（电路与系统专业论文）无线车载多媒体处理系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着中国经济的迅速发展和人民生活水平的显著提高，中国汽车产业己经进 入大众消费阶段。汽车产业的蓬勃发展直接带动了汽车电子产业的增长。汽车电 子产品已成为支撑汽车产业发展的新增长点，越来越受到业界的关注。集多种功 能、使用方便、高质量的终端产品将成为未来车载信息娱乐系统的发展趋势。 本文旨在设计并实现一种功能丰富、易于扩展的无线车载多媒体处理系统。 首先根据无线车载多媒体处理系统的研究现状及发展趋势，制定了基于嵌入式 l i n u x ，以3 2 位m i p s 处理器a u l 2 0 0 为核心的系统设计方案，该系统具有多媒体 处理模块、存储模块、网络模块以及人机交互等模块，配备c m o s 摄像头、u s b 无线网卡，i d e 硬盘、音箱及v g a 显示器等外设，具有海量存储、音视频播放、 视频录像、w i - f i 数据传输等功能，并提供友好的图形用户界面进行操作控制。 在此基础上进行了系统的硬件、驱动及应用层设计。在硬件方面，根据 a u l 2 0 0 的性能及接口特点划分主板功能模块，并提供音频接口、u s b 口、s d 卡 接口、v g a 接口等多种通用接口，以利于系统的扩展升级：在驱动设计方面，主 要是按键驱动的实现及无线网卡驱动的移植；至于应用层，则是分成无线网络、 多媒体播放、监控录像及人机交互四大功能模块进行设计：无线网络模块主要是 利用无线网卡实现点对多点的无线局域网数据传输：多媒体播放模块利用 a u l 2 0 0 的硬件媒体加速引擎和m a i 套件设计播放器，可支持多种音视频格式， 播放图像清晰流畅，音质良好：监控录像模块利用c m o s 摄像头进行视频采集， 再通过f f m p e g 软件进行压缩编码，存储到i d e 硬盘，存储容量可达1 2 0 g ；人机 交互模块采用q t e 设计图形用户界面，配合按键使用，操作方便，亲和力强。 经实际测试表明，所设计的无线车载多媒体处理系统具有功能多样化、技术 一体化、系统集成化和通讯网络化等一系列特点，是具有自主知识产权，可扩展 性强的一体化平台，针对不同的用户需求，可进行功能重组，对厂商和终端用户 而言，将更加灵活方便，在铁路、地铁、客车等交通系统中具有良好的应用前景。 关键词：车载电子；嵌入式系统；无线多媒体 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m i ca n dt h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e ss t a n d a r d s ，t h ea u t o m o b i l eh a sb e e np o p u l a ra m o n gc h i n e s ep e o p l e t h u si t d i r e c t l yl e a d st ot h eg r o w t ho fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c si n d u s t r ya n da t t r a c t sm o r ea n d m o r ea t t e n t i o no ft h ei n d u s t r y t h et e r - m i n a lw h i c hi n t e g r a t e sm u l t i p l ef u n c t i o n sa n d i se a s y - t o u s ea n dh i g h q u a l i t yw i l lb e c o m et h ed e v e l o p m e n tt r e n do fa u t o m o t i v e t e l e m a t i c sa n de n t e r t a i n m e n ts y s t e m si nt h ef u t u r e i nt h i sp a p e r , av e h i c l ew i r e l e s sm u l t i m e d i as y s t e mw h i c hi sf e a t u r e - r i c ha n d e a s yt oe x p a n di sd e s i g n e da n dr e a l i z e d a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h s t a t u sa n d d e v e l o p m e n tt r e n do fv e h i c l ew i r e l e s sm u l t i m e d i as y s t e m ，as c h e m ew h i c hu s e s3 2 - b i t m i p sp r o c e s s o ra u12 0 