嵌入式處理器解決車載多媒體系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)難題

汽車行業(yè)的制造商正面臨著挑戰(zhàn)。消費(fèi)者永遠(yuǎn)期望他們的汽車具有最新的音頻和多媒體系統(tǒng)，以及與MP3播放器等便攜式設(shè)備連接的接口。由于消費(fèi)類電子行業(yè)的發(fā)展速度比傳統(tǒng)汽車行業(yè)快，因此汽車制造商和一級(jí)供應(yīng)商必須保持與時(shí)俱進(jìn)。

由于媒體格式和通信標(biāo)準(zhǔn)在不斷地變化，因此軟件的靈活性對(duì)于汽車應(yīng)用非常重要。這意味著通用處理器通常就是上好的選擇，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S簡(jiǎn)單的低成本和高效率變化以適應(yīng)汽車多媒體系統(tǒng)。

制造商希望自己的汽車在競(jìng)爭(zhēng)廠商中脫穎而出，車載多媒體系統(tǒng)可為他們提供頗有價(jià)值的方案。本文將講述奧迪(Audi)公司最新A5汽車中的多媒體方案，并且討論汽車多媒體的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和問(wèn)題。

最新奧迪汽車系統(tǒng)中的奧迪A5是現(xiàn)代車載多媒體系統(tǒng)的一個(gè)典型實(shí)例。它集成了四顆Blackfin處理器，從而可以提供數(shù)字射頻收發(fā)器〔數(shù)字音頻廣播(DAB)〕、與MP3兼容的6碟CD自動(dòng)換片裝置和奧迪公司的音樂(lè)接口，這種接口允許用戶與Apple iPod媒體播放器連接并且可以使用安裝在方向盤(pán)上的多功能控制。它可選的附件是Bang Olufsen(簡(jiǎn)稱BO)公司提供的環(huán)繞聲放大器，該放大器基

于SHARC處理器，可完成濾波器算法，使音頻信號(hào)能夠適應(yīng)汽車內(nèi)部的音響環(huán)境。

汽車總線標(biāo)準(zhǔn)和其它難題

從嵌入式系統(tǒng)的角度來(lái)看，汽車與其它應(yīng)用的主要不同點(diǎn)之一是所使用的總線標(biāo)準(zhǔn)。通常，汽車的通信使用控制器局域網(wǎng)(CAN)總線或面向媒體系統(tǒng)傳輸(MOST)總線。CAN總線主要用作控制接口;它的帶寬大約是1Mbit/s，因此不適合用于多媒體數(shù)據(jù)傳輸。MOST總線用于傳輸帶寬高達(dá) 25Mbit/s的數(shù)字格式(原始PCM數(shù)據(jù))的多媒體數(shù)據(jù)。通常采用軟件實(shí)現(xiàn)所需的MOST和CAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)確保滿足實(shí)時(shí)要求。

多媒體系統(tǒng)必須支持標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，例如USB OTG標(biāo)準(zhǔn)、SDIO標(biāo)準(zhǔn)和藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，它還必須支持滿足專用協(xié)議要求的流行設(shè)備，例如Apple iPod播放器和微軟(Microsoft)公司的Zune播放器。USB存儲(chǔ)器和許多不同的多媒體設(shè)備都可以作為USB主機(jī)與系統(tǒng)連接，個(gè)人電腦(PC)也可以作為USB設(shè)備連接到系統(tǒng)。通常，USB和SDIO標(biāo)準(zhǔn)的軟件設(shè)備以及各自的文件系統(tǒng)都是操作系統(tǒng)必不可少的部分。

多媒體網(wǎng)關(guān)和汽車音響本體

為了支持汽車多媒體應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)的主要任務(wù)(稱為“多媒體網(wǎng)關(guān)”)是適配并且轉(zhuǎn)換專用和標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，例如藍(lán)牙協(xié)議、USB協(xié)議以及數(shù)字音頻格式的解碼。多媒體網(wǎng)關(guān)使用對(duì)軟件升級(jí)開(kāi)放的定制的可編程處理器，因此可以加快開(kāi)發(fā)，并且可使汽車制造商能夠?qū)οM(fèi)類電子市場(chǎng)的快速變化做出合適的響應(yīng)。

迄今為止，多媒體網(wǎng)關(guān)一直是汽車的唯一解決方案。新一代汽車音響本體(又稱音源，head unit)將集成在儀表板內(nèi)的人機(jī)接口(HMI)和網(wǎng)關(guān)的多媒體功能結(jié)合在一起。汽車音響本體也可能集成通信和導(dǎo)航等其它功能。它要求的集成度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于網(wǎng)關(guān)，因此延長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)時(shí)間，但降低了成本并且提高了效率。

