基于 32 位系统的车载多媒体导航系统设计
2010-12-20 11:07:08
来源：《半导体器件应用》2008年12月刊
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1 引言
车载多媒体导航系统，是在嵌入安装在汽车环境使用的多媒体系统、导航系统。相对于手持式的个人导航产品(PND)，对环境和性能有着许多更高的要求。
首先是超过工业产品的工作环境温度要求。
其次是点火系统、发电系统等强电磁干扰对接收极微弱GPS信号的导航系统的干扰。
还有震动对于产品的要求，也是一个难题。
其他像盐雾、潮湿、油污等环境因素，车载产品都要求能够超过家用产品和一般工业产品的要求。
即使是这样的恶劣环境，车载产品的可靠性要求仍需要保持在一个相当高的级别之上。在设计系统时，我们需要在可靠性、可用性等方面，花费比其他家用产品和一般工业产品多许多倍的精力和时间。
一个车载产品，在完成设计后，要安装进汽车中应用，要经过非常冗长而繁杂的测试过程，特别是漫长的路测，这个实际的技术和工程需要，导致新技术新器件进入车载的几率大大减小，开发速度大大慢过消费和其他领域。
2 背景
车载音响产品，从收音机、磁带机到CD播放机，经历了数十年的逐步完善和提升的过程。在车载CD刚刚开始普及的时候，车载产品就已经面临将导航、互联网、甚至移动计算等功能快速纳入的压力和实际需要，固体储存和数字压缩音乐、数字声音广播和数字电视广播，各种产品不断地在汽车上使用。
现在，随着LCD应用的日趋成熟，汽车影音产品全面进入平板显示时代，从仪表盘的升级换代，到内容显示方式和档次的提升，我们看到，一个以显示为中心的汽车产品需求已经实实在在摆在我们的面前。其中，导航产品成为汽车标配部件，在高端汽车中已经变成现实；在普通汽车中实现，也是指日可待的了。
3 车载音响产品结构设计的演化历程
车载音响产品，长期在简单的逻辑控制结构上面发展，那个时候，系统主要就是支持收音，逐渐地有了磁带，系统不需要负载的控制，简单的逻辑控制就能满足需要。
当CD进入汽车领域，车载音响就进入了4位MCU时代，AM/FM收音的调谐控制，按键、显示以及CD的处理，一个4位单片机就足够了，这个时代，延续了十多年的时间，到今天，依然是市场上产品的主流。
按说，车载音响产品也应该像技术发展的程序一样，经历4位，到8位、16位，然后32位的发展过程。8位MCU的确进入了车载音响，但是，8位MCU根本还没有变成市场的主流，也没有获得比较大的份额。在摩尔定律的作用下，半导体呈现的加速现象，以及车载产品由于对可靠性和认证的严酷要求，8位MCU还没有形成普及，16位还很少应用，我们的结构设计，就一步跨入了32位时代。
4 基于32位系统的车载多媒体导航系统设计要求
在今天的车载产品中，我们采用32位CPU的设计，面临以下诸多非常困难的特殊要求。
(1) 低待机功耗的要求
车载设备在待机时，工业标准对其实际消耗电流的要求很低。
(2) 基于嵌入式操作系统的快速响应难题
在使用32位CPU的车载导航系统里面，我们无一例外的都需要一个操作系统(OS)来支撑工作。但是目前的任何一个操作系统对于车载产品来说都是一个庞然大物，其内部复杂和漫长的处理过程，导致其系统响应时间同应用环境的要求有一个比较大的差距。
解决这样的嵌入式系统的快速响应问题，是一个难题，也是一个车载项目的基本要求。
(3) 不同格式显示屏和触摸面板
LCD显示屏按照其驱动方式的不同，有模拟和数字驱动两种不同的方式。
我们的系统设计，支持两种不同驱动方式的显示屏。
LCD屏的分辨率目前主要在汽车中间应用的6.2寸、6.5寸或者7寸LCD屏，多数分辨率是480×234，也有少数的分辨率是640×480。
(4) 符合人体工程学的整体界面设计
①按键、遥控和飞梭
按键始终是电子产品必要的输入设备。在具有触摸屏的设计中，我们仅仅保留一些基本的按键，如开关机、出碟、或者一些直接切换功能的按键，其他应该尽量在触摸屏上，通过灵活的显示提示来予以实现。