0a st h ec o r eo ft h eh a r d w a r ei sd e s i g n e d ，b a s e do ne m b e d d e d l i n u x t h es y s t e mi sc o m p o s e do fm u l t i m e d i ap r o c e s s i n gm o d u l e ，m e m o r ym o d u l e ， n e t w o r km o d u l ea n dh c im o d u l ea n de q u i p p e dw i t hac m o sc a m e r a , au s b w i r e l e s sl a na d a p t e r ，a ni d eh a r dd i s k ，av g am o n i t o ra n ds p e a k e r s i th a sm u l t i p l e f u n c t i o n ss u c ha sm a s ss t o r a g e a u d i oa n dv i d e op l a y b a c k , v i d e os u r v e i l l a n c ea n d w i r e l e s st r a n s m i s s i o n a l s oi t p r o v i d e sag r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ef o ro p e r a t i o n a l c o n t r 0 1 o nt h i sb a s i s ，t h eh a r d w a r e ，r e l a t i v ed r i v e ra n da p p l i c a t i o nl a y e ra r ed e s i g n e d s u b s e q u e n t l y i nt e r m so fh a r d w a r e ，t h ec i r c u i ti sp a r t i t i o n e di n t om o d u l e sa c c o r d i n g t ot h ep e r f o r m a n c ea n di n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so fa ul2 0 0 a l s oaw i d er a n g eo f c o m m o ni n t e r f a c e sa r ep r o v i d e dt os u p p o r tt h ee x p a n s i o na n du p g r a d eo ft h es y s t e m ， s u c ha sa u d i oi n t e r f a c e ，u s bp o r t ，s dc a r di n t e r f a c ea n dv g ai n t e r f a c e ；i nt e r m so f d r i v e r , t h em a i nw o r ki st h er e a l i z a t i o no fk e yd r i v e ra n dp o r t i n go fw i r e l e s sl a n a d a p t e rd r i v e r ；w i t hr e g a r d st oa p p l i c a t i o nl a y e r ，i ti sd i v i d e di n t of o u rm o d u l e s ， w i r e l e s sn e t w o r k ，m u l t i m e d i ap l a y b a c k , v i d e os u r v e i l l a n c ea n dh c i w i r e l e s s n e t w o r km o d u l eu s e sw i r e l e s sl a na d a p t e rt or e a l i z ep o i n t t o - m u l t i p o i n tw i r e l e s s t r a n s m i s s i o n t h em e d i ap l a y e ri sd e s i g n e db a s e do nt h ea u12 0 0m a ea n dm a i 无线车载多媒体处理系统的设计与实现 p a c k a g e i ts u p p o r t sm u l t i p l ea u d i oa n dv i d e of o r m a t sw i t hc l e a ra n ds m o o t hi m a g e p l a y b a c ka n dg o o ds o u n dq u a l i t y ；t h ev i d e