車載多媒體的嵌入式處理方案
汽車行業(yè)的制造商正面臨著挑戰(zhàn)。消費(fèi)者越來越期望自己的汽車配備有最先進(jìn)的音頻與多媒體系統(tǒng)，以及用于MP3播放器等便攜式設(shè)備的各種接口。由于消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步伐比傳統(tǒng)的汽車產(chǎn)業(yè)更快，因此汽車制造商和一級(jí)供應(yīng)商必須努力與之齊頭并進(jìn)。
由于媒體格式和通信標(biāo)準(zhǔn)在不斷變化，故軟件的靈活性對(duì)于汽車應(yīng)用至關(guān)重要。這意味著通用處理器往往是一個(gè)很好的選擇，因?yàn)樗鼈兛梢愿鶕?jù)汽車多媒體系統(tǒng)的要求進(jìn)行簡(jiǎn)單、具成本效益的改變。
車載多媒體還為汽車制造商在競(jìng)爭(zhēng)中凸顯自己產(chǎn)品的差異性提供了一種頗有價(jià)值的手段。在本文中，我們將探討(Audi)公司最新A5汽車中的多媒體方案，并討論汽車多媒體的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和問題。
奧迪A5中的汽車系統(tǒng)是現(xiàn)代車載多媒體系統(tǒng)的一個(gè)典型范例。它集成了多達(dá)四個(gè)Blackfin處理器，提供一個(gè)數(shù)字音頻廣播(DAB)無線電接收器、一個(gè)MP3兼容6碟CD換片裝置和可以與Apple iPod等便攜式媒體播放器連接的奧迪音樂接口，在方向盤上還安裝有多功能控制。此外，還提供有Bang&Olufsen(B&O)公司的環(huán)繞聲放大器作為選配附件，該放大器基于SHARC處理器，可執(zhí)行濾波器算法，使音頻信號(hào)能夠適應(yīng)汽車內(nèi)部的聲音環(huán)境。
總線標(biāo)準(zhǔn)和其它挑戰(zhàn)
從嵌入式系統(tǒng)的角度來看，汽車與其它應(yīng)用的一個(gè)主要差別在于數(shù)據(jù)通信總線。一般而言，汽車通信采用控制器局域網(wǎng)(CAN)總線或面向媒體系統(tǒng)傳輸(MOST)總線。CAN總線主要用于控制接口，其數(shù)據(jù)傳輸率大約為1Mbps，因此不適合用于多媒體數(shù)據(jù)傳輸。MOST總線用于傳輸數(shù)據(jù)率高達(dá)25Mbps的數(shù)字格式(原始PCM數(shù)據(jù))的多媒體數(shù)據(jù)。必需的MOST和CAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)采用軟件來實(shí)現(xiàn)，并通過實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)來確保滿足實(shí)時(shí)要求。
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多媒體系統(tǒng)必須支持標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議，比如USB OTG、SDIO和藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)。它還必須支持帶有必需專有協(xié)議的流行設(shè)備，譬如Apple iPod和微軟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主設(shè)備與系統(tǒng)連接，PC機(jī)也可以作為USB設(shè)備連接到系統(tǒng)。一般情況下，USB和SDIO軟件驅(qū)動(dòng)器及其各自的文件系統(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
為了支持汽車多媒體應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)的主要任務(wù)(被稱為多媒體網(wǎng)關(guān))是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議(如藍(lán)牙、USB，以及數(shù)字音頻格式的解碼)進(jìn)行適應(yīng)性修改和轉(zhuǎn)換。多媒體網(wǎng)關(guān)采用對(duì)軟件更新開放的定制可編程處理器，這有助于實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)，并使汽車制造商能夠?qū)οM(fèi)電子市場(chǎng)的快速變化做出恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。
