（凝聚态物理专业论文）车载多媒体信息系统的设计与实现.pdf

摘要 随着现代汽车工业和电子技术的发展，集车载导航、通信、娱乐等多功能的 车载多媒体信息系统的市场需求与日俱增。本文针对这种发展趋势和当前国产车 多媒体信息系统功能单一、系统集成低等不足，特别是由于车载多媒体信息系统 外设过多后，单控制器稳定性差，出现了状态切换不流畅等缺点，研究并设计了 一种集成度高，性能更稳定的基于a r m 的双核车载多媒体信息系统，实现了导 航、收音机、d v d v c d c d m p 3 播放等功能的集成。 由于上位机采用a r m 体系结构，具有多任务调度与管理，人机界面易扩充 的特点。下位机采用s t 公司的8 位控制器易于控制和实时性好的优点，两者有 效结合大大的提高了系统的稳定性与实时性。 论文主要对双核控制器的车载多媒体平台的各个功能模块通信的具体实现 进行了研究，包括：1 ) 下位机硬件平台采用控制器s t m 8 ，通过i i c 协议实现 了收音机、数字电视、音视频通道切换、t f t 液晶屏的控制；通过模拟红外d v d 通信协议实现了d v d 控制；研究和分析了c a n 总线，利用汽车的方向盘通过 c a n 协议实现了车载多媒体系统与汽车的信息交互。2 ) 在系统的上位机采用三 星的a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 4 0 作为主控制器实现了多媒体文件存储、触摸屏控制、 g p s 导航数据获取、与下位机的信息交互。 关键词：g p s ，c a n 总线，车载多媒体 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ma u t o m o b i l ei n d u s t r ya n d e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ， e l e c t r o n i c s y s t e m s s u c ha sv e h i c l en a v i g a t i o n , c o m m u n i c a t i o n , m o b i l eo f f i c e ， m u l t i m e d i ae n t e r t a i n m e n tb e c o m em o r ea n dm o r ei n t e g r a t e d a c c o r d i n g t ot h i s d e v e l o p i n gt e n d e n c y , v e h i c l em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns y s t e mi n d o m e s t i cc o u n t r yi s v e r ys i n g l e f u n c t i o n a l a n dl o w i n t e g r a t e d ，e s p e c i a l l ys o m eh a v et o os om a n y p e r i p h e r a l st oo p e r a t es m o o t h l y , t h i sp a p e rd e s i g n sam o r es t a b l ed u a l c o r e v e h i c l e m u l t i m e d i as y s t e mb a s e do na r m m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e i se a s yt oe x t e n d ，b e c a u s eh o s tc o m p u t e rh a sa r m s y s t e m w h i c hh a sm u l t i m i s s i o n ss c h e d u l i n ga n dm a n a g e m e n t s l a v e u s e ss t s8 b i t c o n t r o l l e rt h a th a sm a n ya d v a n t a g e st oi n c r e a s es t a b i l i t ya n di n s t a n t a n e i t y t h ea r t i c l em a i n l yh a st h er e s e a r c ho ne v e r ym o d u l e sc o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o n s ： 1 ) s l a v ec o m p u t e ru s e ss t m 8t oc o n s t r u c t h a r d w a r ep l a t f o r m ，f u l f i l l sr a d i o ， d i g i t a lt v , c h a n n e le x c h a n g e ，t f tl c d ，t h r