具套件，可为HMI界面设计和嵌入式开发场景提供一体式软件环境，通过分离代码、数据和图形资源的方式现，使设计者和开发者能更好地配合完成联合开发任务，再通过内置的仿真环境验证[46-47]，从而减少返工流程，提升开发效率。Kanzi是用于设计和构建汽车和其他嵌入式设备数字HMI和GUI应用场景的完整解决方案，同时也是一个数据驱动的实时图形解决方案，它可以快速创建漂亮的品牌用户界面，Kanzi由KanziStudio和KanziEngine两部分组成，前者用于在计算机上设计HMI，后者是运行在嵌入式设备上的用户界面核心引擎[48]。Altia是针对嵌入式系统开发的图形界面设计与仿真工具，采用基于模型的设计理念，可帮助开发者快速完成虚拟HMI界面的开发，提供AltiaDesign、AltiaCon