汽車音響本體的軟件和硬件要求高于多媒體網(wǎng)關(guān)，因?yàn)槠涮幚砥鞅仨殞?shí)現(xiàn)HMI和網(wǎng)關(guān)的常見(jiàn)功能，如果有必要還需支持?jǐn)?shù)字射頻收發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。HMI通常由獨(dú)立的處理器實(shí)現(xiàn)，它具有與汽車內(nèi)顯示器直接連接的接口，并且可能包括語(yǔ)音識(shí)別和文本語(yǔ)音輸出。Blackfin BF549等功能強(qiáng)大的處理器可以完成所需的功能，并且提供一個(gè)可擴(kuò)展的平臺(tái)。

在 最新的奧迪A5中，使用時(shí)鐘速度高達(dá) 533MHz的Black fin ADSP-BF539處理器的并行外圍設(shè)備接口(PPI)，來(lái)控制“ 交響樂(lè)”和“音樂(lè)會(huì)”射頻收發(fā)設(shè)備的多媒體接口(MMI)圖形顯示器。使用先進(jìn)的設(shè)計(jì)圖形用戶接口的軟件工具研發(fā)MMI，該工具允許用戶生成HMI用戶接口的原型，并且仿真其它的定制版本。

圖1 多媒體網(wǎng)關(guān)提供音頻設(shè)備和汽車電子設(shè)備之間的隔離

儀表板下方問(wèn)題

Blackfin處理器可以為奧迪汽車提供它所需的性能以及連通性和現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)的靈活性。其它的處理器體系結(jié)構(gòu)也可以作為考慮，但選用Blackfin處理器是因?yàn)樗梢蕴峁┮纛l處理、DAB處理以及奧迪的車載娛樂(lè)信息系統(tǒng)內(nèi)MMI控制所需的性能、可測(cè)量性和可擴(kuò)展性。它也能夠支持基礎(chǔ)設(shè)施，以便快速、低風(fēng)險(xiǎn)的開(kāi)發(fā)。ADI公司的高端音頻系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)也有助于影響決策，因?yàn)樘峁┝硕喾N特定行業(yè)的第三方知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)的保護(hù)。

ADSP-BF532處理器提供了可選的數(shù)字音頻廣播(DAB)功能。奧迪公司的交響樂(lè)和音樂(lè)會(huì)DAB射頻收發(fā)設(shè)備是一種軟件定義無(wú)線電(SDR)方案，并且允許奧迪公司使用最新軟件實(shí)現(xiàn)新的射頻收發(fā)協(xié)議。今后的升級(jí)僅需要將新IP的軟件閃存下載到處理器的可編程硬件中。

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另外一顆與MOST總線連接的Bl ackfin處理器可以驅(qū)動(dòng)與MP3兼容的6碟CD自動(dòng)換片裝置。該處理器使用軟件實(shí)現(xiàn)MOST網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

另一顆Blackfin處理器可以驅(qū)動(dòng)奧迪A5汽車的音樂(lè)接口，該接口集成了Apple iPod等便攜式媒體播放器，可在儀表板顯示器上顯示或者通過(guò)方向盤(pán)控制。該接口也可以復(fù)制iPod播放器顯示屏上的音頻顯示，例如音樂(lè)標(biāo)題。

對(duì)于上述應(yīng)用，400MHz的處理器具有合適的性價(jià)比。處理器能夠完成控制和信號(hào)處理，這也意味著它必須完成音頻處理和外部設(shè)備的管理。

Blackfin多媒體處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。連通性通過(guò)許多串行接口(3個(gè)SPI、4個(gè)UART、4個(gè)SPORTS和2個(gè)TWI)以及一個(gè)USB -OTG接口、一個(gè)ATAPI接口和一個(gè)SDIO接口提供。此外，它具有三個(gè)并行接口用于驅(qū)動(dòng)顯示屏、數(shù)碼相機(jī)和另外一顆用于導(dǎo)航服務(wù)的處理器。兩個(gè) CAN接口和一個(gè)MXVR接口可提供處理器與汽車內(nèi)部總線之間的連接。

圖2 Blackfin BF549處理器的框圖

汽車多媒體應(yīng)用需要功能強(qiáng)大的處理器。BF549 Blackfin處理器的內(nèi)部為32bit體系結(jié)構(gòu)并且具有快速的雙

倍數(shù)據(jù)速率(DDR)存儲(chǔ)器接口，它能夠處理分辨率為WVGA(800×480)的視頻數(shù)據(jù)。這意味著它可以控制要求嚴(yán)格的情況，例如處理同步的音頻文件，并同時(shí)完成MOST網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和藍(lán)牙通信。

奧迪A5項(xiàng)目所有設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的開(kāi)發(fā)商都使用了ADI公司的VisualDSP++集成開(kāi)發(fā)和調(diào)試環(huán)境(IDDE)。該環(huán)境包括原生的C/C++編譯器、高級(jí)繪圖工具、統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)器和VisualDSP++內(nèi)核(VDK)，該內(nèi)核允許以結(jié)構(gòu)化的簡(jiǎn)單方式編寫(xiě)代碼。

