杜培軍，閆帥，劉錦高，2

（1.華東師范大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海200241；2.上海建橋?qū)W院上海201315）

基于i.MX6車載音視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

杜培軍1，閆帥1，劉錦高1，2

（1.華東師范大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海200241；2.上海建橋?qū)W院上海201315）

隨著汽車產(chǎn)業(yè)和電子技術(shù)的發(fā)展，車載系統(tǒng)的電子化程度越來越高，車載音視頻系統(tǒng)作為汽車人機(jī)交互的重要組成部分，正成為研究的新熱點(diǎn)。本文提出了智能手機(jī)和車載音視頻系統(tǒng)相結(jié)合的應(yīng)用方案，分析了實(shí)現(xiàn)i.MX6車載音視頻系統(tǒng)的硬件模塊和軟件流程圖，驅(qū)動(dòng)初始化狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)測試結(jié)果表明本文提出的音視頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了音視頻基本功能，還可實(shí)現(xiàn)多屏互動(dòng)，并提供移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)充電解決方案。

車載音視頻系統(tǒng)；i.MX6；MHL；多屏互動(dòng)

近年來，隨著汽車用戶的覆蓋普及和電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，人們對汽車性能要求也越來越高，由傳統(tǒng)的交通工具單一功能向多媒體、信息化的多功能交通工具轉(zhuǎn)變；汽車產(chǎn)業(yè)從單純的機(jī)械產(chǎn)品向光機(jī)電一體化轉(zhuǎn)變。未來的趨勢是電子化比重不斷加強(qiáng)，車載音視頻系統(tǒng)作為汽車人機(jī)交互的重要組成部分，成為研究的新熱點(diǎn)［1-3］。

目前市場上的車載音視頻設(shè)備大都是以完整的音視頻系統(tǒng)的形式出現(xiàn)在車載環(huán)境中。本文提出了一種利用飛思卡爾半導(dǎo)體最新一代處理器i.MX6，并結(jié)合新穎的MHL協(xié)議研究車載音視頻系統(tǒng)的新方案，實(shí)現(xiàn)了多屏互動(dòng)功能，在多系統(tǒng)應(yīng)用中注意防止同頻干擾問題，并能提供移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)充電解決方案。

1　基于i.MX6的車載音視頻系統(tǒng)架構(gòu)

基于i.MX6車載音視頻系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。本文設(shè)計(jì)的車載音視頻系統(tǒng)由原始音視頻數(shù)據(jù)源接收模塊、數(shù)據(jù)處理、視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)輸出組成。

系統(tǒng)在正常工作時(shí)，通過集成MHL功能的智能手機(jī)向系統(tǒng)的接收模塊輸入音視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以儲(chǔ)存在手機(jī)中的資源，也可以是從2G、GPRS、3G、LTE或WiFi等網(wǎng)絡(luò)中獲取的音視頻數(shù)據(jù)。接收模塊對接收到的MHL格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將數(shù)據(jù)中的視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)分離，并將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MIPI格式，音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成I2S格式［4-5］。

將MIPI格式的視頻數(shù)據(jù)和I2S格式的音頻數(shù)據(jù)同時(shí)輸入處理器i.MX6，視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像處理子系統(tǒng)的相關(guān)處理后，轉(zhuǎn)換成LVDS顯示識(shí)別的RGB格式視頻數(shù)據(jù)，通過LVDS線纜輸出到顯示設(shè)備。同時(shí)，通過處理器的一個(gè)I2S接收模塊接收音頻數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)不作處理，直接通過處理器的另外一個(gè)I2S發(fā)送模塊送到音頻驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)后，通過喇叭或者耳機(jī)播放與視頻同步的音樂。

圖1　基于i.MX6的車載音視頻系統(tǒng)構(gòu)架圖Fig.1Structure diagram of vehicle audio and video system based on i.MX6

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于i.MX6車載音視頻系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示?；趇.MX6的車載音視頻系統(tǒng)硬件部分主要包括ADV7481構(gòu)成的MHL數(shù)據(jù)格式接收模塊、i.MX6處理器模塊、顯示模塊、WM8962音頻驅(qū)動(dòng)模塊和電源部分。

