（信号与信息处理专业论文）车载多媒体信息系统中媒体播放模块的研制.pdf

车载多媒体信息系统中媒体播放模块的研制 摘要 车载多媒体信息系统集车载信息、防盗报警、倒车雷达、电视、d v d v c d c d 、 f m 收音、g p r s 上网功能、g p s 电子导航等多功能于一体，且具有个人电脑的大 部分功能，所以也叫行车电脑。本文首先介绍了车载多媒体信息系统的产生背景、 发展现状和开发研制的现实意义。并根据人们对车载多媒体系统的功能需求和期 盼，在深入分析、研究嵌入式技术和车载多媒体技术的基础上，提出了用嵌入式 系统实现功能整合的解决方案。 论文详细比较和论证了车载多媒体信息系统的设计和实现方案。确定选用 f p g a 系统作为硬件开发平台，利用s o p c 嵌入式技术进行软硬件协同设计，以满 足高性能处理要求、灵活性要求及降低成本的目标。本系统选用a l t e r a 公司的 c y c l o n ei i 系列e p 2 c 3 5 器件作为车载多媒体信息系统的主控芯片，并给出了主要 功能模块的电路设计。 媒体播放模块是车载多媒体信息系统的重要功能组成部分，本模块在已有技 术的基础上，对车载音视频设备输入输出进行了连接整合和控制，研制了软 硬件功能齐全的车载多媒体播放模块。本模块不仅能够实现一般的电视接收、 d v d v c d c d 播放、f m 收音、m p 3 播放、音频播放、录音和摄像头监视功能，而 且能够在当前视频界面叠加字符信息( 包括车载信息、节目信息、时间信息等) ， 与g p r s 上网功能、g p s 电子定位功能相结合实现防盗防抢和远程监视。 论文详细论述了媒体播放模块的软硬件协同设计思想，利用s o p cb u i l d e r 构建了系统模块，用硬件描述语言v h d l 编写了用户自定义逻辑，并在q u a r t u si i 5 0 设计平台上实现了功能仿真。同时阐述了用软件实现系统各个功能模块的通 信控制功能，并在此基础上给出了各个模块初始化和控制的程序流程图。 关键词：车载多媒体；图像编码解码；视频叠加；s o p c ；嵌入式技术； t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fm u i t i m e d i ap i a ya o d u i ei n t h ec a r m o u n t e dm u i t i m e d i aj n f o r m a t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h ec a r - m o u n t e dm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n s y s t e mi n t e g r a t e s c a r - m o u n t e d i n f o r m a t i o n ，s e c u r i t y , t e l e v i s i o n ，d v d n c d c d ，t h ef mr a d i oa n d s oo na sas i n g l e s y s t e m i ta l s oc a nr e a l i z ev a r i o u sf u n c t i o n so fap e r s o n a lc o m p u t e r , t h e r e f o r ei sa l s o c a l l e dt h ed r i v i n gc o m p u t e r t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h ec a r - m o u n t e dm u l t i m e d i a s y s t e m , t h ep r e s e n td e v e l o p m e n tc o n d i t i o n , a n dt h er e a l l i f es i g n i f i c a n c eo fr & d i n t h ec a r - m o u n t e dm u l t i m e d i as y s t e m t h e n , a c o m p l e t es o l u t i o no f e m b e d d e ds y s t e mi s p r o p o s e db a s e do np e o p l er e q u i r e m e n ta n de x p e c t a t i o n i t sa l s ob a s e do nt h ec u r r e n t d e v e l o p m e n tc o n d i t i o no ft h ec a r - m o u n t e dm u l t i m e d i as y s t e ma n dt h ee m b e d d e d s y s t e mt e c h n i q u e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h e c