车载资通娱乐系统分析与设计

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        随着用户对驾车体验要求的提升,车载资通娱乐系统由于与行车的舒适性及便利性息息相关,已逐渐成为车体、传动和安全三大基本单元以外的第四大系统。资通娱乐系统同时承载了娱乐和交通状况信息的获取等职能。

  传统的汽车三大基本功能:车体、传动和安全系统与行车操控有直接的关系,而车载资通娱乐作为第四大车载系统则在定位上与前三者有很大区别,即该系统并不直接影响行车驾驶的操控性和安全性。

  随着电子技术的发展,汽车已逐渐成为家庭娱乐与办公环境的延伸。原本独立的消费和通信等应用在进入汽车电子领域后,不断出现了新的整合性应用。车载资通娱乐系统中除了高清 / 高保真内容播放和数字电视等功能,车载GPS导航、移动电话(GSM/GPRS)、信息连接、短距离通讯(Dedicated Short Range Communication, DSRC)及高阶数据连结控制(High Level Datalink Control, HDLC)等也逐步成为该系统的重要组成部分。Telematics系统即结合了GPS、GSM/GPRS、DSRC及交通信息数字广播等功能而产生的整合性服务,其能够提供实时路况导航、避开拥堵路段并判断最佳的行车路线、提供汽车状况诊断、失车寻回、预约停车位、电子收费(Electronics Toll Collection, ETC)及进行紧急状况呼叫等多样性的增值服务。

  Telematics系统规划

  Telematics平台的基本构架为主控制器/处理器、GPS引擎、音视频CODEC、无线通讯模块和影音输出装置等构成。由于Telematics不同功能的集成和衍生,使其系统设计变得日益复杂;而实际上另一方面,由于其来源于普通的消费电子产品,因此在在软、硬件系统架构上与市场上流行的嵌入式手持设备并无太大的差异;而与普通消费电子的区别主要在于应用领域的不同,使其在软件层面、系统可靠性及延伸性外围接口上具有其专有的特性。

  NaviFlex平台为ST为车载Telematics系统设计的开发平台,其主要硬件架构包括多媒体应用处理器和GPS接收器,并支持广泛的外围接口。除了在功能上能满足车载收音机、导航、车内连结功能、影音播放媒体设备、移动电视和后座娱乐等需求外,NaviFlex的定制化特征实现了产品较大弹性,有助于加快具有特定需求产品的上市速度。

Telematics平台架构示意图

图一 Telematics平台架构示意图(以NaviFlex Pro为例)

  主控制器/处理器

  Telematics系统具有处理多种资讯和娱乐信息的能力,随着功能的增多和工作负载的不断增加,对作为运算及控制核心的主控制器/处理器的性能要求也不断提升。车载Telematics系统处理器正从8位MCU逐步提升到32位,甚至采用高整合度的SoC应用处理器。目前处理器核心多采用ARM7及ARM9两种,下一代的高端产品将采用先进的65纳米制程,和搭载更强大的ARM11核心。

  ST的Nomadik应用处理器采用以ARM为控制核心搭配多颗硬件或DSP加速器,以达成最佳化的处理效能多核心分布式处理的架构,满足了车载Telematics系统的技术需求。

 

分布式处理模式

图二 (以Nomadik为例)

  Nomadik的专用加速器主要针对视频、音频、2D/3D绘图、Java等功能,以及加速功能硬件(Acceleration Hardware)等。其中强化的3D绘图加速器,可用于地图绘制和人机接口的显示功能;音频加速器则支持MP3、AAC、AAC+、WMA、Midi等多种标准,以及高端多声道格式,如MP3Pro、MWA、DTS-ES、AAC、Dolby Digital-EX等,它还同时具备一个24位音频数据信道,能提供噪声抑制、回声消除、立体声强化与环绕音效等功能;视频加速器支持最新的H.264/AVC解码,能提供30fps的VGA输出质量。

具广泛功能延伸性的多核心应用处理器架构

          图三 具广泛功能延伸性的多核心应用处理器架构(以Nomadik STn8810为例)

  Nomadik除了以分布式方案来提升影音多媒体的处理效能及降低功耗外,弹性的多核心架构让使用者可以快速整合自己的专有算法,并支持新的音视频编码格式。此外,Nomadik还提供广泛的连接性,可通过UART连结GPS导航器、GSM/GPRS及Bluetooth无线通讯模块;支持包括NAND闪存、CF 卡、微型硬盘、SD卡、SDRAM等多种储存设备或内存。为了延伸Telematics平台的功能,Nomadik也支持包括CD/DVD/Radio/TV播放器及USB OTG等广泛的外围接口。