圖2　基于i.MX6的車載音視頻系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2Hardware structure of vehicle audio and video system based on i.MX6

2.1電源部分

電源部分由兩部分構(gòu)成，第一部分是輸入過壓保護(hù)電路，防止輸入電壓過大或外界干擾進(jìn)入，損壞電路；第二部分是集成電壓管理電路，集成了開關(guān)型電壓轉(zhuǎn)換電路和線性電壓轉(zhuǎn)換電路。

輸入過壓保護(hù)電路如圖3所示。在正常輸入5 V電源電壓時(shí)，閉合開關(guān)S1，Q1的源極為5 V，柵極電壓由電阻R2、R4、R5的分壓決定，約為0.26 V，這樣Q1的VGS為-4.74 V，低于開啟電壓-2.1 V，Q1的漏極和源極之間導(dǎo)通，主電源5 V流入PSU_5V0供給后級試用。當(dāng)輸入端輸入非正常的過壓時(shí)，穩(wěn)壓二極管D2的反向電壓會(huì)超過它的反向擊穿電壓限值，使得D2的陰極電位穩(wěn)定在5.1 V左右，同時(shí)使得三極管Q2的UBE大于0.7 V時(shí)，Q2的集電極和發(fā)射極之間導(dǎo)通，會(huì)有大量電流從其內(nèi)部流過，這些電流會(huì)在R4和R5上產(chǎn)生壓降，在Q1的柵極產(chǎn)生一個(gè)電壓，使得Q1的柵源電壓近似相等，高于開啟電壓-2.1 V，Q1管截止，阻止過壓流入后級電路，實(shí)現(xiàn)保護(hù)后級電路的功能。

圖3　輸入過壓保護(hù)電路圖Fig.3Input overvoltage protection diagram

集成電壓管理電路選用了飛思卡爾半導(dǎo)體的MMPF0100解決方案，它主要包括電源管理控制、線性穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換、開關(guān)電源轉(zhuǎn)換3個(gè)部分。電源的管理控制部分可以配置輸出的電壓值，精度，輸出時(shí)序等。開關(guān)電源電路的本質(zhì)是一個(gè)串聯(lián)型開關(guān)型穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換電路，實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)線性調(diào)制器。

2.2接收模塊

接收模塊兼容MHL和HDMI兩種數(shù)據(jù)源輸入，其中MHL的差分?jǐn)?shù)據(jù)線和HDMI的DATA0+/-共用一對差分線，CBUS與HDMI_HPD_CON共用一根信號線，電源和地共用。

系統(tǒng)靠檢測連接器第2腳的CD_SENSE信號線的電平來判別是什么數(shù)據(jù)源輸入。當(dāng)CD_SENSE為高電平時(shí)，表示是MHL源輸入；當(dāng)CD_SENSE為低電平時(shí)，表示是HDMI源輸入。

MHL有個(gè)特殊的功能，Sink端可以為Source設(shè)備供電，5 V電壓要向外輸出，而兼容HDMI接口檢測時(shí)需要接收Source設(shè)備的5 V電壓，這就意味著在兩種不同的輸入模式下，5 V電源管腳的電流方向截然相反。

為了解決兩種不同的應(yīng)用造成的困擾，本文設(shè)計(jì)了一種5 V電源方案，如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)檢測到MHL輸入時(shí)，CD_SENSE是高電平，Q7管導(dǎo)通，Q7和Q8的柵極約為0 V，由于Q7存在體二極管，使得Q7和Q8源極的電位只比5 V低二極管的導(dǎo)通壓降，仍為高電平，兩個(gè)MOS管的VGS大于開啟電壓，都呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，5 V電源通過連接器的電源腳為Source設(shè)備充電。當(dāng)系統(tǒng)檢測到HDMI輸入時(shí)，CD_SENSE是低電平，Q6管截止，R15上沒有電流，Q3和Q4源極和柵極電壓相等，都呈現(xiàn)截止?fàn)顟B(tài)，5 V不能向外供電，電源管腳只接收Source的電壓實(shí)現(xiàn)檢測功能。

