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),车载多媒体导航产品需要应对更为严苛的环境和性能要求。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。此外,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,都对车载产品提出更高要求。

即使是在恶劣环境下,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。因而在设计系统时,我们需要在可靠性、可用性等方面花费比在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,速度大大慢过消费和其他领域。

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等各种功能不断地进入车载系统。

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,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；而在普通汽车中的实现也是指日可待。

车载音响产品结构设计的演化历程

长期以来,车载音响产品都是在简单的逻辑控制结构上面发展,起初,系统主要支持收音功能,后来有了磁带播放设备,这类系统不需要负载控制,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位单片机就足够应对,这种状况延续了十多年的时间,直至今天,4位单片机依然是市场上的主流产品。

按说,车载音响产品也应该像技术发展的顺序一样,经历4位、8位、16位,然后到32位的发展过程,目前8位MCU的确进入了车载音响,但是,8位MCU还没有成为汽车领域的市场主流,尚未获得较大的份额。在摩尔定律作用下,半导体呈现的加速现象,以及车载产品对可靠性和认证的严酷要求,使得8位MCU还没有普及,16位还很少应用,而我们的结构设计,一步跨入了32位时代。

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,面临几个棘手的特殊要求:

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。

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。

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的驱动方式的显示屏。目前,在汽车中应用的主要是6.2、6.5或者7寸LCD屏,多数分辨率是480×234的,也有少数的分辨率是640×480。

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的必要的输入设备,在具有触摸屏的设计中,我们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,其他应该尽量体现在触摸屏上,通过灵活的显示提示来予以实现。

虽然汽车环境的狭小,但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位设计中,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。在32位系统中,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,还需要支持书写功能,为了满足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。

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、简单地操作产品,是一个难题。

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。

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。

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。

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。

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,该设计是通过ECU来实现的,多数设计的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。

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。

系统结构设计

系统结构框图见图1。本设计中可以增删的系统功能有如下几个方面:

无碟片系统

对于热爱FLASH的用户,碟片已经是一个多余和麻烦的部件,我们的设计可以方便地简化为一个无碟片系统,通过FLASH卡和内置的NAND FLASH、USB等设备作为数字内容的载体。

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。

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,选型要保证与空间方面的配合。

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。

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。

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。

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。

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,我们的蓝牙系统还将支持蓝牙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。

手机充电电源支持

通过USB端口,本设计可以为支持USB充电的手机提供充电功能。

系统工艺设计

一个好的产品,仅仅有好的电路和软件还不够,良好的工艺设计是实现产品量化的关键因素。在采用32位CPU实现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工艺。而电源、音频处理等模块则放在主板上,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。

作者:黄杨梓

深圳市图林电子设计有限公司