os u r v e i l l a n c em o d u l eu s e sc m o sc a m e r a f o rv i d e oc a p t u r ea n df f m p e gs o f t w a r ef o rc o m p r e s s i o na n dc o d i n g ，a n ds t o r e st h e d a t ai n t oh a r dd i s k t h es t o r a g ec a p a c i t yi su pt o12 0 g t h eh c im o d u l e sg u ii s d e s i g n e dw i t hq t ea n da c t si nc o n c e r tw i t hk e y s t h u st h eh c ii sk i n da n de a s yt o o p c r a t e t h ea c t u a lt e s t ss h o wt h a tt h ep r o g r a md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fv e h i c l e w i r e l e s sm u l t i m e d i as y s t e mh a sas e r i e so fa d v a n t a g e s ，s u c ha s m u l t i f u n c t i o n a l ， h i g h - t e c h - c o m b i n e d ，s y s t e m i n t e g r a t e da n dn e t w o r k - b a s e d i ti sa ni n t e g r a t e d p l a t f o r mw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sa n ds t r o n gs c a l a b i l i t ya n d c o u l db ef u n c t i o n a lr e o r g a n i z e df o rd i f f e r e n tu s e r sa n dm a n u f a c t u r e r s t h ef l e x i b i l i t y a n dc o n v e n i e n c em a k ei tag o o da p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt r a n s p o r ts y s t e m ss u c ha s r a i l w a y s ，u n d e r g r o u n dr a i l w a y sa n dp a s s e n g e rc a r s k e y w o r d s ：v e h i c l ee l e c t r o n i c s ：e m b e d d e ds y s t e m ：w i r e l e s sm u l t i m e d i a 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：箨箍蛹 炒年 月曰e t 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( j ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：糊 加年 月卵日 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章诸论 近几年，快速发展的汽车产业为汽车电子产品提供了广阔的应用市场，中国 汽车电子市场随着中国汽车产业一起进入快速发展时期。预计在未来几年内，中 国汽车电子产品市场将在汽车产业发展的保障下稳步发展，各类汽车电子产品在 汽车中的普及率将持续提高。 目前市场上的汽车电子产品大致可分为整车电子控制系统、车身电子控制系 统及车载信息娱乐系统三大类。在这三类产品中，车载信息娱乐系统最具发展潜 力。这是由于消费者的安全意识和生活品质需求不断提高，使得车载信息娱乐系 统在整车价值中所占的比例越来越大。根据f r o s t s u l l i v a n 的研究，在未来的 几年内，中国车载信息娱乐系统市场将会持续高速发展。估计至w j 2 0 1 3 年前后，中 国的车载信息娱乐系统市场将会达到4 0 亿美元的规模【l 】。 所谓车载信息娱乐系统，是指运用计算机、卫星定位、通讯、控制、多媒体 等技术来提供安全、环保、娱乐及舒适性功能和服务的汽车电子设备，可分为汽 车信息通讯及显示系统和车载视听( 多媒体) 娱乐系统两大类。前者主要包括车载 通讯系统、电子导航系统、智能交通系统和车载网络系统；而汽车音响系统( 车 载m p 3 c d 收音机) 、车载电视娱乐系统( 车载d v d ) 等则被纳入了后者的范畴。 