圖4　5V電源的電流方向切換原理圖Fig.4Diagram of current direction switch of 5 V power

2.3i.MX6處理器模塊

本文選用飛思卡爾公司的i.MX6處理器，它集成4核ARM Cortex-A9，采用先進(jìn)的納米技術(shù)，且每個(gè)內(nèi)核運(yùn)行時(shí)最高速率可以達(dá)到1.2 GHz。每個(gè)處理器提供一個(gè)64 bit的存儲(chǔ)器接口，以及一系列外設(shè)接口，如MIPI CSI-2接口、I2S接口、無線接口、顯示接口、攝像傳感器接口等。從這款芯片特性可以看出，它速率高、安全、功耗低，片上集成了多個(gè)外設(shè)接口，資源豐富，可以滿足不斷增長的車載娛樂、遠(yuǎn)程信息訪問和處理、人機(jī)交互界面、集群顯示的市場需求［6-7］。

2.4顯示模塊

MHL Source的音視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過ADV7481解碼，剝離出視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)通過MIPI接口傳送到處理器，在經(jīng)過處理器內(nèi)部的圖像處理單元和硬件模塊處理電路的轉(zhuǎn)換，生成可在LVDS接口傳輸?shù)腞GB格式的視頻數(shù)據(jù)流。通過外接的TFT屏顯示視頻圖像。對TFT屏還增加了額外的設(shè)計(jì)，如通過軟件來設(shè)計(jì)屏幕的亮度，以及實(shí)現(xiàn)觸控回傳功能。

2.5WM8962音頻驅(qū)動(dòng)模塊

從ADV7481解碼出的I2S格式音頻信號，在SPI總線的控制下傳輸?shù)教幚砥鞯腎2S接收模塊。音頻數(shù)據(jù)仍以I2S格式，通過處理器內(nèi)部另外一個(gè)獨(dú)立的I2S發(fā)送模塊傳輸?shù)揭纛l驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過處理后從耳機(jī)接口輸出。通常耳機(jī)線纜長度為1 m左右，在電磁兼容領(lǐng)域可以看成一根有效天線，很容易接收系統(tǒng)內(nèi)部噪聲，向外輻射能量，導(dǎo)致EMI超標(biāo)。設(shè)計(jì)時(shí)需要在每根信號線上放置對地濾波電容，濾波高頻噪聲，防止向外輻射［8］。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)軟件流程圖

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能需求，基于i.MX6的車載音視頻系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)軟件的流程圖Fig.5Flow chart of system software

系統(tǒng)初始化后，配置電源管理模塊，然后檢測MHL輸入還是HDMI輸入，按不同輸入模式配置解碼芯片和處理器，配置MIPI時(shí)鐘、幀時(shí)鐘、控制音視頻同步等，最后分別處理視頻和音頻數(shù)據(jù)并輸出。

3.2ADV7481驅(qū)動(dòng)初始化流程圖

ADV7481驅(qū)動(dòng)初始化應(yīng)用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行編程。初始化時(shí)呈四種狀態(tài)，開機(jī)之前的未知狀態(tài)定義為Unknown模式；沒有檢測到線纜插入的狀態(tài)定義為Free_run模式，系統(tǒng)輸出默認(rèn)的640x480@60的檢測方格的視頻圖像；檢測到MHL線纜插入定義為MHL_IN模式，按照MHL模式配置ADV7481芯片；檢測到HDMI線纜插入定義為HDMI_IN模式，按照HDM模式配置ADV7481芯片。

圖6　ADV7481驅(qū)動(dòng)初始化狀態(tài)圖Fig.6ADV7481 state diagram of driver initialization

4個(gè)狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換的狀態(tài)圖如圖6所示。在芯片復(fù)位或者初始化時(shí)，Unknown狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到Free_run狀態(tài)；在Free_run狀態(tài)，當(dāng)檢測到MHL線纜插入時(shí)插入MHL_IN狀態(tài)，當(dāng)檢測到HDMI線纜插入時(shí)插入HDMI_IN狀態(tài)；在MHL狀態(tài)下檢測到MHL線纜撥出或只檢測到MHL線纜插入而沒有檢測到MHL設(shè)備時(shí)，跳轉(zhuǎn)到Free_run狀態(tài)；在HDMI狀態(tài)下檢測到HDMI線纜撥出或只檢測到HDMI線纜插入而沒有檢測到HDMI設(shè)備時(shí)，跳轉(zhuǎn)到Free_run狀態(tài)。