a r - m o u n t e dm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns y s t e m b e s i d e st h ef e a t u r e so fg u a r da g a i n s t t h e f ta n da l a r m , c o m m u n i c a t i o na n da m s e e n t h es y s t e mp r o v i d e sc o s d ( c h a r a c t e ro ns c r e e nd i s p l a y ) i nt h ep r o j e aw ec h o o s ef p g aa so u rh a r d w a r e d e v e l o p i n gp l a t f o r m i na d d i t i o n , f p g ac h i ph a sas y s t e m - o n - c i r c u i t - p r o g r a m m i n g f e a t u r ea n dh i g h s p e e di n t e r f a c e s ，w h i c ha r ea v a i l a b l et oi m a g e - p r o c e s s i n g i nt h ed e s i g no f h a r d w a r e ，e p 2 c 3 5c h i pa c t sa sm a i nc o n t r o l l e r , w h i c hb e l o n g st o as e r i e so fc y c l o n ei io na l t e r a t h ep a p e ra l s op r o v i d e st h ef u n c t i o nm o d u l ec i r c u i t , p e r i p h e r yi n t e r f a c ec i r c u i ta n db a s i cu n i tc i r c u i to f m a i n c o n t r o l l e r t h ep a p e rg i v e sd e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ei d e ah o wt h es o f t - w a r ea n dh a r d w a r e w o r ki nc o o p e r a t i o n s y s t e mm o d u l e sa l eb u i l tb ys o p cb u i l d e r , a n du s e rl o g i ci s g e n e r a t e db yt h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ev h d l ，w h i c hi ss i m u l a t e do nt h e q u a r t u s i ip l a t f o r m m e a n w h i l e ，i td e s c r i b e sh o wt oc o n t r o lt h ec o m m u n i c a t i o no f t h ef u n c t i o nm o d u l e sb ys o f t - w a r ep r o g r a m m i n g , a n dg i v e st h ep r o g r a mf l o wc h a r to f m o d u l ei n i t i a l i z a f i o na n dc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：c a r - m o u n t e dm u i t i m e d i a ；i m a g ee n c o d e d e c o d e ；c o s d ：s o p o ； e m b e d d e dt e c h n o i o g y 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 l 注! 麴选直基丝重要挂型主盟 的：奎拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一一一兰竺兰兰竺竺坐一兰三呈竺塑兰旦旦 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：跏年g 月；日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签字： 星矗滴 签字日期：砷6 年d 月乡日 电话： 邮编： 2 0 1 0 年我国轿车保有量将在2 8 9 4 万- - 3 9 6 9 万辆之间，轿车需求量将在6 4 0 万一 1 0 0 7 万辆之间g l 。这表明我国逐渐成长为世界汽车消费大国之一，我国的汽车电 子市场具有非常大的利润空间和发展前景。 