随着无线宽带网络的发展、数字移动电视的建设、多媒体技术的应用，视频 播放、l c d 显示、信息通信以及免提电话，无线互联网和存储技术等各种技术逐 渐向汽车领域渗透，这种在过去泾渭分明的区隔正在开始出现模糊化的趋势，一 股平台化集成化的浪潮扑面而来，车载信息娱乐系统正在演变为一个融合各种新 兴技术的大平台。集影音娱乐、安全监控、网络通讯等多项功能于一体的车载终 端产品，将成为车载信息娱乐系统发展的必然趋势。 1 2 国内外发展现状 在车载信息娱乐系统的应用领域，日本和欧美起步较早。在日本，电子地图 无线车载多媒体处理系统的设计与实现 导航系统已经变成标准配置，他们已经深入到了怎样改善人机界面的形式，例如， 使用具有3 d 效果的地图和其他信息服务；在欧洲，越来越多的导航仪和蓝牙无线 电话生产厂商加入到这个产业链，这个市场很有可能会被便携式导航仪和便携式 多媒体生产商占领；北美是首先采用车载信息服务和开发卫星广播和视频系统的 地区，其产品主要包括基于电子地图的导航系统和远程信息娱乐系统。如美国福 特汽车公司与微软公司在2 0 0 7 年联手打造名为“s y n c 的车载无线传输系统，它 不仅支持手机的免提通话功能，还支持收发电子邮件和音乐下载等车载无线数据 传输功能，成为福特汽车的一大卖点。 我国虽然是车载信息娱乐系统应用的大国，但并不是车载信息娱乐系统生产 的强国，涉及车载信息娱乐领域电子产品生产的企业也不多。在数字媒体和汽车 电子集成技术方面，从系统的技术水平与产品的质量和成熟程度来说，我国还处 在发展时期，还没有比较成熟且完善的设备供应商、服务供应商和运营商，规模 化大生产还没有形成。 随着我国加入w t o ，外国公司凭借着先进的车载移动多媒体应用经验而涌入 中国，必然对我国的小作坊式的车载电子产品生产企业产生冲击。因此，车载信 息娱乐系统的研制和产业化的实施，对发展我国车载移动多媒体应用信息产业， 带动相关产业的共同发展，打破国外对我国信息技术及产品市场的垄断，推动国 内高技术产品参与国际市场竞争都具有十分重要的意义。 1 3 本文主要研究内容 本课题来源于厦门科技计划项目“无线车载媒体处理系统的研制”，旨 在研究并实现一款性价比高、可扩展性强、集成度高、具有自主知识产权的无线 车载信息娱乐系统。该系统具有多媒体播放、视频监控录像、无线传输和海量存 储等多项功能，并具有平台化的特点，能够方便地对系统进行功能的扩充或精简。 课题的具体研究工作如下： 前期准备： 阅读课题相关资料，调研嵌入式平台上实现无线车载多媒体处理系统的各种 方案，确定课题技术路线及软硬件平台，并针对嵌入式l i n u x 系统开发和应用的 相关技术进行研究。 2 第1 章绪论 嵌入式开发平台的搭建 在硬件方面，对各个电路单元和接口进行调试，确保各模块正常工作；在软 件方面，主要是一些开发软件包的选择及安装，包括p c 机操作系统、目标板引 导加载程序、操作系统以及链接器、编译器、调试器在内的软件开发工具。 驱动程序的开发 主要是u s b 无线网卡驱动的移植及按键驱动程序的实现。 应用程序的开发 分成无线传输、多媒体播放、监控录像及人机交互四大功能模块进行编写， 并选择合适的通信机制将它们整合为一体。 系统联调 模拟车站无线局域网场景，进行软硬件联调，对系统实际运行情况进行测试。 其中，本人主要负责硬件平台调试，无线网络传输，按键交互功能实现，并 参与了整个系统的联调工作。 1 4 论文章节安排 本文主要围绕无线车载多媒体处理系统的软硬件设计展开全面的讨论和研 究。全文主要包括以下内容。 第1 章，是本文的绪论部分，简要介绍了课题背景及研究任务，最后给出论 文的组织结构安排。 第2 章，在介绍了整个系统的总体框架及功能设计后，对开发无线车载多媒 体处理系统所采用的关键技术进行了概述。 第3 章，给出了系统的硬件平台设计方案，包括a u l 2 0 0 主体电路设计和外 围接口电路设计，并对主要功能模块的器件选型及设计原理进行了详细的介绍。 第4 章，从b o o t l o a d e r 、操作系统、文件系统、软件开发工具四个方面描 述了系统的开发环境。 第5 章，重点讨论了无线车载多媒体处理系统的应用软件设计，包括软件整 体框架设计及各功能模块的研发，并对实现的技术细节进行了阐述。 第6 章，对整个系统的设计与实现进行了总结，并分析系统设计中的不足以 及今后需要完善的后续工作。 无线车载多媒体处理系统的设计与实现 第2 章无线车载多媒体处理系统设计原理 2 1 系统总体设计 2 1 1 系统功能及框架 未来车载信息娱乐系统的发展趋势，将是能够提供方便的网络连接，具有强 大的多媒体处理能力以及丰富的附加功能和外围接口。为此，本课题研究并实现 了一种基于w i f i 网络的无线车载多媒体处理系统。该系统的主要功能有：支持 m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g 4 、m p 3 、w a v 等多种格式的音视频文件播放；配备 大容量的存储设备，具有s d 卡及i d e 硬盘接口；支持一路视频监控，并可将录 像文件保存到硬盘。