o u g h1 2 cp r o t o c o l ；d i s c u s s e sa n da n a l y s e s c a n ，f u l f i l l si n f o r m a t i o n se x c h a n g eb e t w e e n v e h i c l em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns y s t e m a n dc a r ；d e s i g n ss i m u l a t e di n f r a r e dd v dc o m m u n i c a t i n gp r o t o c 0 1 2 ) u p p e rc o m p u t e r u s e ss a m s u n g sa r mp r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0a sm c u t of u l f i l lm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha s m u l t i m e d i ad o c u m e n ts t o r a g e ，t o u c h - s c r e e nc o n t r o l ，g p sn a v i g a t i o nd a t aa c q u i s i t i o n a n dm u t u a lc o m m u n i c a t i o nw i t hs l a v ec o m p u t e r k e yw o r d s ：g p s ，c a n b u s ，v e h i c u l a r m u l t i m e d i a u 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：玺 导师签名：期：冽毫彳 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 项目的背景及意义 第1 章绪论 随着嵌入式技术和汽车两大产业的快速发展，作为这两者的“结合体”的汽 车电子产业，也正在步入快速的发展阶段。本文所要研究的车载多媒体信息平台 就是应用嵌入式技术与汽车电子的产物。现代生活、工作节奏的加快，和对汽车 越来越多的依赖，汽车已经成为了众多人生活中的重要工具。人们希望在车内的 时间产生更多的综合效益。不但可以通过接受外界信息进行工作，而且还要有娱 乐功能。这种生活、工作两便的需求，促进了车载多媒体信息平台的诞生和发展。 车载多媒体信息平台是数据采集、车载多媒体、移动办公功能、导航等系统的总 称。 自从美国的福特牌汽车上开始安装了第一台汽车收音机，从那时候起标志着 汽车已经进入了多媒体时代。经过了8 0 多年的发展，车载多媒体设备与其他数 码设备得到了巨大的发展，从最初的f m 调频收音机和卡带播放器等简单的车载 音响，到现在非常普遍的车载c d m d 音响、车载v c d d v d 播放器、数字电视、 倒车雷达，以及车载多媒体g p s 导航产品。车载电子设备逐渐发展成为集视听 娱乐、通信导航等多功能于一体的多媒体系统。它不知不觉地改变着人们的生活 方式，使汽车功能单一的代步工具成为移动着的工作、休闲娱乐场所。 随着车载多媒体与g p s 导航系统的日益发展与完善，车载多媒体信息平台 需求大大增加，预计到2 0 1 0 年，全球导航产品装机率大幅提高。德国博世集团 推测，在全球汽车年产量中配备导航功能系统的车辆比例从2 0 0 6 年的6 到2 0 1 4 的4 3 以后还会继续增长，而汽车多媒体系统大多数汽车都有，因而将汽车多媒 体系统与导航系统集成于一体的车载多媒体信息平台具有广阔的市场前景，本文 正是基于这种需求与合作单位共同展开研究的。 1 2 国内外研究的现状 在国外，汽车工业发达的国家，当前，高、中档轿车中的电子设备配置都 在向豪华型、个性化方向发展。其中作为视音享受的高品质音响和液晶显示器已 经成为许多车型的标准配置，人们对轿车的娱乐性的要求也在不断提高，车载视 频光盘、车载数字化视频光盘、车载电视、全球卫星导航系统等产品得到越来越 多用户的青睐。集成度也相当高，系统也比较稳定，但是价格居高不下。 武汉理工大学硕士学位论文 在国内，纵观车载电子产品市场，当前汽车电子产品市场上大多数为国外 品牌，如索尼、波士顿、先锋等。而国内市场由于缺乏自主创新，缺乏自主品牌 和自主知识产权，汽车电子产品在国内发展相对缓慢【l j 。同时国内产品功能不丰 富，大部分是功能单一、结构简单的低端系统。国内市场上很少有将导航、影音 播放等多个功能整合起来的多媒体系统。当用户想同时拥有多个功能的需求时， 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。即使有，系统也不够稳定，经常出现系统反应迟钝的现象，究其原因， 是因为系统外设过多后单控制器已经难以支撑，特别是在播放d v d 时，由于它 与处理器信息交互非常频繁，所以当从d v d 状态切换到其他状态的时候就会出 现系统不流畅的现象。