基于i.MX6車載音視頻系統的設計和實現

杜培軍，閆帥，劉錦高，2

（1.華東師范大學信息科學技術學院，上海200241；2.上海建橋學院上海201315）

基于i.MX6車載音視頻系統的設計和實現

杜培軍1，閆帥1，劉錦高1，2

（1.華東師范大學信息科學技術學院，上海200241；2.上海建橋學院上海201315）

隨著汽車產業和電子技術的發展，車載系統的電子化程度越來越高，車載音視頻系統作為汽車人機交互的重要組成部分，正成為研究的新熱點。本文提出了智能手機和車載音視頻系統相結合的應用方案，分析了實現i.MX6車載音視頻系統的硬件模塊和軟件流程圖，驅動初始化狀態機實現方法。系統測試結果表明本文提出的音視頻系統實現了音視頻基本功能，還可實現多屏互動，并提供移動設備實時充電解決方案。

車載音視頻系統；i.MX6；MHL；多屏互動

近年來，隨著汽車用戶的覆蓋普及和電子技術的不斷創新發展，人們對汽車性能要求也越來越高，由傳統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變；汽車產業從單純的機械產品向光機電一體化轉變。未來的趨勢是電子化比重不斷加強，車載音視頻系統作為汽車人機交互的重要組成部分，成為研究的新熱點［1-3］。

目前市場上的車載音視頻設備大都是以完整的音視頻系統的形式出現在車載環境中。本文提出了一種利用飛思卡爾半導體最新一代處理器i.MX6，并結合新穎的MHL協議研究車載音視頻系統的新方案，實現了多屏互動功能，在多系統應用中注意防止同頻干擾問題，并能提供移動設備實時充電解決方案。

1　基于i.MX6的車載音視頻系統架構

基于i.MX6車載音視頻系統的系統架構如圖1所示。本文設計的車載音視頻系統由原始音視頻數據源接收模塊、數據處理、視頻數據和音頻數據輸出組成。

系統在正常工作時，通過集成MHL功能的智能手機向系統的接收模塊輸入音視頻數據，數據可以儲存在手機中的資源，也可以是從2G、GPRS、3G、LTE或WiFi等網絡中獲取的音視頻數據。接收模塊對接收到的MHL格式的數據進行預處理，將數據中的視頻數據和音頻數據分離，并將視頻數據轉換成MIPI格式，音頻數據轉換成I2S格式［4-5］。

將MIPI格式的視頻數據和I2S格式的音頻數據同時輸入處理器i.MX6，視頻數據經過圖像處理子系統的相關處理后，轉換成LVDS顯示識別的RGB格式視頻數據，通過LVDS線纜輸出到顯示設備。同時，通過處理器的一個I2S接收模塊接收音頻數據，對數據不作處理，直接通過處理器的另外一個I2S發送模塊送到音頻驅動器，經驅動后，通過喇叭或者耳機播放與視頻同步的音樂。

圖1　基于i.MX6的車載音視頻系統構架圖Fig.1Structure diagram of vehicle audio and video system based on i.MX6

2　系統硬件設計

基于i.MX6車載音視頻系統的系統架構如圖2所示。基于i.MX6的車載音視頻系統硬件部分主要包括ADV7481構成的MHL數據格式接收模塊、i.MX6處理器模塊、顯示模塊、WM8962音頻驅動模塊和電源部分。

圖2　基于i.MX6的車載音視頻系統硬件結構圖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成，第一部分是輸入過壓保護電路，防止輸入電壓過大或外界干擾進入，損壞電路；第二部分是集成電壓管理電路，集成了開關型電壓轉換電路和線性電壓轉換電路。

輸入過壓保護電路如圖3所示。在正常輸入5 V電源電壓時，閉合開關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通，主電源5 V流入PSU_5V0供給后級試用。當輸入端輸入非正常的過壓時，穩壓二極管D2的反向電壓會超過它的反向擊穿電壓限值，使得D2的陰極電位穩定在5.1 V左右，同時使得三極管Q2的UBE大于0.7 V時，Q2的集電極和發射極之間導通，會有大量電流從其內部流過，這些電流會在R4和R5上產生壓降，在Q1的柵極產生一個電壓，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，實現保護后級電路的功能。