支持w i f i 无线接入，可基于邱协议从车站服务器下载多 媒体资源并将视频录像文件上传到服务器；具有友好的视窗界面及人机交互控 制；提供串口、并口、u s b 口等常用外围接口。 根据这一设计目标和要求，系统既要完成计算复杂度高的视频和音频解码工 作，还要管理较多的硬件资源。因此，整个系统需要一个高性能的嵌入式处理器， 还需一个操作系统来进行资源调度，以及必要的上层应用软件来实现具体的功 能。系统的整体框架如图2 1 所示。 匣匣圆圆应用程序 二二二二二二二二三三至三至茎垂二二二 文件系统 按键驱动 i 嚣l | 巢剥i 篙嚣 嵌入式l i n u x 内核 操作系统 二二二二二二二二三至至蔓至至垂二二二二 底层硬件 图2 - 1 ：系统整体框架 4 第2 * 无蝗乍找多蝉件处4 系鲢设计氟崖 2 1 2 系统应用蛹景 无线车裁多媒体处理系统可应用于铁路、地铁、客运汽车等交通系统中。以 其在公交车的应用为例，如图2 - 2 所示，在线路终点站或停车场架设无线a p ， 构建车站范围内的w i f i 无线网络，同时将a p 通过有线链路连接到多媒体服务 器所在网络。整个车站的网络采用的是点到多点的拓扑结构。这样，车辆每次返 回终点站时车载终端就可以在无线a p 的覆盖范围内进行w j f i 传输实现与 车站服务器数据的同步。车站服务器与车载终端之问采用的是服务器，客户端架 构。 2 2 无线通信网络 无蛾心机房 国 图2 - 2 ：系统应用场景 近年来，随着智能化公交的逐步推进，许多城市都开发了车载多媒体显示屏 和多媒体电子站牌，在为乘客提供乘车服务信息的同时开发多媒体广告资源。然 而，随着加入系统的车辆数量的增加，向车载设备传送多媒体广告信息的数据量 将越来越大，通过人工向车载机装载广告信息工作量又很大，而且信息更新也不 很及时吲。为此，需要一个既方便又经济的传输方式。 无线局域网是个理想的选择，它利用无线通信技术提供传统有线局域网的功 能，能够使用户真正实现随时、随地、随意的宽带网络接入。由于安装便捷、使 用灵活、经济节约、易于扩展无线局域网正日益受到市场的欢迎。目前居于主 导地位的无线局域网标准是8 0 2l l 系列协议。其中，8 0 2i l b 和8 0 2l i g 应用最 筲，心 9 骖 无线车载多媒体处理系统的设计与实现 为广泛，也是本系统通信网络所支持的协议。 w i f i 无线局域网主要包括以下几个基本部分i 叫： s t a ：指接入无线媒介的部分，它包含m a c 实体和p h y 实体、s t a 可以是 移动的，也可以是固定的。每个s t a 都支持鉴权、去鉴权、加密和数据传输 等站点服务。 b s s ：基本服务集，i e e e8 0 2 1 l b 的基本构成单元，可以包含多个s t a 。b s s 基本服务集都有一个覆盖范围。在该覆盖范围内基本服务集的成员s t a 可以 保持相互通信，每个b s s 有一个基本服务集识别码b s s i d 。 i b s s ：独立的基本服务集，它没有中枢链路基础结构，至少包括两个无线站 点。因为它不需太多规划就能被快速建立，所以常常被称为a dh o e 网络。 d s ：分发系统。为了解决物理层覆盖范围对所能支持的s t a 与s t a 之间直 接通信距离的限制，由d s 将多个b s s 连接起来，构成一个扩展的网络。 a p ：访问点，也是一个s t a 。该s t a 除了作为一个普通的s t a 工作外，它 还通过提供分发服务来提供对d s 的访问。 e s s ：d s 和多个b s s 允许i e e e8 0 2 1 l 构成一个任意大小和复杂的无线网络。 i e e e8 0 2 1 l b 把这种网络称为扩展服务集网络。同样e s s 也有一个标识名称， 即e s s i d 。 i e e e8 0 2 1 i b 有两种工作模式：a d h o e 和i n f r a s t r u c t u r e 模式。在a d h o c 模 式中，客户端不能直接和网络外的其它客户端通信。a d h o c 模式的设计目的是 使在同一个频谱覆盖范围内的客户间能够互相通信。而在i n f r a - s t r u c t u r e 模式中， 每个客户将其通信报文发向a p ，a p 转发所有的通信报文。这是一种整合以太网 和无线网络架构的应用模式。无线访问节点负责频段管理及漫游等指挥工作 4 1 。 本系统的无线局域网采用的即为i n f r a s t r u c t u r e 模式。 2 3 嵌入式l i n u x 系统 受汽车行驶过程的颠簸、供电、汽车空间等因素的制约，要使系统保持长时 间的稳定运行，运用嵌入式技术开发车载终端产品无疑是最佳的解决方案。 6 第2 章无线车载多媒体处理系统设计原理 2 3 1 嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，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。 