直到前不久，多媒體網(wǎng)關(guān)都一直是汽車的唯一解決方案。而新一代汽車音響將把儀表板上集成的人機(jī)接口(HMI)和網(wǎng)關(guān)的多媒體功能結(jié)合在一起。這種新的汽車音響還有可能包含通信和導(dǎo)航等額外功能。它需要的集成度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于網(wǎng)關(guān)，因此開發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)，但成本效益要高得多。
汽車音響的軟件和硬件要求都高于多媒體網(wǎng)關(guān)的，因?yàn)槠涮幚砥鞅仨殘?zhí)行HMI，如果有必要還需支持?jǐn)?shù)字無線電標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)關(guān)的常見功能。HMI一般由單獨(dú)的處理器實(shí)現(xiàn)，該處理器具有一個(gè)可與車內(nèi)顯示器直接相連的接口，并且可能包含語音識(shí)別和文本語音輸出功能。像Blackfin BF549這樣功能強(qiáng)大的處理器能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能，同時(shí)提供一個(gè)可擴(kuò)展的平臺(tái)。
在最新奧迪A5中，“交響樂”和“音樂會(huì)”無線電設(shè)備的多媒體接口(MMI)圖形顯示器是通過時(shí)鐘速度為533MHz的Blackfin ADSP-BF539處理器的并行外設(shè)接口(PPI)來控制的。而MMI則是通過一種用于圖形用戶接口設(shè)計(jì)的先進(jìn)軟件工具開發(fā)的。用戶利用這種工具可以獲得HMI用戶接口的原型，并對(duì)其它的定制版本進(jìn)行仿真。
儀表板
Blackfin處理器可以為奧迪汽車提供所需的性能和連接性，以及現(xiàn)場(chǎng)可升級(jí)的靈活性。當(dāng)然也可以考慮采用其它的處理器架構(gòu)，Blackfin處理器的優(yōu)勢(shì)在于它能夠提供處理音頻解碼、DAB處理和奧迪車載娛樂信息系統(tǒng)內(nèi)部MMI控制所需的性能、可擴(kuò)展性和連接性。它還能夠支持基礎(chǔ)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速、低風(fēng)險(xiǎn)的開發(fā)。
可選的數(shù)字音頻廣播(DAB)功能是由ADSP-BF532處理器提供的。奧迪的交響樂/音樂會(huì)DAB無線電是一種軟件定義無線電(SDR)方案，這讓奧迪可以使用最新軟件來實(shí)現(xiàn)新的無線電協(xié)議。未來升級(jí)只需要將新IP的軟件flash下載到處理器的可編程硬件中即可。
另一個(gè)與MOST總線連接的Blackfin處理器用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)MP3兼容的6碟CD換片裝置。該處理器采用軟件來實(shí)現(xiàn)MOST網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
還有一個(gè)Blackfin處理器負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)奧迪A5的音樂接口，此接口的作用是集成Apple iPod等便攜式媒體播放器，實(shí)現(xiàn)儀表板顯示和方向盤控制，另外還可以復(fù)制音頻顯示屏上的iPod顯示，例如音樂標(biāo)題。
在400MHz左右，該處理器可以為上述應(yīng)用提供不錯(cuò)的性價(jià)比，而處理器能夠同時(shí)進(jìn)行控制和信號(hào)處理的能力意味著它可以控制音頻處理和外部設(shè)備的管理。
圖2所示即為Blackfin多媒體處理器的內(nèi)部模塊示意圖。其連接性由許多串行接口(3個(gè)SPI、4個(gè)UART、4個(gè)SPORT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，它還有三個(gè)并行接口，用于驅(qū)動(dòng)顯示屏、相機(jī)和另外一個(gè)用于導(dǎo)航服務(wù)的處理器。處理器與汽車內(nèi)部總線之間的連接由兩個(gè)CAN接口和一個(gè)MXVR接口提供。
汽車多媒體應(yīng)用需要一個(gè)功能強(qiáng)大的處理器。BF549 Blackfin處理器內(nèi)部的32位架構(gòu)和快速DDR內(nèi)存接口可處理分辨率高達(dá)800×480像素(WVGA)的視頻數(shù)據(jù)。這表明它能夠處理許多要求嚴(yán)苛的情況，比如處理同步音頻文件的同時(shí)又進(jìn)行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)的開發(fā)人員都使用了ADI公司的VisualDSP++集成開發(fā)和調(diào)試環(huán)境(IDDE)，這種IDDE包括本地C/C++編譯器、高級(jí)繪圖工具、統(tǒng)計(jì)分析和VisualDSP++內(nèi)核(VDK)，允許代碼以結(jié)構(gòu)化的、易于擴(kuò)展的方式來實(shí)現(xiàn)。