  CAN总线是与车载系统中其它单元连结的重要接口,MOST则是因应车用影音多媒体而出现的新高速总线规格,为了适应汽车电子发展的趋势,Nomadik内建了CAN总 线控制器,也同时支持MOST总线标准。

  多媒体应用功能

  Telematics车载系统以应用处理器为核心提供多种娱乐、资讯和通信等应用功能,AM/FM广播接收及音乐的播放设备是其最基本的配置。

  目前全球车载广播存在多种规格。Telematics系统必须广泛支持各种模拟及数字音频格式。模拟音频广播仍是今日车载广播的主流应用,包括AM及FM频道,以及美国的天气频道(Weather Band)等。模拟广播系统核心架构包括AM/FM接收器及播放器、音频功率放大器等,其中接收器又包括RF的解调器(Tuner)及信号处理的音频处理器。

  数字音频广播的原理是将高频模拟信号转为中频后,再变为数字信号,通过DSP技术实现包括声调(Tone)、音量、均衡,以及声音的参数性等化等音频效果数字化处理,可有效改善接收稳定性及音频质量。数字音频广播使频谱实现更有效的利用,接收性能得到提升,也更容易使用;而且除了声音的传送外,同时传送影像与数据服务也已经成为汽车娱乐的重要应用趋势。数字音频广播主要分为地面广播和卫星广播,前者包括DAB/DMB、Digital Radio Mondiale(DRM)、HD Radio等格式;后者主要包括XM Radio、Sirius和WorldSpace等。

数字音频广播硬件架构

图四 数字音频广播硬件架构

  ST的ADR (Advanced Digital Radio)接收器芯片组通过专用的技术架构,能够加速功能的实现。ADR由TDA7528 RF前端芯片及STA3005 DSP后端芯片所共同组成,透过其先进的数字信号处理技术来解决干扰问题,让芯片即使在信号微弱的地方或具有强烈多径干扰的环境中,也能提供卓越的声音处理及等化表现,而且能分担音频广播主处理器的工作负担。ADR广泛支持目前的模拟(AM/FM和美国天气频道)及数字音频广播(DAB、DRM、HD Radio)服务。

  除了音频处理功能外,由于对RDS(Radio Data System)管理的支持是当前汽车音频广播必须具备的功能。ADR也同时具备RDS解码功能,能满足中高端车种对质量、性能及系统成本的最优化需求。

  视频功能在汽车电子系统中也越来越常见,DVD、VCD或DVB-T数字广播电视等开始走进车内,也有越来越多的汽车内置一个或多个显示屏幕。

  移动电视(Mobile TV)的规格为降低功耗而开发,极适用于车载广播应用。目前全球移动电视的主要规格为DVB-H及T-DMB,德国于2006年6月率先推出了采用T-DMB的车载移动电视系统,除了功耗极低外,即使在时速200公里的速度下,也能正常播放。

  目前移动电视的硬件技术在尺寸、功耗上已发展的相当成熟,但在使用频谱的规范上及相关的服务体系上仍处于发展阶段。移动电视系统中,主控制器/处理器与DVB-H或T-DMB前端模块相连,即可提供移动电视的播放。前端模块具备从谐调器(Tuner)到解调器(Demodulator)的完整功能,直接将处理好的IP datagram和TS包分流送到处理器或音视频解码芯片做进一步处理,最后将电视节目内容传送到显示屏上播放。

移动电视应用中FE与处理器

图五 移动电视应用中FE与处理器、解码器的运作流程

  车载通讯系统规划中的挑战

  无线通讯功能是Telematics功能定位中的重要环节,同时各种无线通讯功能的应用,也让Telematics的重要性得到提升。车载通讯与个人、家庭中的应用方式虽然使用相同的技术,但系统差异很大。车载无线通讯大致可分为车内、车外、车路与车间等四种应用类型。

  Bluetooth短距无线技术是车内通讯所使用的主要手段,在应用上又可分为Telematics系统与乘客的移动设备之间的通讯(如手持免持应用等);以及系统与其它车内设备的通讯,例如通过无线数据传输方式将影音内容传送到屏幕或扬声器。