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序四 个部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视或管理功能【5 】o 嵌入式系统与通用型计算机系统相比，具有功耗低、体积小、专用性强、系 统精简、实时性和可靠性高等特点。它的开发过程是一个软硬件互相协调，互相 反馈和互相测试的过程。一般先进行硬件部分的开发，主要是裸机平台的形成。 硬件平台测试通过后，根据需要移植实时操作系统，开发底层的硬件驱动程序。 应用软件的开发调试是基于该硬件平台进彳亍的，这同时也是对硬件平台的一个测 试。整个嵌入式系统开发流程如图2 3 所示1 6 】。 2 3 2l ln u x 操作系统 图2 - 3 ：嵌入式系统开发流程 在所有的操作系统中，l i n u x 是一个发展最快、应用最广泛的操作系统。 7 无线车载多媒体处理系统的设计与实现 l i n u x 本身的种种特性使其成为嵌入式开发中的首选。嵌入式l i n u x 具有以下特 点【4 】： 精简的内核，性能高，稳定，多任务； 支持多种体系结构，如x 8 6 、a r m 、m i p s 、p o w e r p c 和s p a r c 等； 提供嵌入式浏览器，邮件程序、m p 3 播放器、m p e g 播放器和记事本等应用程 序； 用户可定制，可提供图形化的定制和配置工具； 源代码开放，驱动程序及其它资源非常丰富： 针对嵌入式的存储方案，提供实时版本和完善的嵌入式解决方案： l i n u x 主要由存储管理、进程管理、文件系统、进程间通信等几部分组成， 在许多算法及实现策略上，l i n u x 借鉴了u n i x 的成功经验，但也不乏自己的特 色吲。 ( 1 ) 存储管理 l i n u x 采用页式存储管理机制，每个页面的大小随处理机芯片而异。在l i n u x 中，每一个进程都有一个比实际物理空间大得多的进程虚拟空间，通过页表建立 虚拟空间和物理空间之间的映射。 ( 2 ) 进程管理 在l i n u x 中，进程是资源分配的基本单位，所有资源都是以进程为对象来进 行分配的。并通过设计一系列的数据结构来准确地描述进程的状态和其资源使用 状况，以便能公平有效地使用系统资源。l i n u x 目前提供了核心级线程，但尚未 提供用户级线程。 ( 3 ) 文件系统 l i n u x 最重要的特征之一就是支持多个不同的文件系统。它用一个被称为虚 拟文件系统( v f s ) 的接口层将真正的文件系统同操作系统及系统服务分离，使所 有的文件系统在操作系统和用户程序看来都是等同的。这些分离的文件系统被合 到一个单一的目录树结构中，通过目录来访问。 ( 4 ) 进程间通信 l i n u x 提供了多种进程间的通信机制，其中，信号和管道是最基本的两种。 除此以外，l i n u x 也提供s y s t e mv 的进程间通信机制，包括消息队列、信号灯 8 第2 章无线车载多媒体处理系统设计原理 及共享内存。为了支持不同机器之间的进程通信，l i n u x 还引入了b s d 的s o c k e t 机制。 2 3 3lin u x 设备驱动 设备驱动程序是l i n u x 内核的重要组成部分。如果没有驱动程序的支持， l i n u x 操作系统就无法正常地支配硬件。然而，l i n u x 操作系统本身并没有对种 类繁多的硬件设备提供持久不变的设备驱动，对于嵌入式开发更是如此。因 此，驱动程序开发是整个嵌入式系统设计过程中必不可少的一部分。 在l i n u x 操作系统中，设备被映射为个特殊的设备文件，用户可以像操作 普通文件一样对此设备进行操作【3 】。根据设备的访问方式，l i n u x 将硬件设备划 分成三类：字符设备、块设备和网络设备。字符设备以字节为单位进行数据处理， 一般不使用缓存技术；块设备允许随机访问，而且常常使用缓存技术；网络设备 是通过b s d 套接字界面进行访问的。所有设备驱动的本质都是实现逻辑设备到物 理设备的转换，启动相应的i o 设备，发出i o 命令，完成相应的i o 操作。 为协调设备驱动程序和内核之间的开发，l i n u x 的设备驱动程序都遵循s v r 4 提出的d d i d k i 规范，并根据功能分成五个部分：驱动程序的注册与注销，设备 的打开与释放，设备的读写操作，设备的控制操作和设备的中断处理。 ( 1 ) 驱动程序的注册与注销 l i n u x 是一个动态的操作系统，设备驱动程序可以在系统启动时初始化，也 可以在需要时动态加载。驱动程序在初始化时需要向内核注册设备，完成对设备 的初始化，注册相应的中断。在卸载驱动程序时，需要从内核中注销设备和中断。 ( 2 ) 设备的打开与释放 设备的打开操作主要是完成设备的初始化工作，如检查设备特定的错误，递 增设备使用的计数器等。设备的释放操作正好相反，通常递减设备使用的计数器， 释放使用的资源，关闭设备等。 ( 3 ) 设备的读写操作 设备的读写操作完成的任务是相似的，即从设备拷贝数据到应用程序空间 ( 使用c o p y t ou s e r ) ，或反过来从应用程序空间拷贝数据到设备上( 使用 c o p yf r o mu s e r ) 。 