虽然汽车环境的狭小，为了后排乘客的方便，也需要有遥控功能。
从收音机年代开始的调谐和音量等调整，相关产品一般都需要设置一个或者两个采用飞梭工艺的旋钮，用来快速和直观调整音量等，在32位时代，我们依然保持这个风格。
②触摸屏和书写识别
近几年来，通过触摸和拖动来实现选择和调整，是电子产品输入技术的重大进步，也是一个产品的可销售性能的重要竞争指标，像苹果在几个产品上面的突出应用。在32位系统里面，能够容易地通过电阻式触摸屏来实现这些功能。
在导航应用中，还需要支持书写功能，为了在汽车环境的特殊需要，还可以设计采用蓝牙方式的无线手写输入板，将其安装到方向盘上面，方便司机操作。
③简单明了的操作界面
人机界面的设计，是一个产品设计的关键，如何通过周密而认真的设计，让消费者能够直观简单明了地操作产品，是一个难题。
(5) 多种系统唤起方式
在更加好的人体工学的要求下，系统通电状态下，从待机状态唤醒系统的方式需要多种。
(6) 实时时钟的设计
汽车上需要给使用者提供实时时钟，车载音响一般都需要设计一个。
(7) 多种视频信号输入和处置方式
支持前台和后台操作方式。
前台是嵌入在操作台上面的，主要提供给司机使用，显示各种交互式控制信息和导航信息。
后台输出是提供给后排乘客使用的，主要是提供多媒体内容，供后排乘客欣赏。
(8) 如何同ECU通信
在高级的系统设计中，车载音响可以同汽车主ECU通信，将汽车运作和行驶的一些主要参数，在显示器中显示出来。
(9) 方向盘控制器
方向盘控制器，使驾驶员可以方便地控制设备，这样的设计如果是通过ECU来处理的，更要通过ECU来实现。多数的设计方向盘是直接连接到车载设备的，我们需要根据目标车型来开发和实现。
(10) 自动亮度控制功能
在汽车中应用的显示器产品，应该有一个性能优异的自动亮度控制装置，以满足快速变化的照明环境需要，为此，在系统中设计一个光学传感器，系统根据外部照度的变化，自动调节显示器的显示指标。
5 系统结构设计
(1) 系统结构框图
32 位车载多媒体导航系统原理框图如图 1 所示。
(2) 可以增删的系统功能
①无碟片系统
在许多热爱FLASH的使用者那里，碟片已经是一个多余和麻烦的部件，该设计可以容易地简化为一个无碟片系统，通过FLASH卡和内置的NAND FLASH、USB等设备来作为数字内容的载体。
②单碟CD或者DVD
基本配置中，推荐采用一个单碟的CD或者DVD。
③前置换碟器
如果客户需要前置换碟器，6碟的换碟器是一个比较好的选择，将其安装在机身内部，但是面板设计有一定难度，选型要保证同空间上配合。
④后置换碟器
该设计支持后置的CD或者DVD换碟器，支持换碟器的图像输入和切换处理等。
⑤AM/FM收音机和RDS
在DTS系统中，RDS是一个选择项目，通过32位CPU的强大功能，能够实现RDS的各种级别的功能和需要，达到能够支持TMC实时路况导航的功能。
⑥DAB系统
在欧洲等采用DAB的环境里面，系统设计可以通过模块接入的方式，支持DAB以及其相应的数据广播功能。
⑦蓝牙
作为短距离通信的首选技术，蓝牙在汽车内部的应用已经是一个必备项目。
⑧免提电话接入功能
首先需要通过蓝牙支持汽车内部的免提通话功能，通过产品内置的抗干扰的麦克风阵列和车内扬声器，完成免提通话的功能。
未来的开发，我们的蓝牙系统还要支持蓝牙的后视倒车镜或者倒车雷达，通过无线技术，降低连线工艺和工程难度。
⑨手机充电电源支持
通过USB端口，可以为支持USB充电的手机提供一个充电的功能。
6 系统工艺设计
一个好的产品，仅仅有好的电路和软件还不是全部，良好的工艺设计，是实现产品量化的关键因素。
采用32位CPU完成的车载多媒体导航系统设计中，将复杂的导航和控制系统、LCD驱动系统，放置在LCD屏的后面，采用双面SMT的工艺。电源、音频处理等工艺，放在主板上，采用一个双面板的单面SMT工艺。DVD或者CD模块采用机芯下的单PCB工艺，通过线缆接入系统。