但是，中国汽车电子产业面临的问题十分严峻。纵观车载电子产品市场，大 多数产品为国外品牌，如索尼、先锋、波士顿等；而国内汽车电子产品发展相对 缓慢，缺乏自主创新，缺乏自主品牌和自主知识产权，功能不丰富，大部分是功 能单一，结构简单的低端系统。现在国内市场上还没有出现一款将g p s 电子导 航、多媒体影音播放、g p r s 上网功能、倒车雷达和车载信息等多个功能整合起 来的我国自主生产的车载多媒体信息系统。在国外汽车电子产品中，这种功能完 善的车载多媒体信息系统也寥寥无几。当用户想同时拥有多个功能时，不得不购 买多个产品同时安装在车内。这样不但占据了车内的许多空间，而且其重复投资 的高昂价格让许多用户望而却步。将收看电视、d v d v c d c d 、收听广播、打 电话、电子导航、上互联网、处理工作等功能有机的结合起来，做成一个完善的 车载电子系统，提供多位一体的智能平台，已成为车载电子产品的发展趋势和消 费者的呼声。 我们实验室对车载多媒体这一领域的相关技术进行了研究，研制了车载多媒 体信息系统，也称为行车电脑。本课题是嵌入式车载多媒体信息系统研制项目的 一部分。车载多媒体信息系统具有多媒体音视频播放处理功能、o p r s 上网功能、 g p s 电子导航功能，同时集成了车载信息、位置查询、防盗报警、倒车雷达等辅 助功能。用户( 车主) 既可在车内娱乐休闲和办公，也可在人车分离时，通过 g p r s 查看车内外的情况及车的位置。 1 2 车载多媒体信息系统的研究现状 1 2 1 国内现状与相关研发 我国车载电子产品目前正处于起步阶段，全国汽车电子企业约1000 家， 但绝大部分企业规模小，产品单一且技术含量低。产品集中在车载电子设备如汽 车载多媒体信息系统中媒体播放模块的研制 车音响、汽车仪表、通信导航设备等。 目前国内市场上的车载多媒体产品多为传统的单d i n 结构，基本上只能满 足收音和音乐播放的功能，近期，国内各汽车电子厂商纷纷加大了双d i n 型车 载多媒体系统的研发力度。 国内的一些公司也开发了拥有自主知识产权的车载导航设备，但是产品功能 单一，其功能设置以简单的导航及监控、调度为主，不能应用于对实时性、动态 性、准确性有很高要求的交通流诱导系统。另外一些公司直接引进国外的成型技 术和生产线，将车载地图换成国内的地图，将导航软件汉化后直接销售。 近来，国内的一些公司也逐渐认识到了车载电脑系统的重要性，加大了开发 力度。2 0 0 4 年3 月，厦新电子发布公告称与东南汽车合作成立生产车载电子产 品的合资公司；2 0 0 4 年6 月1 6 日，东软与阿尔派合作成立东软汽车电子研发中 心，将为国产宝马、奔驰等配套生产汽车电子产品 3 1 。众多公司的开发研制， 定会使我国的车载多媒体技术快速发展。 1 2 2 国外现状与相关研发 目前国外一些知名的汽车生产厂商在行车电脑方面已经做了多年的研究，形 成了比较成熟的产品，早在1 9 9 8 年，歌乐公司就与微软合作，利用w i n d o w s 操作系统开发出世界上第一台车载电脑系统“歌乐p c ”，综合运用了汽车音响、 计算机技术、导航技术及自动语音识别技术，将汽车带入一个将音响、视像与通 讯三结合的信息网络空间。1 9 9 9 年8 月，通用汽车公司发布了“网络汽车”， 其特点是司机坐在舒适的座椅上就可以通过声音上网。2 0 0 2 年秋天，丰田公司 与微软公司签署一项协定，在丰田汽车上安装带有w i n d o w sc e 操作系统的车 载电脑，来为顾客提供车载网络服务。有了这一项网络服务，驾车人可以在车里 做任何事情：下载音乐、网上购物、选择最佳行驶路线以及请求公路救援等。除 了丰田公司以外，当时还有4 家汽车生产厂家计划在1 2 种车型上安装使用 w i n d o w sc e 操作系统的车载电脑。而宝马公司在2 0 0 2 年9 月就推出了带有 w i n d o w sc e 的新型车。本田公司则在2 0 0 2 年夏天推出了声控车载电脑，并在 2 0 0 2 年秋天推出的雅阁车上配备这一系统。2 0 0 2 年中期，美国英特尔公司决定 批量生产车载电脑。现在市场上比较常见的国外车载系统有以下几种： 1 1 阿尔派i v a d 3 0 0 e 车载系统 阿尔派推出的i v a - d 3 0 0 e 车载系统，在1 d i n 的标准尺寸机体内兼容了d v d 。 m p 3 ，w m a 碟片播放功能，具有大屏幕触摸屏显示器及控制菜单，可以控制换 片机、音频处理器、内置功放、电视调谐器等外围设备。 2 ) 索尼n v x y z 车载系统 索尼多媒体导航系统n v - x y z ，目前共推出x y z 7 7 ，x y z 5 5 和x y z 3 3 共三 种型号。n v o x y z 最大的特点是内置了硬盘，除了作为传统的汽车导航器外，它 车载多媒体信息系统中媒体播放模块的研制 还可以播放各种类型如图像、音频、视频等多媒体文件，使其成为了一个车内的 媒体中心。此外它操作简单，可使用遥控器进行操作，也支持触摸屏操作。 3 ) 松下c n h d x 7 3 0 d 车载系统 松下电器推出的c n h d x 7 3 具备了几乎所有汽车音响主机的功能，同时还 具备了汽车导航等先进功能。