圖3　輸入過壓保護電路圖Fig.3Input overvoltage protection diagram

集成電壓管理電路選用了飛思卡爾半導體的MMPF0100解決方案，它主要包括電源管理控制、線性穩壓電源轉換、開關電源轉換3個部分。電源的管理控制部分可以配置輸出的電壓值，精度，輸出時序等。開關電源電路的本質是一個串聯型開關型穩壓電源。線性穩壓電源轉換電路，實質上就是一個線性調制器。

2.2接收模塊

接收模塊兼容MHL和HDMI兩種數據源輸入，其中MHL的差分數據線和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據源輸入。當CD_SENSE為高電平時，表示是MHL源輸入；當CD_SENSE為低電平時，表示是HDMI源輸入。

MHL有個特殊的功能，Sink端可以為Source設備供電，5 V電壓要向外輸出，而兼容HDMI接口檢測時需要接收Source設備的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用造成的困擾，本文設計了一種5 V電源方案，如圖4所示。當系統檢測到MHL輸入時，CD_SENSE是高電平，Q7管導通，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低二極管的導通壓降，仍為高電平，兩個MOS管的VGS大于開啟電壓，都呈現導通狀態，5 V電源通過連接器的電源腳為Source設備充電。當系統檢測到HDMI輸入時，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，都呈現截止狀態，5 V不能向外供電，電源管腳只接收Source的電壓實現檢測功能。

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，采用先進的納米技術，且每個內核運行時最高速率可以達到1.2 GHz。每個處理器提供一個64 bit的存儲器接口，以及一系列外設接口，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，片上集成了多個外設接口，資源豐富，可以滿足不斷增長的車載娛樂、遠程信息訪問和處理、人機交互界面、集群顯示的市場需求［6-7］。

2.4顯示模塊

MHL Source的音視頻數據經過ADV7481解碼，剝離出視頻數據。視頻數據通過MIPI接口傳送到處理器，在經過處理器內部的圖像處理單元和硬件模塊處理電路的轉換，生成可在LVDS接口傳輸的RGB格式的視頻數據流。通過外接的TFT屏顯示視頻圖像。對TFT屏還增加了額外的設計，如通過軟件來設計屏幕的亮度，以及實現觸控回傳功能。

2.5WM8962音頻驅動模塊

從ADV7481解碼出的I2S格式音頻信號，在SPI總線的控制下傳輸到處理器的I2S接收模塊。音頻數據仍以I2S格式，通過處理器內部另外一個獨立的I2S發送模塊傳輸到音頻驅動，經過處理后從耳機接口輸出。通常耳機線纜長度為1 m左右，在電磁兼容領域可以看成一根有效天線，很容易接收系統內部噪聲，向外輻射能量，導致EMI超標。設計時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　系統軟件設計

3.1系統軟件流程圖

根據系統設計的功能需求，基于i.MX6的車載音視頻系統軟件流程圖如圖5所示。

圖5　系統軟件的流程圖Fig.5Flow chart of system software

系統初始化后，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時鐘、幀時鐘、控制音視頻同步等，最后分別處理視頻和音頻數據并輸出。

3.2ADV7481驅動初始化流程圖

ADV7481驅動初始化應用狀態機進行編程。初始化時呈四種狀態，開機之前的未知狀態定義為Unknown模式；沒有檢測到線纜插入的狀態定義為Free_run模式，系統輸出默認的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驅動初始化狀態圖Fig.6ADV7481 state diagram of driver initialization

4個狀態之間相互轉換的狀態圖如圖6所示。在芯片復位或者初始化時，Unknown狀態跳轉到Free_run狀態；在Free_run狀態，當檢測到MHL線纜插入時插入MHL_IN狀態，當檢測到HDMI線纜插入時插入HDMI_IN狀態；在MHL狀態下檢測到MHL線纜撥出或只檢測到MHL線纜插入而沒有檢測到MHL設備時，跳轉到Free_run狀態；在HDMI狀態下檢測到HDMI線纜撥出或只檢測到HDMI線纜插入而沒有檢測到HDMI設備時，跳轉到Free_run狀態。