整个工艺设计简洁可靠，空间利用率高，连接端口少，加工方便，至通率高。
车载多媒体导航系统，是在嵌入安装在汽车环境使用的多媒体系统、导航系统。相对于手持式的个人导航产品(PND)，对环境和性能有着许多更高的要求。
首先是超过工业产品的工作环境温度要求。
其次是点火系统、发电系统等强电磁干扰对接收极微弱GPS信号的导航系统的干扰。
还有震动对于产品的要求，也是一个难题。
其他像盐雾、潮湿、油污等环境因素，车载产品都要求能够超过家用产品和一般工业产品的要求。
即使是这样的恶劣环境，车载产品的可靠性要求仍需要保持在一个相当高的级别之上。在设计系统时，我们需要在可靠性、可用性等方面，花费比其他家用产品和一般工业产品多许多倍的精力和时间。
一个车载产品，在完成设计后，要安装进汽车中应用，要经过非常冗长而繁杂的测试过程，特别是漫长的路测，这个实际的技术和工程需要，导致新技术新器件进入车载的几率大大减小，开发速度大大慢过消费和其他领域。
2 背景
车载音响产品，从收音机、磁带机到CD播放机，经历了数十年的逐步完善和提升的过程。在车载CD刚刚开始普及的时候，车载产品就已经面临将导航、互联网、甚至移动计算等功能快速纳入的压力和实际需要，固体储存和数字压缩音乐、数字声音广播和数字电视广播，各种产品不断地在汽车上使用。
现在，随着LCD应用的日趋成熟，汽车影音产品全面进入平板显示时代，从仪表盘的升级换代，到内容显示方式和档次的提升，我们看到，一个以显示为中心的汽车产品需求已经实实在在摆在我们的面前。其中，导航产品成为汽车标配部件，在高端汽车中已经变成现实；在普通汽车中实现，也是指日可待的了。
3 车载音响产品结构设计的演化历程
车载音响产品，长期在简单的逻辑控制结构上面发展，那个时候，系统主要就是支持收音，逐渐地有了磁带，系统不需要负载的控制，简单的逻辑控制就能满足需要。
当CD进入汽车领域，车载音响就进入了4位MCU时代，AM/FM收音的调谐控制，按键、显示以及CD的处理，一个4位单片机就足够了，这个时代，延续了十多年的时间，到今天，依然是市场上产品的主流。
按说，车载音响产品也应该像技术发展的程序一样，经历4位，到8位、16位，然后32位的发展过程。8位MCU的确进入了车载音响，但是，8位MCU根本还没有变成市场的主流，也没有获得比较大的份额。在摩尔定律的作用下，半导体呈现的加速现象，以及车载产品由于对可靠性和认证的严酷要求，8位MCU还没有形成普及，16位还很少应用，我们的结构设计，就一步跨入了32位时代。
4 基于32位系统的车载多媒体导航系统设计要求
在今天的车载产品中，我们采用32位CPU的设计，面临以下诸多非常困难的特殊要求。
(1) 低待机功耗的要求
车载设备在待机时，工业标准对其实际消耗电流的要求很低。
(2) 基于嵌入式操作系统的快速响应难题
在使用32位CPU的车载导航系统里面，我们无一例外的都需要一个操作系统(OS)来支撑工作。但是目前的任何一个操作系统对于车载产品来说都是一个庞然大物，其内部复杂和漫长的处理过程，导致其系统响应时间同应用环境的要求有一个比较大的差距。
解决这样的嵌入式系统的快速响应问题，是一个难题，也是一个车载项目的基本要求。
(3) 不同格式显示屏和触摸面板
LCD显示屏按照其驱动方式的不同，有模拟和数字驱动两种不同的方式。
我们的系统设计，支持两种不同驱动方式的显示屏。
LCD屏的分辨率目前主要在汽车中间应用的6.2寸、6.5寸或者7寸LCD屏，多数分辨率是480×234，也有少数的分辨率是640×480。
(4) 符合人体工程学的整体界面设计
①按键、遥控和飞梭
按键始终是电子产品必要的输入设备。在具有触摸屏的设计中，我们仅仅保留一些基本的按键，如开关机、出碟、或者一些直接切换功能的按键，其他应该尽量在触摸屏上，通过灵活的显示提示来予以实现。
虽然汽车环境的狭小，为了后排乘客的方便，也需要有遥控功能。
从收音机年代开始的调谐和音量等调整，相关产品一般都需要设置一个或者两个采用飞梭工艺的旋钮，用来快速和直观调整音量等，在32位时代，我们依然保持这个风格。
