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)開放的定制的可編程處理器，因此可以加快開發(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)，來控制“ 交響樂”和“音樂會(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。奧迪公司的交響樂和音樂會(huì)DAB射頻收發(fā)設(shè)備是一種軟件定義無線電(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方向盤控制。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)的開發(fā)商都使用了ADI公司的VisualDSP++集成開發(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)單方式編寫代碼。

DRM問題

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)特殊問題，因?yàn)檫m當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)DRM免受非法訪問非常重要。

根據(jù)通過軟件和硬件鑒定的安全概念保護(hù)Blackfin處理器。專門開發(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)過程中只有通過鑒定的應(yīng)用才可以訪問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。

在未來無線通信發(fā)展中的作用

在未來，無線數(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)范的縮寫形式，它使用無線藍(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。通常包括開始、停止、下一曲、前一曲以及樂曲的快速重放。該規(guī)范也可支持原數(shù)據(jù)，將來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曲或者通過中央用戶接口播放樂曲列表。

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，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。

在未來，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)速率只能用來重放小視頻文件。對(duì)于短程無線網(wǎng)絡(luò)，藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)將被新的無 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，汽車如何與因特網(wǎng)連接這一問題還有待解決，而數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高的趨勢(shì)也不會(huì)終止。