  车外通讯则通过2G/2.5G/3G等移动通讯技术结合GPS 定位,提供多样化的信息与安全服务,如导航、交通信息、生活信息、防盗和失车追踪等。

  车路通讯主要指车辆与道路旁的交通信号标志、建筑物等设施间进行的通讯,最常用于电子计费应用,如高速公路、停车场、企业门禁管理等。其所使用的技术为DSRC。

  车间通讯极具创意,使车与车无需通过特定的服务运营商即可在一定距离内自动连通,并交换邻近的交通状况,如堵车、事故、危险路段等信息。该技术重点在于要有相当数量的车辆具有此种通讯功能,且不同的车种和不同厂商所生产的汽车之间要能互相通讯,该功能才能发挥效用。车间通讯也同样利用了DSRC技术。

  Telematics系统的主控制器/处理器要通过UART等接口来连结Bluetooth、2G/2.5G/3G无线通信、DSRC,还包括单向接收的无线技术GPS、AM/ FM、DVB-T/DVB-H/T-DMB等各种无线模块。因此,Telematics系统设计上的一大挑战就是这些通信模块的天线、射频(RF)和基带(BB)三部分的整合。

       无线技术多半采用不同的频段,而接收或发射的高频信号很容易彼此干扰而降低信号质量,妥善规划不同无线模块的空间配置与隔离性是射频(RF)模块的关键。除了很多EMI/EMC的问题需要解决外,由于GSM/GPRS/3G共享射频电路,滤波器等射频被动组件正在向自动切换的方向发展,放大器方面也需要支持高线性度及宽带等方面的设计。

  不同的无线技术需要采用不同类型的天线来实现最佳的收发效果。天线的类型众多,如上文提到的移动通讯(2G/2.5G/3G)的天线以平面倒F型(PIFA)、单极型(Monopole)和螺旋式(Helix/Spiral)为主;GPS则多采用片状天线(Patch)、Helix和PIFA等,其中又以Patch及Helix使用最多;此外,为了提升接收效果,车载天线也会采用车体外接收天线或天线分集(Antenna Diversity)技术来选择接收强度较强的讯号。

  Telematics系统软件架构

  除了硬件,操作系统和应用软件也决定了Telematics设备的性能。常见的车载嵌入式操作系统有Wind River的VxWorks、QNX Software的QNX及Acclerated Technology的Nucleus Plus等。由于汽车在安全性等方面的特殊要求,一般的操作系统难以满足车载系统抵抗恶劣环境和较长的使用寿命等能力,汽车制造厂对车载设备的可靠性要求远高于3C设备,因此Telematics软件平台往往会选用专用的RTOS嵌入式操作系统。Telematics的重要应用软件则包括A-GPS、方位推算(Dead Reckoning, DR)、LBS位置服务、远程诊断等增值功能。

  中间件(Middleware)属于可复用软件的范畴,位于操作系统软件与用户的应用软件的中间。好的中间件能加速对特定功能的开发时程,也能扩展应用上的功能,例如加速DVB-H移动电视的电子选单功能配置等。

  目前嵌入式软件系统已逐渐摆脱封闭性的专用架构,开始走向开放性接口,即抽象硬件接口(Hardware Abstraction)的概念。抽象硬件接口的架构同时为应用程序提供针对特定操作系统的统一软件接口,和为底层硬件设备的抽象化接口。开放式架构加速了设计开发的速度,可有效缩短上市时间。

  如图所示软件构架,Telematics系统由底层的硬件接口、中层的驱动程序、及上层的应用程序三个层次组成,三者之间则通过低阶API及高阶API来进行沟通。

  底层硬件设备包括多媒体加速器/音视频编译码器、UART接口、USB接口、Bluetooth等通讯接口,以及LCD控制器、照相机等一般性应用的标准硬件接口;中间部分主要包含处理核心、设备驱动程序和文件系统的操作系统功能,以及多媒体架构、语音及网络的通讯架构、Java和安全性架构等;语音、游戏、短信、浏览、PIM等功能位于上层的应用软件部分。

开放性软件系统架构

图六 开放性软件系统架构

  结论

  汽车电子带来的全新驾驶体验是促使其飞速发展的动力,虽然其与普通的消费型电子产品在硬件架构上很相似,但在应用功能上却差异很大。

  标准化是Telematics系统服务实现的关键。例如行车记录、安全保障、位置服务(LBS)和电子收费(ETC)等,许多应用除了整个机车产业以外,还涵盖了通讯、交通、金融、广电等多个领域;此外,应用的定制化也要求厂商独特的创意和灵活的设计制造能力。

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车载资通娱乐系统分析与设计

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