就上提出并实现了一种将收音机，d v d v c d c d m p 3 播 放等功能与导航功能集成在一起具有双核控制器的车载多媒体信息平台。 1 3 论文的基本思想和主要内容 1 3 1 论文的基本思想 根据前面的分析及国内现状，本设计采用通用性强、市场前景最好的方案。 本设计所做的工作主要是在嵌入式系统硬件各个模块及其连接总线既定的情况 下，通过软件编程实现车载导航系统、数字电视、c d c 、d v d 、a v 、m p 3 m p 4 播放等功能。 本文的车载信息系统结构上分为三部分：上位机板、下位机板、t f t 板。上 位机板采用了3 2 位a r m 处理器三星的$ 3 c 2 4 4 0 和嵌入式l i n u x 操作系统构成 的先进的嵌入式系统。用于处理定位、存储各种音、视频文件，并通过u a r t 与下位机进行信息交互。下位机采用的是意法半导体公司的s t m 8 单片机。主要 处理上位机发送的命令和汽车方向盘对信息平台的控制、各种视频和车上状态信 息的显示，各种多媒体对象的控制。另外的t f t 控制板主要就是是液晶的显示 电路，以及面板上的a d 按键电路。采用c a n 总线技术实现了汽车方向盘与车 载多媒体之间的信息交互，并采用l c d 模块进行信息的综合显示，克服了传统 车载多媒体的缺陷。 1 3 2 论文的主要内容 本文研究的车载信息系统的主要研究工作可以概括为以下几个方面： ( 1 ) 研究和分析a r m 处理器$ 3 c 2 4 4 0 和s t m 8 微处理器以及内部结构，并且 以此为基础搭建出了系统的硬件平台。在上位机硬件平台上实现了l i n u x 系统 2 武汉理工大学硕士学位论文 在$ 3 c 2 4 4 0 的移植，通过实现l i n u x 下的串口驱动实现了g p s 数据提取，在 下位机硬件平台上实现了收音机、数字电视、c d c 、d v d 、a v 播放控制与显示， 实现了四种人机接口，使系统的操作相当方便。 ( 2 ) 研究和分析了c a n 总线，实现了c a n 总线与车载信息平台的通讯，使 汽车的方向盘能通过c a n 协议来控制本系统。在传统d v d 控制协议有缺陷的 情况下，成功制定了另一种d v d 通信协议 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章车载多媒体系统的硬件总体设计 2 1 系统总体硬件框架 本系统整个硬件分为三个模块来设计，分成三块电路板：上位机板，下位机 板，1 1 玎液晶显示板。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。 上位机主要负责导航数据处理、触摸屏的控制、多媒体文件的存储、与下位机的 信息交互。下位机主要功能包括音，视频通道的切换，d v d r a d i o 刖等外设 的控制，并通过c a n 总线实现了系统与汽车之间的信息交互。t f t 控制板主要 实现面板按键功能，与1 f t 液晶的外围驱动电路。系统的整体结构组成如图2 1 所示。下面就硬件模块分别加以介绍。 图2 1 系统结构图 2 2 上位机硬件设备组成及电路设计 2 2 1 处理器选择 处理器是系统的控制核心，其性能的好坏直接决定了多协议处理系统性能的 优劣。因此处理器的选择是系统设计首先考虑和重视的问题。处理器的选择主要 考虑以下几个方面的因素： ( 1 ) 处理器的速度它以时钟周期或机器周期表示，一般以实际应用要求为准， 在本系统中需要对串口、l c d 等接口以及音视频文件的数据进行及时传输，对 处理器的速度有一定的要求。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 处理器的位数目前常用的有8 位、1 6 位和3 2 位处理器。8 位处理器主要 为低价应用而设计，通常由集成的内存和输入输出设备组成，性能很低，只能完 成一些基本的任务。1 6 位处理器被用于比较精密的应用，这些应用通常需要的 字长或是独立的内存和输入输出设备；3 2 位产品是目前的应用主流，能提供较高 的性能，各个嵌入式处理器厂商都将它作为重点。为了保证数据一定的精度，本 系统选用3 2 位处理器。 ( 3 ) 指令系统指令系统强意味着指令丰富( 基本指令数多) ，指令功能强1 2 】。 这给程序设计带来极大的方便，而且可以缩短系统处理数据的时间，有利于整个 系统性能的提高。 ( 4 ) 是否内置调试工具处理器。如果内置调试工具可以大大缩小调试周期， 降低调试的难度。 ( 5 ) 电源的种类及功耗大小。 a r m 9 系列的功耗非常低【3 】，而且有休眠模式和掉电两种更加低功耗的模 式。结合上述各种因素，本系统选择了3 2 位删9 系列处理器，主要是因为： 采用r i s c 架构的a r m 处理器小体积、低功耗、低成本、高性能的特点，其大 约占据了3 2 位r i s c 处理器7 5 以上的市场份额，应用遍及工业控制、消费类 电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，a r m 9 2 0 t 是对价 格和耗电敏感应用的最佳选择。