9 无线车载多媒体处理系统的设计与实现 ( 4 ) 设备的控制操作 除了读取和写入操作外，大部分驱动程序还需要通过设备驱动程序执行各种 类型的硬件控制，如请求设备锁门、弹出介质、报告错误信息、改变波特率或者 执行自破坏等等。这些操作通常通过i o c t l 方法支持，该方法实现了同名的系统 调用【9 】o ( 5 ) 设备的中断处理 在l i n u x 下使用中断，则在第一次打开设备时通过r e q u e s t i r q0 函数向内 核注册自己的中断处理程序。当硬件有中断产生时，l i n u x 通过读取c p u 的中断 状态寄存器的值来确定中断源，然后把中断源转换成相对于i r q _ a c t i o n 向量的 偏移，再调用i r q _ a c t i o n 中包含的中断处理程序。 2 4 多媒体技术 2 4 1 多媒体播放器 多媒体播放器作为多媒体应用软件的一种，一般由用户界面、解析器、解码 器和输出四部分组成，其功能是从媒体文件中恢复出原始的多媒体信息( 音频、 视频等) ，并传达给用户。其工作流程如下：首先读入数据源某种格式的容 器文件，接着由解析器从文件中提取经过压缩的图像和声音数据，然后由解码器 负责对这些数据进行解压缩，得到可以直接输出到显示设备和音频设备的数据， 最后输出部分按照一定的时间顺序将这些数据送入输出设备，以声音或视频的形 式传达给用户。 当前主流的媒体播放器按其特点大致可以分为两类：一类界面美观、使用方 便，具有专用的插件接口，不开放源码，基于某一特定的体系架构，可以运行在 特定的平台上，但可移植性不强，扩展性一般，如w i n d o w sm e d i ap l a y e r 、 r e a l p l a y e r 、q u i c k t i m ep l a y e r 等；另一类界面易用性差，但是具有开放式插 件接口，开放源码，不基于某一特定的体系架构，可以运行在多种平台上，可移 植性、扩展性强，如m p l a y e r m 】。 在嵌入式平台上，大多采用第二类媒体播放器。由于是从p c 机上的播放器 移植而来，没有考虑到嵌入式系统的特殊性，这些播放器基本上都存在资源占用 1 0 第2 章无线车载多媒体处理系统设计原理 率高、响应速度慢、无法扩展等不足。为此，本系统采用了a m d 公司针对m i p s a u l x x x 平台量身设计的播放器m a i p l a y e r 。该播放器是基于m a ie n g i n e ( m e d i a a p p l i c a t i o ni n t e r f a c ee n g i n e ) 和s d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ) 实现的开 源软件，可支持目前流行的大多数多媒体格式，如w m v 、w m a 、w a v 、m p e g - i 、m p e g - 2 、 m p e g - 4 、m p 3 等，可运行在w i n d o w sc e 或l i n u x 操作系统上。其优点是执行效 率高，反应速度快，可充分发挥a u l x x x 处理器强大的音视频处理能力；缺点是 界面不够友好，只提供基于命令行的操作模式。这可以通过另外设计图形用户界 面来解决。 2 4 2 基于f f m p e g 的视频处理技术 f f m p e g 是一套集录制、转换和音视频编解码功能为一体的开源的解决方案。 它能够快速实现音视频格式转换，也能从音视频源获取数据并将其保存。因此本 系统利用f f m p e g 获取摄像头捕获的视频数据，并将其转换成m p e g 4 格式保存到 硬盘中。 f f m p e g 支持m p e g 、d i v x 、m p e g 4 、a c 3 、d v 、f l v 等4 0 多种编码，a v i 、m p e g 、 o g g 、m a tr o s k a 、a s f 等9 0 多种解码。t c p m p 、v l c 、m p l a y e r 等开源播放器都用 到了f f m p e g 。该项目包括以下组件： ( 1 ) f f m p e g 是音视频文件格式转换的命令行方式工具，同时支持实时的采 集编码t vc a r d 数据。 ( 2 ) f f s e r v e r 可以通过h t t p r t s p 方式进行多媒体数据的流式播放。 ( 3 ) f f p l a y e r 是基于f f m p e g 库和s d l 的播放器。 ( 4 ) 音视频函数库，包括l i b a v c o d e c 、l i b a v f o r m a t 、l i b a v d e v i c e 、l i b a v f ii t e r 、l i b a v u t i l 和l i b s w s c a l e 等。 f f m p e g 可使用v i d e 0 4 1 i n u x 架构的视频源以及其它任何开源系统地音频源。 在使用f f m p e g 的时候必须先激活正确的音视频源设备。