基于ARM11的車載信息娛樂模塊的開發(fā)與研究

車載信息娛樂系統(tǒng)為提高汽車駕乘的舒適度起到了重要的作用，從而使得汽車娛樂系統(tǒng)在近些年得到了飛速發(fā)展。一方面，用戶對多媒體娛樂的要求在逐步增高；另一方面，由于汽車電子軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，也使得各種各樣的汽車娛樂系統(tǒng)應(yīng)用實現(xiàn)成為可能。車載娛樂系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展正在變得日益復(fù)雜，通過銅纜發(fā)送音頻數(shù)據(jù)的簡單音頻系統(tǒng)已經(jīng)成為過去。為了滿足多通道音頻處理和分布式視頻的要求，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)處理變得越來越流行。特別是與數(shù)字傳輸內(nèi)容保護(hù)(DTCP)加密和解密方法相關(guān)的面向媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)光網(wǎng)絡(luò)正在被許多高檔和中檔汽車采用。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用飛思卡爾IMX35處理器，該處理器基于ARM11TM核心技術(shù)，高性能、低功耗、面向數(shù)據(jù)連接和多媒體而設(shè)計，可滿足當(dāng)前多媒體應(yīng)用的各種需求。本系統(tǒng)通過藍(lán)牙與帶有藍(lán)牙功能的手機(jī)相連實現(xiàn)免提通話，能夠播放插入系統(tǒng)U盤中的多種格式的音頻文件，車載GPS為駕駛者提供導(dǎo)航信息。通過MOST總線將車內(nèi)功放、DVD機(jī)連接，傳輸音頻、視頻及控制命令等信息。信息娛樂模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 電源管理

汽車內(nèi)的電源管理是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。汽車電源是電量受限制的電池。在汽車熄火之后，一方面，車內(nèi)系統(tǒng)，尤其是信息娛樂系統(tǒng)不能有過大的耗電量，必須保證正常電池在幾天、甚至幾周后仍然能夠順利點火；另一方面，信息娛樂系統(tǒng)要能夠在超低能耗的狀態(tài)下對特定事件作出有效和及時的響應(yīng)。解決方案就是根據(jù)具體的需要定制多層次的待機(jī)狀態(tài)，使得信息娛樂系統(tǒng)能夠隨著時間的推移和電池電量的下降逐步進(jìn)入各個低能耗待機(jī)狀態(tài)，直至徹底關(guān)機(jī)。IMX35處理器具有不同層次的電源模式、待機(jī)模式、休眠模式、停止模式、靜止模式。每種模式的耗電量逐步降低。

1.2 音頻處理部分

音頻系統(tǒng)分為3個部分，第一部分為USB部分，在該部分中IMX35將USB驅(qū)動器中的音頻文件讀出，根據(jù)設(shè)置選擇播放方式，將音頻信息傳送至MOST經(jīng)揚(yáng)聲器播放或通過耳機(jī)播放；第二部分為藍(lán)牙部分，藍(lán)牙系統(tǒng)將接收到的語音信息傳送至IMX35，后根據(jù)設(shè)置選擇播放方式；第三部分MIC部分，IMX35將MIC收集到的經(jīng)CODEC處理后的音頻信息，傳送至藍(lán)牙經(jīng)編碼發(fā)送到手機(jī)，手機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)將語音信息送至對方手機(jī)。第一部分和第三部分主要為數(shù)字方式，即通過串口或USB口傳送PCM編碼流。第二部分，包含模擬和數(shù)字兩部分，首先對MIC采集到的語音信息通過運(yùn)放進(jìn)行條理，然后通過CODEC進(jìn)行A/D采樣后送至IMX35。對于耳機(jī)輸出，則通過CODEC將IMX35傳輸過來的PCM編碼流，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成模擬信號送至耳機(jī)。所以CODEC最主要的工作有兩個，一個是將由外界錄進(jìn)來的聲波從模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號交由IMX35系統(tǒng)處理，不論是從Mic In或是Line In錄進(jìn)來的模擬信號都必須經(jīng)過這個程序，才能夠讓IMX35看得懂；另一個則是反向的流程工作，也就是將IMX35的數(shù)字音訊資料透過CODEC還原成模擬的聲音。由此可知CODEC在音頻系統(tǒng)的組件中所扮演的角色相當(dāng)關(guān)鍵。

1.3 GPS部分

GPS車載應(yīng)用是近年來GPS應(yīng)用的一個熱點，越來越多的消費(fèi)者在車上添加GPS功能以方便出行。在本系統(tǒng)中，IMX35將接收到的GPS信息送至DVD機(jī)顯示，并將地理位置信息通過MOST總線送至功率放大器進(jìn)行語音播放。由于GPS系統(tǒng)接收來自遙遠(yuǎn)太空的微弱信號，本身對系統(tǒng)設(shè)計和元器件接收靈敏度的要求就很高，而車載GPS因應(yīng)用環(huán)境特殊，在設(shè)計時需要注意更多的問題。要解決這些難題，除了保證芯片組接收到高質(zhì)量的信號外，提高接收器的靈敏度也很重要。本系統(tǒng)采用了UBLOX公司的GPS芯片LEA-4A。