基于上述考虑，本系统采用了三星$ 3 c 2 4 4 0 作 为上位机处理器，$ 3 c 2 4 4 0 除了具有一个功能强劲的核心外，还集成了丰富的外 设控制器，外部存储控制器【2 】，支持2 5 6 k 色t f t l c d 控制器8 通道，1 0 位精度 的a d c ( 模数转换器) 和触摸屏接口，日历时钟芯片，电源管理芯片，支持n o r m a l 、 s l o w 、i d l e 、s l e e p 四种模式，1 3 0 个通用功能的i o 接口和2 4 通道的外部中断 资源。$ 3 c 2 4 4 0 如此功能丰富的外设接口，不仅能满足车载多媒体信息平台的设 计要求，而且也大大缩小了系统的体积和节约了产品开发成本。 2 2 2 电源及复位电路设计 系统要求三种电压供电：$ 3 c 2 4 4 0 需要3 3 v 和1 3 v 两路电源；外部接口芯片 和设备需要5 v 电源，如g p s 模块。考虑到所设计导航系统为车载设备，选用 1 2 v 电压的a c c 作为设备的供电端。在电路设计上，采用了一款低功耗正向电 压调节器l m l l l 7 ，通过各种输出电压等级的l m l l l 7 满足系统多种所需电压。 为了确保l m l l1 7 的稳定性，输出端接入一个1 0 u f 电容可以滤除高频干扰1 4 1 。原 理图如图2 2 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 i n w l l 一l i o e 4 p d t 图2 2 上位机电源电路 在本系统中，复位电路需要完成系统的上电复位和按键复位。电路设计中采 用专用微处理电源监控芯片m a x 8 1 1 ，相比常用的r c 复位电提高了系统的可靠 性。2 3 为系统复位电路图： 图2 3 系统复位电路 在晶振电路中，要为$ 3 c 2 4 4 0 提供两个独立的时钟源：x t o x t i p l l 引脚 连接1 2 m h z 晶振，通过片内p l l 电路倍频后为系统提供各种时钟信号， x t o x t i r t c 连接3 2 7 6 8 m h z 晶振专为c p u 的实时时钟模块所用。晶振连接 如图2 - 4 所示。 2 2 3 存储电路 图2 - 4 晶振电路镭珏躅 该系统中用到的存储器有f l a s h 存储器和s d r a m 存储器。f l a s h 存储器是 一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。作为种非 易失性存储器，f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统 6 武汉理工大学硕士学位论文 掉电后需要保存的用户数据等。f l a s h 器件又分为两种，一种是n o rf l a s h ，另一 种是n a n df l a s h 。引导程序既可以存储在n o rf l a s h 中，也可以存储在n a n df l a s h 中。而s d r a m 中存储的是执行中的程序和产生的数据。存储在n o rf l a s h 中的 程序可以直接执行，与在s d r a m 执行相比速度较慢。存储在n a n df l a s h 中的 程序，需要拷贝到r a m 中去执行【5 j 。 一 本系统出于成本考虑没有采用n o r f l a s h 启动，采用的是通过2 4 4 0 n a n d f l a s h 前面4 k 空间启动引导程序。把n a n d f l a s h 程序代码复制到 s r a m 中执行。该系统中采用的n a n d f l a s h 是三星公司的k 9 f 1 2 0 8 u o m ，工 作电压为2 7 v - 3 。6 v 。仅需要3 3 v 电压即可完成在系统的编程与擦除操作。 k 9 f 1 2 0 8 u o m 的i o 口既可接收和发送数据，也可接收地址信息和控制命令。 在c l e 有效时，锁存在i o 口上的是控制命令字，在a l e 有效时，锁存在i o 口上的是地址；两者均无效时，i o 口传输数据。这种多功能复用的方式可以减少 总线数目，只是控制方式略微有些复杂，$ 3 c 2 4 4 0 处理器拥有n a n d f l a s h 控制器 可以弥补这一弊端。如图2 - 5 所示，k 9 f 1 2 0 8 u o m 的a l e 和c l e 分别接$ 3 c 2 4 4 0 的a l e 和c l e 端，8 位的i 0 7 i 0 0 与$ 3 c 2 4 4 0 的低8 位数据总线d a t a 7 一 d a t a 0 相连，w e 、r e 和妃e 分别与$ 3 c 2 4 4 0 的n f w e 、n f r e 既和n f c e 相连， r b 与r n b 相连。为增加稳定性，r n b 端口也接上拉电阻。 图2 5n a n d f l a s h 电路 s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度快，且具有读写的属性， 因此在系统中主要用作程序的运行空间、数据及堆栈区。为保证导航系统的流畅 运行及将来的系统升级，选用两片3 2 m 的s d r a m 存储器h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 并联构 成3 2 位数据宽度、容量6 4 m 的s d r a m 存储系统。