原创 基于32位系统的车载多媒体导航系统设计

1.   引言

车载多媒体导航系统，是在汽车环境中，能够独立工作的的多媒体系统和导航系统。相对于手持式的个人导航产品（PND），产品对环境和性能有着高出许多的要求。

首先是工作的环境温度问题，汽车是人类肢体的机械延伸，是一个移动外衣，其工作的环境温度，从零下4、50℃的严冬，到零上的7-80℃的沙漠、戈壁滩，装置在其中产品都需要适应，这样的要求，超过了工业产品的工作环境标准。

一般地，符合汽车前装的电子产品，我们的工作温度要求会在-30℃到+85℃之内。

同时，汽车中，由于存在点火系统，发电系统等，电磁工作环境是极端恶劣的，对于接收极微弱地球定位卫星信号的导航系统来说，抵御电磁干扰、达到一个适当的稳定的性能，难度是可以想见的。

而震动对于产品的要求，也是汽车环境的一个非常具体的指标，在其中采用的部件、连接器，显示器屏幕等，都需要达到符合要求的抗震动性能。

其他像盐雾、潮湿、油污等环境因素，车载产品需要都能够超过家用和一般工业产品的要求。

而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的级别之上，在设计系统时，我们需要在可靠性、可用性、拟人性等方面，花费比较其他家用和工业产品多出许多倍的精力和时间。

一个车载产品，在完成设计后，要进入汽车中应用，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，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，车载多媒体的概念还在推演之中，技术环境的快速推动，车载产品就已经面临将导航、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，各种产品不断地进入汽车。

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，在高端汽车中已经是现实，而在普通汽车中实现，也是指日可待了。

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，和按键、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向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，面临几个非常困难的特殊要求：

4.1.     低待机功耗的要求

最好的系统设计是不要在待机时消费电源，但是，在这个不断讲求人体工程学需要的年代，每个系统又需要能够快速响应，因此往往都需要设计一个待机状态，在这个状态，维持一些最基本和简单的功能，车载音响中，比如维持实时时钟的运作，对汽车状态的监控等等。

车载系统都是通过电池来供电的，特别是在待机状态，为了保证汽车的即时响应的可靠性，车载设备在待机时，工业标准对其实际消耗电流的要求是很低的。

4.2.     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）才支撑工作，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。

如果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。

4.3.     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。

我们的系统设计中，需要支持两种不同的驱动方式的显示屏。

4.3.1.    数字屏的驱动

数字接口的LCD屏驱动，往往我们都是采用主芯片直接通过ITU-R BT.656或者其他专用协议的驱动接口来实现的，不需要其他接口芯片来处理。

4.3.2.    模拟屏的驱动

而模拟LCD屏的驱动，我们需要将主芯片的ITU-R BT.656输出，通过一个专门的驱动芯片处理，来实现驱动。

4.3.3.    LCD屏的分辨率

目前，主要的在汽车中间应用的6.2、6.5或者7寸LCD屏，多数分辨率是480×234的，也有少数的分辨率会是640×480。

采用4.3寸显示器的主流分辨率是480×272。更加小尺寸比如2.5到3.5寸的显示器多数是320×240的。

4.3.4.    触摸屏

在32位和LCD现实时代，触摸屏会是一个标准配置。

按照导航的要求，文字输入时多数需要进行手写识别，但是由于汽车环境的特殊性，我们是否需要支持在屏上的手写输入，以及何时、什么速度允许输入，还牵扯法律和管制的问题；同时，从人体工程学的角度，我们在哪里设置写字板，用什么方式接入，还需要继续研究和实践。

4.4.     符合人体工程学的整体界面设计

4.4.1.    按键、遥控和飞梭

按键始终是电子产品的必要的输入设备，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。

尽管汽车环境的狭小，为了后排乘客的方便，我们也设计有遥控功能。

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。

4.4.2.    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，我们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，我们还需要支持书写功能，为了在汽车环境的特殊需要，我们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。

4.4.3.    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。

我们的人机界面设计，能够满足多数消费者的习惯和认知能力，同时，快速响应的性能，是我们多方努力的结果。

4.5.     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我们设计有如下一些：

按键

遥控

插入碟片

插入SD/MMC卡

插入USB设备

4.6.     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。

我们的设计中，也设计有不断电的实时时钟，提供给系统精确的时间基准。

4.7.     多种视频信号输入和处置方式

4.7.1.    前台和后台操作方式

在多LCD屏设置的市场需求驱动下，车载多媒体设计有前台和后台的显示要求。

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，供后台乘客欣赏。

一般情况下，在汽车主扬声器里面的声音是前台的，也可以是后台的，后台可以有单独的声音输出。

4.7.2.    DVD视频

4.7.3.    DVD换碟器视频

4.7.4.    后视摄像机视频

4.7.5.    模拟电视视频

4.7.6.    数字电视视频

4.7.7.    辅助视频输入

4.8.     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通讯，将汽车运作和行驶的一些主要参数，在显示器中显示出来。

采用32位的系统，可以方便地通过各种协议，同ECU进行通讯，但是，这样的通讯设计是有独特性的，同外观一样，多数情况下属于一些专门的机型。

4.9.     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，我们要通过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。

4.10.  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，我们要在系统中设计一个光学的传感器，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

5.1.     系统结构框图

5.2.     可以增删的系统功能

5.2.1.    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，我们的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。

5.2.2.    单碟CD或者DVD

基本配置中，我们推荐采用一个单碟的CD或者DVD，如果仅仅是CD，则不支持光碟的图像功能。

5.2.3.    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。

5.2.4.    后置换碟器

我们的设计支持后置的CD或者DVD换碟器，支持换碟器的图像输入和切换处理等。

5.2.5.    AM/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，我们能够实现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。

5.2.6.    DAB系统

在欧洲等采用DAB的环境里面，我们的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。

5.2.7.    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。

5.2.8.    免提电话接入功能

首先我们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。

5.2.9.    手机充电电源支持

通过USB端口，我们可以为支持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，我们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。