它装载有一个1 6 g b 的硬盘，以及一个2 0 0 m h z 的 c p u ，通过一个6 5 英寸的宽屏幕l c d 做操作界面，除了能作为汽车导航外， 内置了电视接收器、d v d 播放器等。 4 ) 韩国m a x a n 公司 韩国m a x a n 公司推出的车载多媒体影音中心i n f i l l 。它集成了电视、数字 多媒体广播、上网和g p s 导航器为一体。强大的影音功能还支持d i v x , m p 4 格 式和多种音频文件的播放i n f i l l 系统配有一个7 英寸的n 叮显示屏，用户可以 通过触摸手柄轻松控制它的所有功能。i n f i u 系统自带有4 0 g b 硬盘，除存储一 些影音文件外，还可以存储照片、文档等格式的文件。 5 ) 德国大众公司 德国大众公司推出的数字化多媒体视频娱乐系统，集电视、收音机、 d v d c d 、m p 3 和游戏功能于一体，并且可以和m p 3 播放器、摄像机、游戏机 直接连接使用。7 寸t f t 液晶显示屏，光盘驱动器安装在扶手箱中。 旬飞利浦公司 “ 飞利浦车载信息娱乐系统集成了d v d 播放器、电视、数字多媒体广播、g p s 导航器为一体。 f 1 3 本课题研究的重要意义 汽车数字化、信息化、网络化是2 1 世纪消费类汽车电子产品技术发展的必 然趋势，汽车导航、多媒体播放和互联网接入系统将成为2 l 世纪汽车的必备设 备。研究开发车载电脑及其应用产品符合这一产业发展的大趋势，具有多方面意 义。 1 ) 科学技术意义 目前，中国车载电子产品绝大部分市场份额由日本、韩国、台湾企业把持。 无自主的知识产权，易对我国形成技术壁垒。因此，利用目前国内已经建立的一 些独立车载系统，如音响系统、a v 系统、g p s 导航系统、i n t e m e t 网络接入系统 有机的结合起来，将它们建立在一个完全开放统一的硬、软件平台上，实现一机 多用、多功能一体化，有利于提高系统的集成度，缩小产品的体积，缩短开发周 期，降低产品的开发成本和造价，开发出拥有完全自主知识产权的高科技产品。 2 ) 实际应用意义 国外有些电子公司的产品虽然将几种功能模块和液晶显示集成为一体，但在 实际应用中，对于国内用户有很多不便： 车载多媒体信息系统中媒体播放模块的研制 操作模式、功能设置不符合中国人的习惯； 内部功能固定，不便于扩充、维护和升级； 价格昂贵，势必提高整车造价。 因此，研制出具有自主知识产权的，易于国内用户操作的车载多媒体信息系 统具有很高的实际应用价值。 3 ) 社会经济意义 研发车载多媒体系统既具有广阔的市场前景，又符合国家的产业发展导向。 科技含量高的车载多媒体信息系统具有强大的生命力，未来有着很大的市场潜 力。 此外，车载多媒体信息系统具有g p s 电子导航功能，其功能包括车辆定位、 路径计算、路径引导、数据通信、地图匹配和人机接口等多种功能，可以作为城 市交通流诱导系统的重要组成部分之一，在缓解城市交通拥挤，减少环境污染和 交通事故方面具有非常重要的作用。 1 4 本文的主要工作及结构 1 4 1 本文的主要工作 本课题受企业委托，研制具有自主知识产权的车载多媒体信息系统。研制车 载多媒体信息系统要做的工作很多，包括媒体播放管理、g p r s 上网功能的实现、 g p s 电子导航和c a n 现场总线的应用等。本文负责研制系统的媒体播放模块。 媒体播放模块是不仅有车载t v 、f m 收音机、v c d d v d c d 、m p 3 、摄像头和 音频录音播放功能，并且可以和g p r s 上网功能、g p s 电子导航功能相结合，实 现防盗防抢、车内外情况及车的位置的远程监视，可以与车载信息采集设备 c a n 总线相结合实现视频图像与车载信息的叠加和显示。 本课题针对目前市场上同类产品中存在的不足，在功能、技术和市场定位上， 突破了同类产品简易合成，对车载音视频设备进行了连接整合和控制。本文的工 作主要包括以下几个方面： 1 对电视制式及原理、f m 收音原理、d v d ，c d c d 工作原理，以及各种 音视频编解码技术进行了深入的分析和研究。 2 对车载多媒体信息系统的几种实现方案进行多方面的比较和论证，最终 确定在f p o a 硬件平台下，利用嵌入式技术、g c l i n u x 操作系统实现系统 功能。 3 设计系统的硬件电路，对系统功能分解、细化，选择恰当的实现方法和 芯片电路，然后对各种功能模块的接口电路和处理电路进行整合。 4 深入研究了f p g a 可编程技术，利用s o p cb u i l d e r 搭建了系统模块，并 设计了视频图像字符叠加及外围芯片的接口。用户逻辑模块设计用 4 车载多媒体信息系统中媒体播放模块的研制 v h d l 硬件编程语言编写，在a l t e m 公司的q u a r t u si i5 0 环境下进行 软件仿真。 5 系统驱动程序编写和应用程序的编写。以软件方式实现各种媒体输入模 块的初始化和控制、多媒体音视频的编解码管理、音频的播放和控制等。 1 4 2 本文的结构安排 根据本文的研究对象和组织思路，全文内容共分为七章。本文的叙述流程是 这样的：首先分析目前我国汽车电子产品的发展趋势和国内外的研究现状，并指 出了目前产品存在的问题，提出了车载多媒体信息系统设计的重要意义，从而引 出本系统的设计思想及其要实现的功能，并指出了本文的主要工作；根据系统的 功能进行方案论证，通过各种方案的比较确定系统的实现方案，并指出方案的优 点及先进性；在方案论证的基础上，进行了电路设计。