使用了$ 3 c 2 4 4 0 的g c s 6 片选信号。2 片s d r a m 组成的3 2 位宽度的存储器，即每进行一次读操作可取 得四字节数据，对于$ 3 c 2 4 4 0 来说对应于字对齐，操作地址最小变化值为 0 x 0 0 0 0 0 0 0 4 。因此将$ 3 c 2 4 4 0 a 的a d d r 2 引脚与h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的a 0 脚连接 忽略$ 3 c 2 4 4 0 的a d d r 0 ，a d d r l 引脚，其他地址依次递增连接即可。为了能 够正确访问h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 高低位字节数据所以将2 4 4 0 的n w b e x 信号与 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的u d q m l d q m 相连。 7 武汉理工大学硕士学位论文 s d r a m 的b a o ，b a l 引脚是内部的地址选择纠6 1 ，也就是代表了s d r a m 内存地址的最高位。如果d r a m 内存共有6 4 m b ，那就需要2 6 根地址线来进行 寻址，所以b a o b a l 应连接到a d d 2 4 ，a d d 2 5 引脚。另外由于s d r a m 内存 的行地址和列地址是复用的，所以地址线数目并不需要2 6 根那么多。其他引脚 按照引脚功能一一对应连接即可。图2 - 6 给出了系统的s d r a m 存储器电路。 20 0 d 0s ：；u vo s 一 2s ：弘，一；试s 一、 2s ：a 、广二sq 2s 5 q a 一： 0 图2 - 6s d r a m 电路 2 2 4 导航数据采集接口设计 为简化整个系统的设计，g p s 接收设备采用丽台l r 9 5 4 8 s 天线一体化接收 机。这款接收机的几个重要参数如下，重捕：小于0 1 秒，自动搜索：小于3 0 s ， 定位精度：1 0 米，接口性能为串口。1 【l 电平通讯接口r 7 1 。丽台科技 ( l e a d t e k ) g p s 9 5 4 8 是一款专为o e m 应用设计，具有高灵敏度、低功耗、2 0 通道 等特性的g p s 接收模块。在本系统设计中，因为丽台9 5 4 8 g p s 模块的接口特性， 从而简化了与微处理器$ 3 c 2 4 4 0 的连接。两者的连接是用过两个通用异步串行 收发器的连接过程，保证t x d 和r x d 的交叉连接，同时系统给g p s 模块提供 电源及复位控制线。图2 7 为g p s 模块硬件电路图： 图2 7g p s 模块电路图 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 下位机的硬件总体设计 由于下位机所涉及的通讯方式很多，根据不同的车型通讯的方式也不一样， 例如方向盘的控制，有的是c a n 总线。有的l i n 总线，而有的是a d 按键控制， 而收音机、数字电视、音视频转换用的是i i c 通讯、另外车载d v d 、c d c 等用 的都是各厂家自己定义的通讯协议，因此一般的单片机不能满足要求1 3 】，需要外 扩许多控制芯片，这样硬件的设计相对复杂。本系统采用的是意法半导体的 s t m 8 f 5 l a a ，该m c u 集成c a n 控制器、l i n 控制器、i i c 接口、s p i 接口、 u a r t 接口，以及丰富的定时资源、i o 资源。下面是该控制器的内部结构图： 2 3 1 电源模块设计 图2 - 8s t m 8 f 5 1 a a 内部结构图 因为所接外设较多，电源要为m c u 、收音机、d v d 等供电，电源的设计相 对复杂。下图为下位机m c u 供电电路，下位机电源来源于汽车蓄电池【9 1 ，另外 加入了a c c 检测电路，a c c 为汽车辅助电源的简称，当系统检测到a c c 时， 才打开各个模块的电源。 9 曰一一一一一一一 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 9 系统电源模块设计 2 3 2 音视频切换与功放电路设计 在本系统中使用的t d a 7 4 1 9 是s t 意法半导体的车载音频处理芯片，它的 主要作用是前端放大和音频通道的选择，内部由选择开关芯片和立体声处理芯片 组成。声音源分为几组，首先上位机的a 、，、g p s 声音等为一路，d v d ，c d c 的左右声道经过m 5 2 7 9 5 出来的c o m a u d i o 为一路，收音机为一路。本系统只 用到了三组。具体选择哪一路进行导通是由电子开关。通过电子开关选择的信号 到达立体声处理芯片t d a 7 4 1 9 。t d a 7 4 1 9 有3 路可选增益立体声输入，在产品 的设计当中连的是d v d 声音通道、收音声音通道通过选择通道的选择输出， t d a 7 4 1 9 芯片可以将其中的一路声通道进行音量、音调、低音、高音、平衡度( 左、 右) 、响度( 前、后) 控制。