DRM問(wèn)題

購(gòu)買的任何音頻可能都包含受數(shù)字版權(quán)管理(DRM)保護(hù)的文件。為了能夠重新播放數(shù)字音頻，解碼器必須支持相應(yīng)的DRM格式。解碼微軟公司的DRM (PlayforSure)需要DRM認(rèn)證，該認(rèn)證必須永久地保存在網(wǎng)關(guān)。存儲(chǔ)DRM認(rèn)證提出了一個(gè)特殊問(wèn)題，因?yàn)檫m當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)DRM免受非法訪問(wèn)非常重要。

根據(jù)通過(guò)軟件和硬件鑒定的安全概念保護(hù)Blackfin處理器。專門(mén)開(kāi)發(fā)的Lockbox技術(shù)用于處理數(shù)字版權(quán)管理。DRM認(rèn)證存儲(chǔ)在專用的一次性可編程(OTP)存儲(chǔ)器中。在系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中只有通過(guò)鑒定的應(yīng)用才可以訪問(wèn)OTP。此外，該應(yīng)用也可部分或者全部編碼以防任何秘密竊取或者非法拷貝行為。

在未來(lái)無(wú)線通信發(fā)展中的作用

在未來(lái)，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸將起到特殊的作用，因?yàn)檫@種連接方式非常適合于在便攜式設(shè)備和汽車之間傳輸音頻和視頻數(shù)據(jù)。除了免提通信應(yīng)用(免提應(yīng)用規(guī)范，簡(jiǎn)稱 HFP)之外，藍(lán)牙協(xié)議也支持各種新的規(guī)范。這些最新規(guī)范之一是A2DP規(guī)范，它允許用戶通過(guò)汽車的音頻系統(tǒng)重新生成手機(jī)中的音頻文件。A2DP是高級(jí)音頻傳輸規(guī)范的縮寫(xiě)形式，它使用無(wú)線藍(lán)牙連接傳輸壓縮的音頻數(shù)據(jù)，例如MP3和AAC。

表1：音頻編輯解碼器

AVRCP規(guī)范擴(kuò)展了A2DP規(guī)范。該規(guī)范允許用戶重放手機(jī)中的音樂(lè)。通常包括開(kāi)始、停止、下一曲、前一曲以及樂(lè)曲的快速重放。該規(guī)范也可支持原數(shù)據(jù)，將來(lái)它還可能在射頻收發(fā)設(shè)備顯示屏上顯示標(biāo)題，從而允許用戶選擇所喜歡的樂(lè)曲或者通過(guò)中央用戶接口播放樂(lè)曲列表。

DUN配置文件(撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)配置文件)是另外一種重要的配置文件。該文件可提供基站與移動(dòng)電話的連接選項(xiàng)，并且允許用戶直接訪問(wèn)因特網(wǎng)。其數(shù)據(jù)傳輸速度取決于傳輸標(biāo)準(zhǔn)，這意味著它可以提供許多新的遠(yuǎn)程信息處理功能。

除了純粹的通信支持外，多媒體網(wǎng)關(guān)還可以處理幾路數(shù)字格式音頻文件的同步編碼，這幾路音頻可以使用數(shù)字權(quán)利管理(DRM)。在未來(lái)，可以支持汽車中兩個(gè)到三個(gè)獨(dú)立的音頻區(qū)域以滿足所有乘客的要求。下表總結(jié)了最重要的音頻編解碼器。

展望

繼音頻應(yīng)用之后，視頻應(yīng)用將會(huì)被推出，這會(huì)增加硬件要求。音頻所需要的數(shù)據(jù)傳輸速率大約是幾百Kbit/s，而視頻的數(shù)據(jù)傳輸速率會(huì)上升到幾個(gè)Mbit/s。在這種情況下，視頻數(shù)據(jù)必須分布在汽車內(nèi)的一個(gè)或幾個(gè)視頻源，例如DVD或者硬盤(pán)。

在未來(lái)，仍然會(huì)使用MOST標(biāo)準(zhǔn)(MOST150)，它可以傳輸高達(dá)150Mbit/s 的數(shù)據(jù)速率。當(dāng)傳輸視頻數(shù)據(jù)時(shí)，藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)也接近了傳輸限制，因?yàn)樗?Mbit/s的最大數(shù)據(jù)速率只能用來(lái)重放小視頻文件。對(duì)于短程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)將被新的無(wú) 線USB標(biāo)準(zhǔn)代替，這種標(biāo)準(zhǔn)能夠傳輸高達(dá)480Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。

在未來(lái)，汽車如何與因特網(wǎng)連接這一問(wèn)題還有待解決，而數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高的趨勢(shì)也不會(huì)終止。