3.3MIPI時鐘的設置

處理器i.MX6中集成的MIPI DPHY的最大串行數據速率為80 MHz～1 GHz，它必須與ADV7481的MIPI DPHY數據速率相匹配，否則MIPI_CSI錯誤狀態寄存器會報出“Start ofTransmission Error on Data Lane”。當兩者的速率相匹配時，MIPI_CSI_ERR1的值為0x0，當速率不匹配發生錯誤時，MIPI_CSI_ERR1為0x3。

ADV7481的數據速率取決于輸入視頻圖像的像素時鐘，每像素的比特數和通道數。為了匹配ADV7481的數據輸出速率，必需設置MIPI_CSI_PHY_TST_CTRL1寄存器值。設置如下的結構體和數組。

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幀速率的設置

幀速率（FPS）與像素時鐘（Fpixel_clk），視頻的分辨率和行列消隱三個參數有關。利用adv748x_get_fps（）函數獲得像素時鐘為Fpixel_clk，通過748x_get_input_info（）函數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）計算幀速率。

4　系統功能測試

系統的功能測試包括兩個部分：MHL格式數據輸入的功能測試，這是本文設計的關鍵功能；HDMI格式數據輸入的功能測試。

4.1輸入MHL格式數據的功能測試

在MHL格式數據源功能測試時，以聯想公司生產的型號為K860I的智能手機作為數據源終端，輸入到車載音視頻系統中，進行音視頻功能測試。

實際功能測試效果圖如圖7所示。系統上電后，黃色指示燈亮，表示MHL數據源輸入。依次對設計的車載音視頻系統進行了音頻、圖片、音視頻、應用程序4個方面進行測試，測試結論如下：

1）手機播放歌曲時，在外接的耳機中能夠聽到清晰的音樂，音頻滿足預期設計要求。

2）手機查看圖片時，能從LCD屏幕中看到清晰的圖片，實現雙屏互動，滿足預期設計要求。

3）手機播放音視頻時，也可從LCD屏幕中看到連續的視頻，同時從外接的耳機聽到同步的聲音，實現信息娛樂功能，滿足預期設計要求。

4）手機使用百度地圖軟件時，能夠在LCD屏實時顯示。啟動軟件中導航功能時，能夠為駕駛員提供地圖導航、語音導航和實時路況信息，滿足預期設計要求。

圖7　輸入MHL格式數據源的功能測試圖Fig.7Function test diagram of input MHL format data source

4.2輸入HDMI格式數據的功能測試

圖8　輸入HDMI格式數據源的功能測試圖Fig.8Function test diagram of input HDMI format data source

文中設計的系統還兼容HDMI接口。以戴爾公司生產的型號為V1450的筆記本作為HDMI格式數據源輸入到系統進行功能測試，實際功能測試圖如圖8所示。系統設計的HDMI接口，支持800*600像素。將筆記本的分辨率設置成800*600，在LCD屏幕上能夠顯示筆記本的桌面，滿足設計要求。

5　結論

隨著國內外汽車行業發展迅猛，各類車載電子設備及其應用技術的發展也日新月異，成為工業界研究的熱點。本文正是基于這一需求，對車載的音視頻系統進行深入研究，采用飛思卡爾半導體i.MX6，結合新穎的MHL協議，開發設計出一款可利用手機音視頻資源的車載音視頻系統。

對系統整體功能進行測試，以智能手機作為MHL格式數據源終端，接入車載系統后，經處理在LCD屏幕上實時顯示來自手機的圖像或視頻，并能實現多屏互動，耳機可聽到同步的聲音，同時可將手機中的娛樂、地圖、導航等應用軟件完美地融入到車載系統，并能提供移動設備充電解決方案，達到預期效果，滿足設計要求。同時系統還能實現常規HDMI輸入接口，豐富了數據源類型，提高了系統的兼容性和使用價值，具有較高的經濟效益。

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

［2］胡海峰.智能車載視頻系統研究［D］.西安：西北工業大學，2004.［3］曾雷.軌道交通車載音視頻系統設計［D］.北京：北方工業大學，2010.

［4］朱寶貴.飛入尋常百姓家，帶你走進MHL［J］.電腦知識與技術-經驗技巧，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計和實現［D］.大連：大連理工大學，2013.

［6］Kamath P.MIPI將徹底改變移動產品設計方式［J］.集成電路應用，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平臺的車載信息娛樂系統的硬件設計與實現［D］.上海：東華大學，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：嵌入式系統開發與應用，移動通信。