在设计当中，t d a 7 4 1 9 要选择对这四个指标的哪个指 标进行调节，传输的途径是通过i i c 总线和微处理器的接口，而决定对哪一个指 标进行调节是由芯片指令寄存器来决定的。当a 4 a 3 a 2 a 1 a 0 = 0 0 0 0 0 时，是属于 音源通道控制操作；当a 4 a 3 a 2 a 1 a 0 = 0 0 0 0 1 时，是属于音量控制。其他的具体配 置参考图2 1 0 m 8 b l8b f u n c i r a o n 2 m o_ ， 2 0 ooo口oa s o u 吧s o m c t o o oooo 1 m nl o l 用n ooo1o s o tl u t c 1 0 c kg “o ooo 1 v o i t a m 4 1 1 oooo t r o ooo 月_ ooo b a s s oo1 s o o n as o u f s c l 簟 oooos o ， l l d c 旧- b l - o1oo n gg ne ”a ooo s o _ fa n n l o tm 4 1 一lf r o n l 图2 1 0 偏移寄存器 l o 武汉理工大学硕士学位论文 t d a 7 4 1 9 功能结构：它主要由信号源及工作方式选择开关，伪立体声处理 移相电路，立体声、伪主体声、扩展主体声、单声道选择开关，音量、平衡调节 电路，高、低音调节电路，1 2 c 总线接口以及带复位的电源电路等组成。这里主 要介绍它的音调控制。 所谓音调控制就是人为地改变信号里高、低频成分的比重 i o 】，以满足听者的 爱好、渲染某种气氛、达到某种效果、或补偿扬声器系统及放音场所的音响不足。 这个控制过程其实并没有改变节目里各种声音的音调( 频率) ，所谓“音调控制”只 是个习惯叫法，实际上是“高、低音控制”或“音色调节”。高保真扩音机大都装有 音调控制器。然而，从保证信号传送质量来考虑，音调控制倒不是必须的。一个 良好的音调控制电路，要有足够的高、低音调节范围，但又同时要求高、低音从 最强到最弱的整个调节过程里，中音信号( 通常指1 0 0 0 赫) 不发生明显的幅度变 化，以保证音量大致不变。所谓提升或衰减高、低音，都是相对于中音而言的。 先把中音作一个固定衰减( 或加深负反馈) 然后让高音或低音衰减小一些( 或负反 馈轻一些) ，就算是得到提升。因此，为了弥补音调控制电路的增益损失，常需 增加一到两级放大电路。音调控制电路大致可分为两大类：衰减式和负反馈式。 衰减式音调控制电路的调节范围可以做得较宽，但因中音电平要作很大衷减，并 且在调节过程中整个电路的阻抗也在变。所以噪声和失真大一些。响度补偿控制： 用于弥补人耳在音量小时对声音的低频域及高频域的听觉灵敏度下降的缺陷而 自动改变放大器频响的一种电路。常用方法是将特定的阻容网络接入音量电位器 的抽头中，共同构成响度控制，调节音量时使高、低音的提升量自动变化。当音 量电位器关小且开关接通时，电位器的上半部分与电容构成并联高音提升网络， 而电位器下半部分电阻与电容并联构成中高频衰减网络，也就是低音提升网络。 这样就起到了等响度补偿作用。当开关接到断开位置时，响度补偿则取消。平衡 控制电路是通过校正左右声道的增益差来调节左右声道的音量差别，达到校正声 像偏移的目的，仅使用一个线性电位器。当滑动臂位于中心位置时，两声道输出 幅度相等( 设定两输入幅度相等) ，每个声道的插入损耗均为3 d b 。当滑动臂滑向 任一顶端时，一个声道的强度增加3 d b 左右，而另一个声道的强度则变得很小， 甚至变为零，这样就实现了左右平衡控制。而t d a 7 4 1 9 的外围电路都集成在里 面，只需要通过软件控制。 武汉理1 ：大学硕| ：学位论文 。- - o ：l 一i 等一r 叫扣 l 。 一 l 一 一+ _ 1 裟 广- 叫i 妒 l 一- r ，雌盐- 一心叫高知 ， r -“_ | ! i 且v ”一一卜一_ rp m ，l o l j lo- - 1 ? 量再 一 d _ “ l 唧- r 啪 j 。膏- 屯_ 。l 一，陋釉 l _ - 0 p t ；生枯 二_ 啡l 叫唰卜- 盥- 一 罩啡一 函l 一t t 图2 1 l 音频选择电路 图2 1 2 视频选择电路 图2 1 3 功放电路 车载功放是车技多媒体系统中不可缺少的一个功能模块【1 2 1 。其作用是将音频 输入的信号进行选择与处理，进行功率放大使电信号具有推动音箱的能力。车 载音频系统对于功放多通道，高效率，低失真，智能化的要求，使功放模块设计 人员在设计助放的时候要面临如下的技术挑战：如何在有限的散热空问内。实现 大功率，多通道输出；如何监控功放芯片本身的工作状态，保证功放芯片在过温， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 过压，过流情况下不受损害；选择怎样的滤波电路，使功放模块不干扰其他模块 工作，尤其是不对收音模块产生干扰【3 7 1 。 功放按工作原理分为a 类、b 类、a b 类、d 类，下面先简要分析这几类功 放在车载音频系统应用中的优缺点。a 类是一种完全的线性放大器。在a 类功 率放大器工作时，晶体管的正负通道不论有或没有信号都处于常开状态，这就意 味着更多的功率消耗为热量。