通过在命令行界面输入 不同的参数来对音视频文件进行转换控制。对视频的设置包括比特率、帧率、帧 大小、屏幕高宽比、码率控制缓冲区大小等基本参数以及帧内编码、视频量化标 度，p 帧与b 帧以及p 帧与i 帧间的q p 因子和偏差、d c t i d c t 算法选择等高级 参数；对音频的设置包括音频码率、采样率、通道等。在捕获视频数据时，可以 无线车载多媒体处理系统的设计与实现 设置视频捕获设备、捕获通道、视频输入标准( 包括n t s c 、p a l 及s e c a m ) 等。 f f m p e g 库具有良好的跨平台性和可移植性，支持l i n u x 、b s d 、w i n d o w s 、 m a c o s x 、b e o s 等多种操作系统。在l i n u x 平台上，f f m p e g 的编译至少需要 g c c 2 9 5 3 版本，推荐使用g c c 3 2 版本来对f f m p e g 进行编译】。 2 5 图形用户界面 合理、美观、简洁易懂的图形用户界面是无线车载多媒体处理系统不可缺少 的部分。它是用户和系统交互的窗口，它的好坏直接影响到用户对系统的评价， 因此人机交互界面的设计十分重要。 2 5 1 嵌入式g u i 简介 与运行在p c 机上的g u i 相比，嵌入式g u i 受到设备环境的限制，在设计时 就必需考虑系统的可移植性、可配置性、可裁剪性和可扩展性。这些特性与嵌入 式g u i 在嵌入式系统中的体系结构层次密切相关。g u i 在嵌入式系统中的体系结 构一般如图2 4 所示： 回堕匝圈 图2 4 ：嵌入式g u i 体系结构 由图2 - 4 可知，嵌入式g u i 通常需要与应用程序、操作系统系统抽象层及设 备抽象层进行交互，因此嵌入式g u i 在进行设计时必需考虑上述内容，一般可划 分成四大功能模块实现：g u i 用户接口模块、g u i 对象模块、g u i 基本图形模块 1 2 第2 章无线车载多媒体处理系统设计原理 和g u i 消息驱动模块。具体功能定义f 1 2 】如下： g u i 用户接口模块 该模块为上层应用软件开发人员提供方便、易用的a p i 接口函数，对上层开 发人员屏蔽了g u i 的设备实现细节，使得开发人员很简单的就可以编写出良好的 图形用户晃面的应用程序。 g u i 对象模块 g u i 对象模块对窗口环境中的逻辑对象进行组织管理。其中包括对象的添 加、删除引发的对象链表的更新，以及g u i 窗口显示的维护，如窗口切换、焦点 切换、对象的隐藏和恢复等操作引发的对象属性的更新，还有对不同控件的各种 事件的响应。 g u i 基本图形模块 在该模块中实现了对显示输出设备的操作，如画点、画线、画矩形等基本功 能，还有对于字符的解析输出，以及对图形的解析输出。一般它独立于具体的设 备驱动程序，与物理设备之间形成“设备抽象层。 g u i 消息驱动模块 该模块是g u i 系统的通讯模块，负责g u i 的消息接收和与其它任务的通讯以 及消息队列的维护。 用户和嵌入式系统交互的过程即为用户通过输入设备操作g u i 的应用程序， g u i 在接到用户对该输入事件的处理消息之后，将处理后的结果显示在输出设备 上。因此g u i 系统涉及的主要技术有事件驱动、输出显示、资源管理。其中事件 驱动是g u i 系统的核心，输出显示是g u i 的关键，资源管理是g u i 系统的基础。 2 5 2o t e 图形编程 目前，在嵌入式应用领域比较成功的e m b e d d e dg u i 系统主要有 m i c r o w i n d o w s 、m i n i g u l 、q t e 等。q t e 由于移植了大量原来基于q t 的x w i n d o w s 程序，提供了非常完整的嵌入式g u i 解决方案，再加上o p e r a 浏览器，可以 说是一个成熟的g u i 软件。因此本系统选择q t e 进行图形用户界面的开发。 q t e 是著名的q t 库开发商t r o l l t e c h 公司为嵌入式设备上的图形用户接口 和应用开发而定制的c + + 工具开发包。o t e 延续了q t 在xw i n d o w 上的强大功能， 无线车载多媒体处理系统的设计与实现 在底层摒弃了xl i b ，仅采用f r a m e b u f f e r 作为底层图形接口。由于采用面向对 象的设计思想，q t e 可以一直向前支持键盘、鼠标、图形加速卡等附加设备。 其类库完全采用c + + 封装，并且有着丰富的控件资源以及较好的可移植性。 q t e 使系统获得高效的工作性能，是因为它拥有一个重要机制信号与槽 机制。信号与槽机制用来关联某段响应代码和某个事件的动作。例如，一个按钮 被单击时会激发一个c l i c k e d 信号。程序员通过建立一个函数( 插槽) ，然后用 c o n n e c t ( ) 函数把这个插槽和一个信号连接起来，这样就完成了一个事件和响 应代码的连接。 信号，实际上是一种特殊类型的成员函数。它们是由元对象编译器( m o c ) 自动产生的。m o c 是为了用c + + 语句完