在电路设计上主要根据系 统要完成的功能以及处理器的性能来选择器件和搭建电路；在对媒体播放模块进 行设计前，首先介绍了媒体播放模块的软硬件协同设计思想与开发环境；紧接着 用了两章的篇幅从硬件和软件两方面介绍了系统具体的设计和实现，在硬件设计 上主要阐述了系统模块的搭建过程和用户自定义逻辑的编程思想；在软件设计上 主要阐述了软件程序流程；最后对系统进行总结并提出了改进和展望。 车载多媒体信息系统中媒体播放模块的研制 2 嵌入式车载多媒体信息系统的整体方案设计 2 1 车载多媒体信息系统设计原则 在综合分析现有的车载电子产品、国内外研发现状和用户的实际应用需求以 后，提出了车载多媒体信息系统的设计原则。 1 ) 功能丰富原则：系统应同时具备车载导航功能、d v d 播放、f m 调频收音、 g p r s 无线上网、电视收看、发短信、车载信息收集显示、倒车雷达以及远程报 警多项功能。 2 ) 稳定性和可靠性：稳定和可靠是系统的首要前提。在系统方案设计、设备 选型、产品研发以及操作使用中，都要优先考虑提供稳定可靠的技术条件。一个 稳定可靠的系统才能真正的给用户的生活工作提供方便。 3 ) 实用性：采用的技术应具有实用的特点。车载多媒体信息系统安装使用的 环境限制在车内，因此在选择系统设计方案的时候应充分考虑体积方面的问题， 使车载多媒体系统总体外观较小，满足汽车上的空间要求。 4 ) 良好的人机界面：操作界面美观简洁，易于用户使用，操作模式和功能设 置符合用户习惯。 5 ) 标准性和规范性：采用国际、国家及行业标准，系统设计规范化，硬件选 型规范化，产品规格规范化。技术和产品遵循开放性原则，具有灵活方便的连接 及升级方案，系统软件设计应基于模块化，便于设计、调试、功能升级扩充，应 考虑采用简洁的流程，降低软件开销时间。 6 ) 电磁兼容性好；汽车内环境非常不好，震动大、电源干扰强、高低温状态， 为了让车载d v d ，g p r s 、g p s 、c a n 总线在这样的环境下能正常、稳定、可靠 地工作而又尽可能的减少对外界其它设备的干扰，就必须解决好它自身的电磁兼 容性问题。 7 ) 易维护和可扩展性：系统的总体结构合理，容量适度，预留外围设备接口， 系统便于扩展，易于同相关产品互连，方便用户对系统进行扩展和升级。 8 ) 经济性：硬件设计时应尽量简化结构，要保证系统设计的合理性和正确性。 系统的整体性能要高，价格要低，使产品更具有竞争力。 2 2 本课题所要解决的关键技术 2 2 1 视频叠加技术 所谓视频叠加就是通过特殊的电路和软件产生字符信息与输入的视频信号 进行叠加，使字符信息在显示器的指定位置上与图像信号同时显示，及时给出和 增加原画面无法表达或无法明确表达的信息，使画面图文并茂、醒目美观 3 1 。其 中，视频信号来自v c d d v d c d 、t v 、摄像头等视频播放设备，字符信息包括 6 乍载多媒体信息系统中媒体播放模块的研制 车载信息、时间信息和节目信息等，车载信息包括轮胎压力、轮胎温度、当前车 速、加速度、油门等。视频叠加技术使t f t 液晶显示器显示出的视频信号上叠 加有系统状态和运行数据等信息，也可屏蔽掉视频信号直接显示车载数据信息。 视频叠加后的输出信号为数字采样信号，可直接在t f t 液晶显示器上显示。 2 2 2 音频编解码技术 音频编解码技术是指音频信号的模拟数字转换和数字模拟转换1 4 1 。在播放 m p 3 或存储器中的音频信息时，须先将数字音频信号转换为左右声道的模拟音 频信号，然后通过耳机或音响播出；在进行录音或通过g p r s 无线传输时，需要 把模拟音频信号转换为数字音频信息，经压缩后存储或传输；此外要对从f m 、 c d c d d v d 、t v 输入的模拟音频信号进行控制和处理，比如音量、音色、存 储、录音等的控制，也要先把模拟信号转变成数字信号进行处理。 2 2 3 视频解码技术 经高频头接收到的电视信号、c d n c d d v d 功能模块输出的视频信号和摄 像头输出的视频信号均是复合视频信号，复合视频信号中除图像信号外，还包括 场同步、行同步、复合消隐信号、槽脉冲信号和均衡脉冲等，它们和图像信号叠 加在一起【习。因此，要对图像处理，就必须对视频解码，提取出图像信号。 2 2 4 嵌入式技术 ，： 近几年来，由于嵌入式技术具有简洁、高效等特点，得到飞速的发展，它已 将各种计算机技术多层次、多方面交叉融合在一起。嵌入式技术是计算机技术、 通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至传感器等先 进技术和具体应用对象相结合的产物。嵌入式系统通常指埋藏在宿主设备中的微 处理机系统，此类计算机一般不被设备使用者注意，亦称埋藏式计算机，典型机 种如微控制器、微处理器、f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y s ) 和d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ) 等1 7 1 。