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(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)通過藍牙與帶有藍牙功能的手機相連實現(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入各個低能耗待機狀態(tài)，直至徹底關(guān)機。IMX35處理器具有不同層次的電源模式、待機模式、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)揚聲器播放或通過耳機播放；第二部分為藍牙部分，藍牙系統(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，傳送至藍牙經(jīng)編碼發(fā)送到手機，手機通過無線網(wǎng)絡(luò)將語音信息送至對方手機。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放進行條理，然后通過CODEC進行A/D采樣后送至IMX35。對于耳機輸出，則通過CODEC將IMX35傳輸過來的PCM編碼流，進行D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成模擬信號送至耳機。所以CODEC最主要的工作有兩個，一個是將由外界錄進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機顯示，并將地理位置信息通過MOST總線送至功率放大器進行語音播放。由于GPS系統(tǒng)接收來自遙遠太空的微弱信號，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等優(yōu)點，MOST總線專門用于滿足要求嚴格的車載環(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)形拓撲網(wǎng)絡(luò)，一個網(wǎng)絡(luò)上最多可高達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 藍牙部分

藍牙系統(tǒng)采用CSR公司BC41B143。該芯片集成了Bluetooth 2.0+EDR藍牙版本。2.0版本的藍牙標準是 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。

藍牙天線的設(shè)計是藍牙系統(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走線制作藍牙天線，這樣與購買成品的藍牙天線相比節(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，在進程數(shù)量方面，從過去最多運行32個進程，改變?yōu)樽疃噙\行32 000個進程；內(nèi)存方面，從每個進程最多擁有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)定可靠的運行。