1.4 MOST通信

MOST總線在車載音頻、視頻等系統(tǒng)中越來越多地被應(yīng)用。MOST總線不僅傳送速率快，而且還具有衰減少、質(zhì)量輕、抗電磁波干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，MOST總線專門用于滿足要求嚴(yán)格的車載環(huán)境。這種新的基于光纖的網(wǎng)絡(luò)能夠支持24.8 Mb/s的數(shù)據(jù)速率，與以前的銅纜相比具有重量輕和抗電磁干擾(EMI)的優(yōu)點。MOST總線基于環(huán)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，一個網(wǎng)絡(luò)上最多可高達(dá)64個主設(shè)備。

MOST傳輸協(xié)議由分割成幀的數(shù)據(jù)塊組成，每一幀包含流數(shù)據(jù)、分組數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)。流數(shù)據(jù)與MOST時鐘同步，并且不斷地在網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)傳輸。分組數(shù)據(jù)與MOST時鐘異步，根據(jù)需要產(chǎn)生。幀中分配給流數(shù)據(jù)和分組數(shù)據(jù)之間的帶寬是可變的，以滿足系統(tǒng)在特定時間的需求，并且其控制字包含數(shù)據(jù)類型、在幀中什么地方可以找到數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)大小等流信息?？刂菩畔⒖梢栽诙鄠€幀中分配，并且應(yīng)該在接收設(shè)備中重建。

在本系統(tǒng)中，使用了兩片OASIS公司的MOST控制芯片OS8104。系統(tǒng)中MOST的數(shù)據(jù)傳輸受IMX35的控制，IMX35與第一片OS8104間的控制信息傳輸通過SPI總線來實現(xiàn)，經(jīng)過處理的數(shù)字PCM音頻流傳輸通過串口來實現(xiàn)。而IMX35與第二片OS8104之間的數(shù)據(jù)信息傳輸則是通過8位并口總線實現(xiàn), 在MOST網(wǎng)絡(luò)中用來傳送控制信息和一些異步數(shù)據(jù)。兩MOST芯片通過TX與RX經(jīng)電阻R422進(jìn)行連接，在模塊內(nèi)部構(gòu)成環(huán)路。然后連接到FOT接口上，該接口將接收的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，同樣將要發(fā)送的電信號轉(zhuǎn)換成光信號。

1.5 藍(lán)牙部分

藍(lán)牙系統(tǒng)采用CSR公司BC41B143。該芯片集成了Bluetooth 2.0+EDR藍(lán)牙版本。2.0版本的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)是 1.2版本的改良提升版，傳輸速率約在1.8 Mb/s~2.1 Mb/s，可以雙工方式工作。即作語音通信的同時亦可以傳輸檔案和高質(zhì)素圖片。IMX35通過USB接口與BC41B143通信，傳遞語音信息。

藍(lán)牙天線的設(shè)計是藍(lán)牙系統(tǒng)硬件設(shè)計中最重要的部分，它關(guān)系到接收信號的帶寬、質(zhì)量，影響著通信的好壞。同時成本也是考慮因素，在本系統(tǒng)中，選擇了F形狀的PCB走線制作藍(lán)牙天線，這樣與購買成品的藍(lán)牙天線相比節(jié)省了很大成本。在天線的周圍應(yīng)該保證一定范圍內(nèi)沒有任何金屬器件，以免發(fā)射和接收受到干擾。產(chǎn)品完成后，通信結(jié)果表明，信號的質(zhì)量良好，通信的狀態(tài)穩(wěn)定，誤碼率非常低。

2 軟件組成

車載信息娛樂系統(tǒng)是一個多任務(wù)的復(fù)雜系統(tǒng)，其中包含有許多和汽車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互的子系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件的設(shè)計考慮了系統(tǒng)的實時特性。一方面，引入實時性設(shè)計能夠為用戶帶來更好的應(yīng)用體驗，如穩(wěn)定和流暢的多媒體播放、準(zhǔn)確和有效的導(dǎo)航提示等；另一方面，系統(tǒng)的實時性設(shè)計能夠保證某些關(guān)鍵任務(wù)的順利執(zhí)行，比如藍(lán)牙電話等。

系統(tǒng)的軟件采用了模塊化設(shè)計，良好的軟件模塊能夠保證某個模塊中發(fā)生的故障不會導(dǎo)致其他模塊也發(fā)生故障，更不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)故障；發(fā)生故障的模塊會很快重新啟動，同時整個系統(tǒng)的其他部分正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時產(chǎn)生并記錄故障代碼，這樣在系統(tǒng)診斷時，能夠給診斷人員提供充足的信息，對于改進(jìn)產(chǎn)品的缺陷，提高產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的作用。

本系統(tǒng)模塊采用了Windows CE 6.0操作系統(tǒng)，CE 6.0在內(nèi)核方面的改變主要是為了適應(yīng)嵌入式設(shè)備硬件發(fā)展的要求，在進(jìn)程數(shù)量方面，從過去最多運(yùn)行32個進(jìn)程，改變?yōu)樽疃噙\(yùn)行32 000個進(jìn)程；內(nèi)存方面，從每個進(jìn)程最多擁有32 MB虛擬內(nèi)存空間改為最多擁有2 GB虛擬內(nèi)存空間；在OS布局方面，將關(guān)鍵的驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)和圖形界面管理器(GWES)移到了內(nèi)核中，可以更好地解決因為CPU在內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)間切換而造成的性能損失。

IMX35是專門用于車載多媒體應(yīng)用的處理器，能夠適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境，配合多種外設(shè)組成了穩(wěn)定可靠的信息娛樂系統(tǒng)，產(chǎn)品能夠長期穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。