嵌入式系统可靠性高、成本低、体积小、功耗少，且软 硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的 专用计算机系统，无疑在车载多媒体信息系统中采用嵌入式技术是很恰当的。嵌 入式系统的开发，需要解决好如下一些关键问题： 1 ) 内核精巧。嵌入式系统的应用领域一般都是小型电子装置，系统资源相 对有限，因此对内核的要求相当高，较之传统的操作系统来讲要小得多。 2 ) 面向应用。嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。 嵌入式系统中的c p u 大多工作在为特定用户群定制的环境中，具有低功耗、体 积小、集成度高等特点，在进行软硬件设计时必须突出效率、去除冗余，针对用 户的具体需求对系统进行合理的配置，方能达到理想的性能。 7 车载多媒体信息系统中媒体播放模块的研制 3 ) 系统精简。嵌入式系统中的系统软件和应用软件通常没有明显的区别， 不要求其功能及实现上过于复杂，这样一方面有利于控制系统成本，另一方面也 有利于保证系统安全。 4 ) 性能优化。嵌入式系统通常都要求有一定的实时性保障，为了提高执行 速度和系统性能，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储芯片或者处理器的内部 存储器件当中，而不是存贮在磁盘等外部载体中。由于嵌入式系统的运算速度和 存储容量存在一定程度上的限制，而且大部分系统都必须有较高的实时性保证， 因此对软件质量( 特别是可靠性方面) 有着较高的要求。 5 ) 专业开发。嵌入式系统本身并不具备自主开发能力，用户不能直接在其 上进行二次开发。即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改 的，必须由一套开发工具和环境才能进行开发。 2 2 5s o p c 技术 s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ，片上可编程系统) 是一种灵活、高效的 s o c 解决方案。s o p c 是一种特殊的嵌入式系统。首先，它是片上系统，它将处 理器、存储器、加口、l v d s 等系统设计需要的功能模块集成到一个p l d 器件 上，构建成一个可编程的片上系统，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能； 其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，具备 软硬件在系统可编程的能力 s l 。在可编程器件内，还具有小容量高速r a m 资源。 由于市场上有丰富的i pc o r e 资源可供灵活选择，用户可以构成各种不同的系统， 如单处理器、多处理器系统。有些可编程器件内还可以包含部分可编程模拟电路。 除了系统使用的资源外，可编程器件内还具有足够的可编程逻辑资源，用于实现 其它的附加逻辑。 s o p c 结合了s o c 和可编程逻辑器件各自的优点，一般具备以下基本特征： 至少包含一个嵌入式处理器内核 具有小容量片内高速r a m 资源 丰富的i p 核资源可供选择 足够的片上可编程逻辑资源 先进的开发工具 处理器调试接口和f p g a 编程接口 可能包含部分可编程模拟电路 单芯片、低功耗、微封装 s o p c 技术的本质是s o c 技术，其特点表现为可编程性。进行s o p c 设 计的环境是s o p cb u i l d e r ，它集成在a l t e r a 公司的e d a t 具q u a r t u si i 中i 9 1 。s o p c b u i l d e r 有一个友好的图形用户界面，通过这个界面，用户可以从a l t e r a 提供的 i p 库中选取一些组件，如处理器、s d r a m ，f l a s h ，各种加等，并可通过选择配 8 车载多媒体信息系统中媒体播放模块的研制 置相应的参数。s o p c 有个尤为重要的功能：在进行s o p c 设计时，如果用户有 特殊功能要求，但i p 库中没有，则用户可以加入自定义的逻辑来实现。在进行 s o p c 设计时，用户需要先编写用户逻辑( 如果有这种需要的话) ，通过s o p c b u i l d e r 选择组件，然后用s o p cb u i l d e r 产生所选择的系统组件的v h d l 或者 v e r i l o g 源文件以及模拟文件等，之后，用q u a r t u si i 编译整个系统，编译成功后， 把编译文件下载到开发板上进行验证。 s o p c 设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实 时多任务操作系统( r t o s ) 为中心的软件设计技术、以及以p c b 和信号完整性分 析为基础的高速电路设计技术以外，s o p c 还涉及目前已引起普遍关注的软硬件 协同设计技术【”。由于s o p c 的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部进行，而 b g a 封装已被广泛应用在微封装领域中，传统的调试设备，如：逻辑分析仪和数 字示波器，已很难进行直接测试分析，因此，必将对以仿真技术为基础的软硬件 协同设计技术提出更高的要求。