a 类功率放大器的效率非常低，通常只有2 0 3 0 ， 因此在汽车音响的应用中比较少见，像意大利的s i n f o n i 高级系列才有这类功率 放大器。但是a 类功放也有显著优势，例如失真最小( 无交越失真和开关失真) 、 保真度高。 b 类也被称为线性放大器，但是它的工作原理与a 类功放完全不同。b 类功 放在工作时，晶体管的正负通道通常是处于关闭状态，除非有信号输入。而且两 个通道不会同时工作，因此在没有信号的部分，完全没有功率损失。但是在正负 通道开启关闭的时候，常常会产生交越失真，特别是在低电平的情况下，所以b 类功放不是真正意义上的高保真功率放大器。但是由于b 类功放效率比较高， 因而在早期许多汽车音响系统还是采用这类产品。 a b 类是兼具a 类与b 类功放优势的一种设计。当没有信号或信号非常小时， 晶体管的正负通道都常开，这时功率有所损耗，但没有a 类严重。当信号是正 相时，负相通道在信号变强前还是常开的，但信号转强则负通道关闭。当信号是 负相时，正负通道的工作刚好相反。a b 类功放的主要缺陷在于会产生交越失真， 但是在效率比以及保真度方面，还是优于a 类和b 类功放，因而a b 类功放成 为目前汽车音响中应用最为广泛的设计方案。 d 类放大器与上述a ，b 或a b 类放大器不同，其工作原理基于开关晶体管， 可在极短的时间内完全导通或完全截止。两只晶体管不会在同一时刻导通，因此 产生的热量很少。这种类型的放大器效率极高( 9 0 左右) ，在理想情况下可达 1 0 0 ，而相比之下a b 类放大器仅能达到7 8 5 。不过另一方面，开关工作模式 也增加了输出信号的失真，同时d 类放大器的价格比a b 类高很多。本系统综合 放大效率与成本的基础上，采用a b 类放大器。 该系统采用的是s t 公司的t d a 7 3 8 6 ，它属于a b 类放大器，具有四声道音 频功功能。t d a 7 3 8 6 内置车用环绕立体声功率放大电路，广泛应用于汽车音响 电路中。 2 3 3 下位机人机接口电路 本系统面板上的按键是人机接口之一，它接在下位机两路a d 接1 2 1 上，原理 是根据每个按键_ i z n 的电阻不同引起进入a d 口的电压不同从而确定是哪个按 键按下，下图为a d 按键电路。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 4a d 按键电路 下位机的控制中除了可以用面板上的按键作为人机接口，另外汽车方向盘通 过c a n 通信协议可以控制本系统】。而且原车的液晶显示屏与本车的连接，a c c 的检测也是通过c a n 总线来实现的，s t m 8 自带c a n 控制器，因此硬件电路的 连接相对简单。下图就是系统c a n 接口电路图。 图2 1 5c a n 接口电路 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章车载信息平台下位机程序设计 3 1 软件的功能 本文系统实现对r a d i o 、g p s 、d v d 、c d c 、t v 音视频的集成控制【1 4 】。c p u 检测系统入机接口，入机接口包括触摸屏按钮，系统面板按钮，红外遥控器，汽车 方向盘。实时检测r a d i o 、g p s 、d v d 、t v 、c d c 状态，在t f t 液晶屏上显示。 开始 喜 检测a c c 上 打开系统电源 上 显示l o g o 上 读取e e p r o m 状态l c d 显示，音频处理 图3 1 主程序流程图 为了保证系统的正常运行，系统软件应该具有以下一些控制功能： l 实现r a d i o 、d v d 、c d c 、t v 和g p s 五种控制功能。 2 实现r a d i o 、d v d 、t v 、c d c 和g p s 五种外设的选择，以及各状态的快 速切换。 3 实现系统空闲时的休眠控制以及视频与图片的快速显示。 武汉理工大学硕士学位论文 4 实现本系统与汽车之间的信息交互，包括有汽车方向盘对本系统的控制以及 本系统实时的运行状态传送至原车液晶进行显示。 核心是各种通信协议的实现。协议的目的是给收发双方一个约定，使通信双 方能够进行同步，并正确的收发数据。 在软件的扩展设计中，应包括以下功能：f l a s h 芯片在线升级操作。为了便 于编程、维护以及后期的软件升级，整个控制系统软件采用结构化和模块化设计 方法。模块化软件编写主要用子程序调用的方式实现。应用程序在s t 公司提供 的c o s m i c 开发环境下使用c 语言与汇编语言混合编程进行开发。 整个系统的程序共分为四个模块。即初始化模块、显示模块、键盘模块、通 信模块。每个模块都具有一定的功能，其中一些模块还包含一些子模块，即相互 独立又相互联系。 3 2 初始化程序设计 初始化模块首先需要对系统进行初始化。系统初始化的目的是为系统的正常 运行建立运行环境，包括硬件环境和软件环境。硬件环境包括设置c p u 的寄存f 包 括中断的屏蔽，开放的时机) 、存储器控制器的设置、看门狗的设置、r a m 和 r o m 控制器的设置、初始化硬件设备等。软件环境包括：分配堆栈、指定堆栈指 针、应用程序的初始化。