②触摸屏和书写识别
近几年来，通过触摸和拖动来实现选择和调整，是电子产品输入技术的重大进步，也是一个产品的可销售性能的重要竞争指标，像苹果在几个产品上面的突出应用。在32位系统里面，能够容易地通过电阻式触摸屏来实现这些功能。
在导航应用中，还需要支持书写功能，为了在汽车环境的特殊需要，还可以设计采用蓝牙方式的无线手写输入板，将其安装到方向盘上面，方便司机操作。
③简单明了的操作界面
人机界面的设计，是一个产品设计的关键，如何通过周密而认真的设计，让消费者能够直观简单明了地操作产品，是一个难题。
(5) 多种系统唤起方式
在更加好的人体工学的要求下，系统通电状态下，从待机状态唤醒系统的方式需要多种。
(6) 实时时钟的设计
汽车上需要给使用者提供实时时钟，车载音响一般都需要设计一个。
(7) 多种视频信号输入和处置方式
支持前台和后台操作方式。
前台是嵌入在操作台上面的，主要提供给司机使用，显示各种交互式控制信息和导航信息。
后台输出是提供给后排乘客使用的，主要是提供多媒体内容，供后排乘客欣赏。
(8) 如何同ECU通信
在高级的系统设计中，车载音响可以同汽车主ECU通信，将汽车运作和行驶的一些主要参数，在显示器中显示出来。
(9) 方向盘控制器
方向盘控制器，使驾驶员可以方便地控制设备，这样的设计如果是通过ECU来处理的，更要通过ECU来实现。多数的设计方向盘是直接连接到车载设备的，我们需要根据目标车型来开发和实现。
(10) 自动亮度控制功能
在汽车中应用的显示器产品，应该有一个性能优异的自动亮度控制装置，以满足快速变化的照明环境需要，为此，在系统中设计一个光学传感器，系统根据外部照度的变化，自动调节显示器的显示指标。
5 系统结构设计
(1) 系统结构框图
32 位车载多媒体导航系统原理框图如图 1 所示。
(2) 可以增删的系统功能
①无碟片系统
在许多热爱FLASH的使用者那里，碟片已经是一个多余和麻烦的部件，该设计可以容易地简化为一个无碟片系统，通过FLASH卡和内置的NAND FLASH、USB等设备来作为数字内容的载体。
②单碟CD或者DVD
基本配置中，推荐采用一个单碟的CD或者DVD。
③前置换碟器
如果客户需要前置换碟器，6碟的换碟器是一个比较好的选择，将其安装在机身内部，但是面板设计有一定难度，选型要保证同空间上配合。
④后置换碟器
该设计支持后置的CD或者DVD换碟器，支持换碟器的图像输入和切换处理等。
⑤AM/FM收音机和RDS
在DTS系统中，RDS是一个选择项目，通过32位CPU的强大功能，能够实现RDS的各种级别的功能和需要，达到能够支持TMC实时路况导航的功能。
⑥DAB系统
在欧洲等采用DAB的环境里面，系统设计可以通过模块接入的方式，支持DAB以及其相应的数据广播功能。
⑦蓝牙
作为短距离通信的首选技术，蓝牙在汽车内部的应用已经是一个必备项目。
⑧免提电话接入功能
首先需要通过蓝牙支持汽车内部的免提通话功能，通过产品内置的抗干扰的麦克风阵列和车内扬声器，完成免提通话的功能。
未来的开发，我们的蓝牙系统还要支持蓝牙的后视倒车镜或者倒车雷达，通过无线技术，降低连线工艺和工程难度。
⑨手机充电电源支持
通过USB端口，可以为支持USB充电的手机提供一个充电的功能。
6 系统工艺设计
一个好的产品，仅仅有好的电路和软件还不是全部，良好的工艺设计，是实现产品量化的关键因素。
采用32位CPU完成的车载多媒体导航系统设计中，将复杂的导航和控制系统、LCD驱动系统，放置在LCD屏的后面，采用双面SMT的工艺。电源、音频处理等工艺，放在主板上，采用一个双面板的单面SMT工艺。DVD或者CD模块采用机芯下的单PCB工艺，通过线缆接入系统。
整个工艺设计简洁可靠，空间利用率高，连接端口少，加工方便，至通率高。
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