同时，新的调试技术也已不断涌现出来，如x i l i n x 公司的片内逻辑分析仪c h i ps c o p e i l a 和a l t e r a 公司的嵌入式逻辑分析仪都是片 内实时调试工具；而在应对复杂设计方面，诸如x i l i n x 公司的s y s t e mg e n e r a t o r f o r d s p 就是一个利用可编程硬件逻辑实现数字信号处理算法的强大辅助工具。 由于芯片设计的复杂性和产品面市时间对于保证终端市场的成功至关重要， 设计师不断寻求缩短设计周期的方法，以及更有效的设计方式。随着我们步入系 统级芯片时代，利用i p 内核和可编程逻辑进行设计复用显得日趋重要。p 资源 复用( 口r e u s e ) 是指在集成电路设计过程中，通过继承、共享或购买所需的智力 产权内核，然后再利用e d a 工具进行设计、综合和验证，从而加速芯片设计过 程，降低开发风险。i p r e u s e 己逐渐成为现代集成电路设计的重要手段，在日新 月异的各种应用需求面前，超大规模集成电路设计时代正步入一个口整合的时 代。 i p 核一般可以分为3 类【“1 ： ( 1 ) 软核( s o f t - c o r e ) 。软核用硬件描述语言写成，可以是对设计的算法级描述， 或功能级描述，也可以是仅仅用于功能仿真的行为模拟。 ( 2 ) 固核( f i r m c o r e ) 。固核是在软核基础上开发的，是一种可综合的、并带时 序信息及布局布线规划的设计，用硬件描述语言写成。 ( 3 ) 硬核( h a r d - c o r e ) 。指和特定工艺相联系的物理版图，设计的正确性已经 得到验证，可在新设计中作为特定的功能模块直接调用。 2 3 嵌入式车载多媒体信息系统的总体设计方案 系统方案的选择包括硬件平台和软件平台的选择，通常硬件和软件的选择包 括：处理器、硬件部件、外围设备、操作系统、编程语言、软件开发工具、调试 工具等。 9 车载多媒体信息系统中媒体播放模块的研制 2 3 1 系统硬件平台设计方案 在系统硬件平台方案的确定中，处理器是最重要的，它是嵌入式系统的核心 部件，同时处理器的选择往往会限制其它器件和操作系统的选择，操作系统的选 择又会限制开发工具的选择。 据不完全统计，e l 前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种， 流行体系结构有3 0 几个系列。但与全球p c 市场不同的是，没有一种微处理器 和微处理器公司可以主导嵌入式技术市场。仅以3 2 位的c p u 而言，就有1 0 0 种 以上嵌入式微处理器。由于嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的。 在选择处理器时要考虑的主要因素有： a ) 处理性能：一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率，内 部寄存器的大小，指令是否对等处理所有的寄存器等。对于许多需用处理器的嵌 入式系统设计来说，目标不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完 成作业的处理器和i d 子系统。 b ) 技术指标：当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，减少了 芯片的数量，降低了整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所要求 的一些硬件能否无需过多的胶合逻辑( g l ，g l u el o g i c ) 就可以连接到处理器上。其 次是考虑该处理器的一些支持芯片，如d m a 控制器，内存管理器，中断控制器， 串行设备、时钟等的配套。 c ) 软件支持工具。仅有一个处理器，没有较好的软件开发工具的支持也是 不行的，因此选择合适的软件开发工具对系统的实现会起到很好的作用。 d ) 硬件部件选择的其它因素：为使产品尽快发售，以获得竞争力，应尽可能 购买比较成熟的硬件；软件对硬件的依赖性，软件是否可以在硬件没有到位的时 候并行设计或先行开发；在c p u 及架构的选择上，一个原则是：只要有可替代 的方案，尽量不要选择常用操作系统尚不支持的硬件平台。 综合考虑以上因素，有三种系统硬件平台设计方案可供选择：p c i 0 4 、单片 机、a r m + c p l d 和f p g a 。 ( 一) p c i 0 4 由于p c i 0 4 的高集成度和模块化的特点，使得在开发周期和开发工具上比 其他的开发模式有一定的优势，但p c i 0 4 板卡相对a r m 、f p g a 等嵌入式技术， 体积较大，价格比较高。因此，此方案只在开发过程中作为初期开发实验使用。 本方案是以p c i 0 4 嵌入式计算机为核心设计开发的，硬件主要还有g p s 设备、 g p r s 设备、收音机芯片、电视高频头以及视频音频处理芯片等。各个硬件功能 模块之间既有联系同时也具有相对的独立性，系统的整体结构组成如图2 - 1 所 示。 1 0 车载多媒体信息系统中媒体播放模块的研制 g p s 设备 数字音音频信号 ( 1 lf i ! l p c l 0 4 嵌入式 计算机 堡鲨 g p r s 备 数字音音频信号 5 7 6 7 f m 调频 1 2 c 7 3 1 3 音 频切换 数字 音频输出 一到喇叭 模拟音频信号 屯视鬲l 频头l 。