车载音响控制器可以在一段时间内( 约2 0 分种) 记忆关 机前状态，超过这段时间后系统恢复到主界面，但是各个状态下的参数都由 e e p r o m 保存，所以再开机后任意状态下的参数还和关机前一样。 3 3 键盘模块 在嵌入式系统中，键盘是常用的一种人机接口。一般来说，键盘的扩展分为 2 种，独立式和矩阵式。前者适用于按键数量少( 一般小于4 个) 或规模小的系 统，后者适合在按键数量较多的系统，但一般需要扩展接口芯片。因为单片机的 i o 口有限，我们总是希望扩展键盘时占用尽量少的i o 口。其实，a d 转换器 也可以用来扩展键盘i l 引，而且不多占用i o 口，按键的数量可多达几十个。使用 a d 转换器的键盘电路主要由一个电阻分压队列和一系列按键组成，本系统的键 盘程序安排s t m 8 f 5 i a a 的a d l 口和a d 2 口，键盘程序采用a d 转换的方式， 响应用户按键，发出控制信号并相应调整系统状态。硬件电路图在上一章已经有 详细说明，图中电阻阻值相同，不同的按键按下时，a d 输入端口有不同的电压 值输出给a d 转换器转换成不同的数字量，系统据此进行按键识别。机械按键 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 按下和弹起的瞬间，由于触点的弹性会产生一连串的抖动，一般的抖动时间是5 1 0m s ，普通按键动作的稳定时间是零点几秒。为了取得正确的键值，必须设法 消除抖动的影响。对按键的去抖动，可以使用软件延时，多次采样的办法。当 c p u 检测到a d 转换值发生变化时，认为有按键动作，首先进行1 0m s 延时， 然后再读取键值，为了可靠，一般要读取多次，进行比较( 本例中是读取2 次) 。 多次读取的键值，不可能是完全相同的，在误差允许范围内，就认为是相同的， 为此，将键值的低2 位忽略。当检测到按键释放后，也要执行一个延时程序，避 开按键的后沿抖动，延时子程序直接插入读键过程中。下面为各按键a d 值得定 义： c o n s ta d c k e yg _ a d c _ k e yl 】= v k n o n e ，0 x f 0 ，0 x f f ，v k n o n e ， a d c，one 1，range(vk p o w e r0 x d cv kn a d cr a n g e ( v kp r e v ，0 x 6 8 ，v kn o n e1 ， a d c， )，range(vk n e x t0 x 8 0v kn o n e a d c，)，_range(vkh o m e0 x 9 9v kn o n e a d c ，i ，r a n g e ( v k p l a yp a u s e0 x 3 bv kn o n e a d c _ r a n g e ( v k _ m u t e ，0 x 18 ， v k n o n e ) ， ) ； # d e f i n e a d c k e y l 一c o u n t s i z e o f ( g _ a d c _ k e y l ) s i z e o f ( g _ a d c _ k e y l 【0 】) e o n s ta d c _ k e y g _ a d ck e y 2 】= v k n o n e ，0 x f 0 ，0 x f f ，v k n o n e ， a d c ，1，_range(vk o s d 0 x c 4v kn o n e a d c厄， ，1，_range(vk ec t0 x 8 0v kn o n e a d ci o ，0 x l ， 1，range(vk r a d8v kn o n e a d cr a n g e ( v kdvd，0 x3c，v kn o n e ) ， a d c _ r a n g e ( v k n a v i ，0 x 6 8 ，v k n o n e ) ， ； 3 4 显示模块 显示模块根据系统状态信息，从扩展r o m 中调用相应的图像在l c d 屏上 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 显示。在t v d v d 以及其他视频状态下，主要是根据读取的的解码数据做出显 示。g p s 状态下，直接根据按键转换做出显示。t 显示的图像采用b 1 6 格式， 通过纹理方式显示。在纹理方式下，t f t 内包含有图像显示控制字寄存器，包括 了图像显示的位置、显示的格式( 如放大、缩小) 以及调用图像缓冲区的位置等。 在程序中，只需将显示方式写入图像显示控制字寄存器，执行此寄存器的内容即 可在液晶显示屏上显示图形。 3 5 收音机功能的实现 收音机是车载产品使用最多的功能。它的搜台灵敏度和信号强度是产品性能 的关键指标。它是通过i i c 协议对它进行控制的。本小节主要介绍收音机的软件 如何实现。 t y p e d e f s t r u c t w o r df r e q _ m i n ； w o r df r e q _ m a x ； w o r df r e q _ s t e p ； t 认i i q s t d ； r a d i o s t dc o d eg _ f m _ s t d m a x _ r a d i q s t