3.3MIPI時(shí)鐘的設(shè)置

處理器i.MX6中集成的MIPI DPHY的最大串行數(shù)據(jù)速率為80 MHz～1 GHz，它必須與ADV7481的MIPI DPHY數(shù)據(jù)速率相匹配，否則MIPI_CSI錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器會(huì)報(bào)出“Start ofTransmission Error on Data Lane”。當(dāng)兩者的速率相匹配時(shí)，MIPI_CSI_ERR1的值為0x0，當(dāng)速率不匹配發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，MIPI_CSI_ERR1為0x3。

ADV7481的數(shù)據(jù)速率取決于輸入視頻圖像的像素時(shí)鐘，每像素的比特?cái)?shù)和通道數(shù)。為了匹配ADV7481的數(shù)據(jù)輸出速率，必需設(shè)置MIPI_CSI_PHY_TST_CTRL1寄存器值。設(shè)置如下的結(jié)構(gòu)體和數(shù)組。

struct mipi_ctrl1_info｛

u32minclk；

u32maxclk；

u8 crtl1；

｝；

Const static struct mipi_ctrl1_info mipi_ctrl1_infos［］=｛

｛950，1000，0x74｝，//999Mhz

｛900，950，0x54｝，//972Mhz

……

｛80，90，0x00｝，//90Mhz（default）

｝；

3.4幀速率的設(shè)置

幀速率（FPS）與像素時(shí)鐘（Fpixel_clk），視頻的分辨率和行列消隱三個(gè)參數(shù)有關(guān)。利用adv748x_get_fps（）函數(shù)獲得像素時(shí)鐘為Fpixel_clk，通過748x_get_input_info（）函數(shù)可以獲取視頻額分辨率為Width*Height，行列消隱為HBP、HFP、VBP和VFP等信息。利用公式（1）計(jì)算幀速率。

4　系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)的功能測試包括兩個(gè)部分：MHL格式數(shù)據(jù)輸入的功能測試，這是本文設(shè)計(jì)的關(guān)鍵功能；HDMI格式數(shù)據(jù)輸入的功能測試。

4.1輸入MHL格式數(shù)據(jù)的功能測試

在MHL格式數(shù)據(jù)源功能測試時(shí)，以聯(lián)想公司生產(chǎn)的型號為K860I的智能手機(jī)作為數(shù)據(jù)源終端，輸入到車載音視頻系統(tǒng)中，進(jìn)行音視頻功能測試。

實(shí)際功能測試效果圖如圖7所示。系統(tǒng)上電后，黃色指示燈亮，表示MHL數(shù)據(jù)源輸入。依次對設(shè)計(jì)的車載音視頻系統(tǒng)進(jìn)行了音頻、圖片、音視頻、應(yīng)用程序4個(gè)方面進(jìn)行測試，測試結(jié)論如下：

1）手機(jī)播放歌曲時(shí)，在外接的耳機(jī)中能夠聽到清晰的音樂，音頻滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

2）手機(jī)查看圖片時(shí)，能從LCD屏幕中看到清晰的圖片，實(shí)現(xiàn)雙屏互動(dòng)，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

3）手機(jī)播放音視頻時(shí)，也可從LCD屏幕中看到連續(xù)的視頻，同時(shí)從外接的耳機(jī)聽到同步的聲音，實(shí)現(xiàn)信息娛樂功能，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

4）手機(jī)使用百度地圖軟件時(shí)，能夠在LCD屏實(shí)時(shí)顯示。啟動(dòng)軟件中導(dǎo)航功能時(shí)，能夠?yàn)轳{駛員提供地圖導(dǎo)航、語音導(dǎo)航和實(shí)時(shí)路況信息，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

圖7　輸入MHL格式數(shù)據(jù)源的功能測試圖Fig.7Function test diagram of input MHL format data source