一 十蔷釜禁喜 莫拟视i 图2 l 系统结构图 作为系统主控设备的e v o ce c 3 1 6 2 1 c l d n a ，是一款专为低功耗用户精心设计 基于v i ap n l 3 3 tw 8 6 0 6 + v t 8 2 c 6 8 6 b 芯片组的功能齐全的单板计算机。其具有 性能稳定可靠、质量保证等特点，能满足多媒体应用的需要。在系统总线方面， 支持6 0 0 m h z 前端系统总线和板载最新v i ae d e n 6 0 0 0 超低功耗处理器；在内存方 面，最大内存容量高达5 1 2 m b ；e c 3 一1 6 2 1 c l d n a 外形大小仅为1 4 6 m x1 0 2 咖，有利 于车载设备的小型化。同时其软件开发非常方便，由于和p c 兼容，所以在p c 机上 调试好的程序可以直接在其上运行。选用它可以减少产品的开发费用，缩短开发 周期，提高产品的性能。其主要功能如下： 显示功能： 内置8 m b 显示缓存，可选1 6 3 2 m b 显存( 占用系统内存) ，整合a g p2 x2 d 3 d 图形加速器，可提供高质量d v d 视频回放； 支持标准1 5 针d 型c r t 显示器输出； 可支持2 4 位或3 6 位d s t n t f t 平板液晶显示器，有平板上电顺序，分 辨率最高可达1 6 0 0 x 1 2 0 0 ； 支持c r t 和l c d 双显示( 显示c r t 显示模式分辨率最高可达1 9 2 0 x 1 4 4 0 ， l c d 显示模式分辨率最高可达( 1 6 0 0 x 1 2 0 0 ) ： 两通道l v d s 可支持1 8 位色彩的屏，分辨率最高可达 s x g a ( 1 4 0 0 x 1 0 5 0 ) ： 网络功能( l a n ) ： 集成一个r e a l t e kr t l 8 1 0 0 b l1 0 1 0 0 m b 全双工以太网控制器； i o 功能： 一个与s p p e p p e c p 规格兼容的高速并口； r s 2 3 2 串行通讯接口：四个与高速1 6 5 5 0u a r t 兼容的r s 2 3 2 串行通讯 口： 键盘和鼠标接口：标准m i n id i n 插座经一转二转接电缆连接p s 2 键盘 和鼠标； 车载多媒体信息系统中媒体播放模块的研制 红外接口：一个5 芯单列直插型接头支持i r d as i r 和s h a r pa s k i r 协 议； 四路输入和四路输出数字i 0 ： 音频( a u d i o ) 功能： 1 6 位立体声全双工多媒体数字编码器兼容于a c 9 72 2 规范； 存储功能： 集成 c o m p a c tf l a s h 接口和c o m p a c tf l a s h 存储卡。c o m p a c tf l a s h 卡 是一种快速存储器，体积很小使用方便，存储量随所用的卡变化如1 m 、 2 5 6 m 等； 扩充总线： 一个p c 1 0 4 总线； 其他特性： 符合w i n d o w s 9 8 规格的加强型a c p i ( 高级配置和电源接口标准) ，支持 更多的电源管理功能； ( 二)单片机 d v d v c i ) t v 摄像头 图2 - 2 系统结构图 在以p c i 0 4 嵌入式计算机作为主控制器的车载多媒体系统开发实验成功后， 为了降低系统体积和价格，又开发研制了以单片机+ f p g a 为架构方案的车载多媒 体系统，以单片机作为系统控制器，以f p g a 和压缩芯片作为视频图像的处理芯片， 1 2 车载多媒体信息系统中媒体播放模块的研制 单片机主要负责芯片的配置和初始化工作，以及实现a t a 协议、u s b 主控制器协议、 串口通信协议等；而视频图像处理由f p g a 逻辑电路和压缩电路负责。f p g a 逻辑除 了实现字符叠加的功能外，还要实现外围设备的通信接口。 图像数据被数字化处理后，数据量变大，对实时性要求更高。选用单片机+ f p g a 的架构方案，充分应用了单片机经济性，又可利用f p g a 处理数据的高速性 满足图像数据处理的实时性，同时压缩芯片对图像数据进行压缩便于传输和通 信。 此方案存在着很多不足之处：首先系统的集成度不够高，采用单片机和f p g a 对不同的功能模块进行处理，功能模块之间的交互必然引起一些非功能性的操 作，如单片机和f p g a 之间的数据以及信息的传递；其次代码程序量大，单片机作 为系统的主控芯片，负责芯片的配置和初始化工作，却不具备与其它芯片接口的 驱动功能模块单元，如i 2 c 总线和1 2 s 总线，在开发期间，用户需要构建这些接口 总线，将占用大量的开发调试空间，并占用程序存储空间；再次无法进行系统级 的操作系统搭建，作为成型的车载多媒体系统，具有上网、工作、娱乐休闲功能， 没有操作系统的支持是不可能实现的。 a r m + c p l d a r m 是近年来在嵌入式系统最有影响力的微处理器设计商之一，a r m 公司 自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s