DRM問題
購(gòu)買的任何音樂都可能包含受數(shù)字無線電廣播標(biāo)準(zhǔn)(DRM)保護(hù)的文件。為了能夠播放數(shù)字音頻，解碼器必須支持正確的DRM格式。要解碼微軟的DRM(PlayforSure)需要一個(gè)必須永久地保存在網(wǎng)關(guān)中的DRM證書。不過，由于必需徹底保護(hù)DRM免受非法訪問，DRM證書的存儲(chǔ)也是一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)。
Blackfin處理器受到一種基于軟件和硬件認(rèn)證的安全概念的保護(hù)。這種Lockbox技術(shù)專門被開發(fā)來處理數(shù)字版權(quán)管理。DRM證書被存儲(chǔ)在一個(gè)專用的一次性可編程(OTP)存儲(chǔ)器中。只有在系統(tǒng)啟動(dòng)過程中通過一個(gè)已獲認(rèn)證的應(yīng)用程序才可以訪問OTP。此外，還可對(duì)這個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)行部分或者全部編碼，以防止任何人秘密竊取或非法拷貝。
對(duì)無線通信發(fā)展的作用
在未來，無線數(shù)據(jù)傳輸將扮演一種特殊的角色，因?yàn)檫@種連接方式非常適合于在便攜式終端設(shè)備和汽車之間傳輸音頻和視頻數(shù)據(jù)。除此之外，著名的藍(lán)牙免提通信規(guī)范(免提規(guī)范，HFP)也支持各種新的規(guī)范，其中之一是先進(jìn)音頻分配規(guī)范(即A2DP，它允許用戶經(jīng)由汽車的音頻系統(tǒng)復(fù)制手機(jī)上的音頻文件)。A2DP能夠利用無線藍(lán)牙鏈接傳輸壓縮音頻數(shù)據(jù)，如MP3和AAC。
AVRCP規(guī)范A2DP規(guī)范的擴(kuò)展。該規(guī)范允許用戶播放手機(jī)上的音樂，一般包括開始、停止、下一曲、前一曲以及樂曲的快速播放等功能。這一規(guī)范也支持元數(shù)據(jù)(metadata)，將來也許還能夠在無線電顯示屏上顯示標(biāo)題，讓用戶可以通過中央用戶接口選擇自己喜愛的樂曲或播放列表。
撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)(DUN)規(guī)范是另一個(gè)重要規(guī)范。它可為移動(dòng)電話及用戶直接訪問互聯(lián)網(wǎng)提供基站連接選項(xiàng)。其數(shù)據(jù)傳輸率取決于傳輸標(biāo)準(zhǔn)，這意味著可以提供大量新的遠(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)還可以同時(shí)處理好幾種數(shù)字格式的音頻文件的解碼，這些音頻文件可能采用了數(shù)字版權(quán)管理(DRM)。未來的汽車可以支持兩個(gè)到三個(gè)獨(dú)立的音頻區(qū)，以滿足所有乘客的要求。表1總結(jié)了最重要的音頻編解碼器。
未來展望
繼音頻應(yīng)用之后，下一步將是視頻應(yīng)用的推出，但這會(huì)增加硬件要求。音頻所需的數(shù)據(jù)傳輸率僅為幾百Kbps左右，而視頻的數(shù)據(jù)傳輸速率將高至好幾Mbps。在這種情況下，視頻數(shù)據(jù)必須分布于車內(nèi)一個(gè)或幾個(gè)視頻源，例如DVD或者硬盤。
鑒于此，未來定義的MOST150標(biāo)準(zhǔn)將必須能夠處理高達(dá)150Mbps的數(shù)據(jù)速率。在傳輸視頻數(shù)據(jù)的情況下，藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)將達(dá)其傳輸速率上限，因?yàn)檫@時(shí)它的最大數(shù)據(jù)率2Mbps也僅夠用來播放小視頻文件而已。對(duì)于短距無線網(wǎng)絡(luò)，藍(lán)牙將被數(shù)據(jù)率高達(dá)480Mps的新的無線USB標(biāo)準(zhǔn)所取代。
以后剩下的唯一問題就是汽車如何與互聯(lián)網(wǎng)相連接一事了。數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高的趨勢(shì)將持續(xù)下去。
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