4.2輸入HDMI格式數(shù)據(jù)的功能測試

圖8　輸入HDMI格式數(shù)據(jù)源的功能測試圖Fig.8Function test diagram of input HDMI format data source

文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還兼容HDMI接口。以戴爾公司生產(chǎn)的型號為V1450的筆記本作為HDMI格式數(shù)據(jù)源輸入到系統(tǒng)進(jìn)行功能測試，實(shí)際功能測試圖如圖8所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的HDMI接口，支持800*600像素。將筆記本的分辨率設(shè)置成800*600，在LCD屏幕上能夠顯示筆記本的桌面，滿足設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)論

隨著國內(nèi)外汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，各類車載電子設(shè)備及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展也日新月異，成為工業(yè)界研究的熱點(diǎn)。本文正是基于這一需求，對車載的音視頻系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，采用飛思卡爾半導(dǎo)體i.MX6，結(jié)合新穎的MHL協(xié)議，開發(fā)設(shè)計(jì)出一款可利用手機(jī)音視頻資源的車載音視頻系統(tǒng)。

對系統(tǒng)整體功能進(jìn)行測試，以智能手機(jī)作為MHL格式數(shù)據(jù)源終端，接入車載系統(tǒng)后，經(jīng)處理在LCD屏幕上實(shí)時(shí)顯示來自手機(jī)的圖像或視頻，并能實(shí)現(xiàn)多屏互動(dòng)，耳機(jī)可聽到同步的聲音，同時(shí)可將手機(jī)中的娛樂、地圖、導(dǎo)航等應(yīng)用軟件完美地融入到車載系統(tǒng)，并能提供移動(dòng)設(shè)備充電解決方案，達(dá)到預(yù)期效果，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)常規(guī)HDMI輸入接口，豐富了數(shù)據(jù)源類型，提高了系統(tǒng)的兼容性和使用價(jià)值，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］李媛.車載多接口音頻播放系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2008.

［2］胡海峰.智能車載視頻系統(tǒng)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.［3］曾雷.軌道交通車載音視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.北京：北方工業(yè)大學(xué)，2010.

［4］朱寶貴.飛入尋常百姓家，帶你走進(jìn)MHL［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)-經(jīng)驗(yàn)技巧，2013（9）：102-103. ZHU Bao-gui.Flying into the homes of ordinary people，take you into the MHL［J］.Computer Knowledge and Technolog-Experience Skills，2013（9）：102-103.

［5］余亮.基于MHL接口的智能電視的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2013.

［6］Kamath P.MIPI將徹底改變移動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式［J］.集成電路應(yīng)用，2012（2）：20-22. Kamath P.MIPI will thoroughly change the design way of mobile product［J］.IC Application，2012（2）：20-22.

［7］佚名.飛思卡爾推出i.MX 6系列的四核、雙核和單核應(yīng)用處理器［J］.電子與電腦，2011（2）：77. Anonymous.Freescale launch i.MX6 serial process including quad，dual and single core［J］.Electronic and Computer，2011（2）：77.

［8］徐慧軍.基于i.MX6平臺(tái)的車載信息娛樂系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.上海：東華大學(xué)，2014.

Design and implementation of vehicle audio and video system based on i.MX6

DU Pei-jun1，YAN Shuai1，LIU Jin-gao1，2
（1.College of Information Science and Technology，East China Normal University，Shanghai 200241，China；2.Shanghai Jianqiao University，Shanghai 201315，China）

With the development of auto industry and electronic technology，the auto tend to be more electronic，and the vehicle audio and video system playing critical role in auto mobile human-computer interaction attract researcher's new focus. This paper puts forward the application scheme of combination of the mobile phone and vehicle audio and video system，and analyzes the hardware modules and software flow chart of the vehicle audio and video system based on i.MX6 and driver initialization using the method of state machine.After the system function test had been done，the results show that the audio and video system realizes the multi screen interactive and solve the real time charging problem for mobile devices.

vehicle audio and video system；i.MX6；MHL；multi screen interaction

TN919.8

A

1674-6236（2015）20-0185-04

2015-01-14稿件編號：201501109

杜培軍（1984—），男，江蘇淮安人，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用，移動(dòng)通信。