基于EP9315與嵌入式CPU的車載多功能無線系統(tǒng)的設(shè)計

汽車電子簡而言之就是半導(dǎo)體和汽車的結(jié)合，主要分為兩類：一類是汽車電子控制裝置，要和機械系統(tǒng)配合使用，例如電子燃油噴射系統(tǒng)、制動防抱死控制、防滑控制、懸架控制、動力轉(zhuǎn)向等。另一類是車載汽車電子裝置，是在汽車環(huán)境下能夠獨立使用的電子裝置，和汽車本身性能無直接關(guān)系，包括導(dǎo)航、娛樂系統(tǒng)及車載通信系統(tǒng)等。

近年來，中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，特別是轎車產(chǎn)業(yè)。中國巨大的市場潛力吸引了全球眾多知名汽車廠商的目光，這些企業(yè)紛紛來華投資。憑借這些跨國企業(yè)提供的技術(shù)、硬件，以及產(chǎn)能上的保障，中國在短短幾年時間內(nèi)成為全球知名的汽車生產(chǎn)國。

快速發(fā)展的汽車產(chǎn)業(yè)為汽車電子產(chǎn)品提供了廣闊的應(yīng)用市場，中國汽車電子市場隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)一起進入快速發(fā)展時期。2009年中國汽車電子產(chǎn)品市場規(guī)模達到1629.6億元，同比增長20.4%.

目前中國汽車電子產(chǎn)業(yè)取得了跨越式的發(fā)展，已經(jīng)初具規(guī)模。其中，車載信息系統(tǒng)成了汽車電子市場增長的引擎，也是今后的熱點。此外，隨著消費者對安全性的關(guān)注日益提高，EPS、TPMS、雷達測距等一系列安全技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。汽車應(yīng)用越來越廣泛，決定了MCU的處理能力必須要提高，32位MCU逐漸登上了舞臺。

隨著消人們對汽車本身的要求的提高，如動力性、安全性、舒適娛樂性、駕駛的自動性、維修的簡便性等；與之相對應(yīng)的汽車電子系統(tǒng)如電控助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電子穩(wěn)定系統(tǒng)、胎壓、SBC剎車系統(tǒng)、定速/安全巡航系統(tǒng)等也有了進一步的迅速發(fā)展。

本文介紹的車載多功能無線系統(tǒng)集成了定位、導(dǎo)航、防盜、車載免提電話、無線上網(wǎng)、短消息、DVD/MP3影視娛樂、緊急呼叫、讀卡器等多項功能。下面將簡單介紹該系統(tǒng)。

本系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次框圖如下。

硬件原理框圖如下。

硬件原理框圖描述：

本系統(tǒng)的核心器件是EP9315,基于ARM920T的工控、消費類嵌入式CPU,提供了原理框圖中除了電源管理模塊、后備電源模塊、CPLD擴展邏輯模塊、GPS模塊、GSM模塊之外的所有模塊的功能接口，開發(fā)較為簡便。讀卡器模塊通過標準USB口連接，實際是一個獨立的產(chǎn)品，CPLD擴展邏輯除了提供GPS模塊和GSM/GPRS或CDMA模塊的訪問控制邏輯外，預(yù)留了一定的邏輯，方便擴展更多的功能，如輪胎壓力、輪胎溫度的無線接收、Video Camera的視頻輸入（可用于拓寬視野、路面車道自動跟蹤等）、Zigbee無線協(xié)議等。

模塊功能描述：

◆ GPS定位模塊

這是本系統(tǒng)的主要功能模塊之一。采用韓國HADARU公司的HPM103H-6模塊，結(jié)合系統(tǒng)中的矢量地圖，實現(xiàn)汽車的定位、導(dǎo)航、防盜，當車速超過設(shè)定門限時報警等功能。HPM103H-6能夠同時跟蹤12顆衛(wèi)星，定位精度優(yōu)于12米，冷啟動時間小于56秒。

◆ GSM/GPRS或CDMA模塊

這是本系統(tǒng)的另一個主要功能模塊。用戶可以選擇GSM/GPRS、CDMA模塊的其中之一。該模塊提供車載免提電話、無線上網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸、短消息等功能；還能設(shè)定3個緊急電話號碼（如110等），通過特定的按鈕（Urgent Button）實現(xiàn)緊急呼叫；也可以通過系統(tǒng)提供的以太網(wǎng)接口，連接筆記本電腦等設(shè)備，完成相應(yīng)的功能。

◆ KeyB/Touch Screen模塊

這是本系統(tǒng)提供的固有的輸入接口，完成系統(tǒng)功能、參數(shù)設(shè)定。本模塊提供了64鍵鍵盤和一塊觸摸屏。輸入接口也可以通過USB 2#或3#,外接鼠標，完成或輔助完成設(shè)定功能。

◆ LCD顯示/LED指示燈模塊

LCD顯示屏是本系統(tǒng)的交互顯示介面及系統(tǒng)狀態(tài)、視頻節(jié)目的輸出界面。提供8個LED指示燈，其中2個用于提示系統(tǒng)的電源、系統(tǒng)運行狀態(tài)，1個用于指示外界信號到達（電話呼入、短消息到達），1個用于GPS的運行狀態(tài)，另外4個可以根據(jù)需要設(shè)定為報警或指示。

◆ UART/IrDA模塊

提供一個標準的串行接口和一個標準的紅外接口。

◆ USB 1# / Card Reader模塊

USB 1# 模塊專門為Card Reader（讀卡器）模塊提供接口， Card Reader能夠完成對CFI,II、MD、SM、xD、SD、MMC、MS、MS Pro、MS Duo、MS MagicGate等類型閃存卡的讀寫，方便旅游者的記錄轉(zhuǎn)儲。Card Reader本身也是北高智的一個獨立產(chǎn)品。

◆ USB 2# / 3# 模塊

提供2個標準的USB接口。

◆ RTC模塊

提供本系統(tǒng)的實時時鐘。

◆ 電源管理/后備電源模塊

后備電源模塊在系統(tǒng)掉電時，為RTC提供后備電源，其含有充電電路，在系統(tǒng)上電時，由電源管理模塊提供充電電源。

電源管理模塊完成對本系統(tǒng)的供電，提供了+5V、+3.3V、+1.8V、+12V、-12V等電壓，具有系統(tǒng)復(fù)位、過壓、過流保護功能；此外，還有及其重要的上電時序控制，以防器件發(fā)生栓鎖現(xiàn)象。

◆ Audio模塊

提供本系統(tǒng)音頻信號的輸入、輸出。輸入部分提供MIC、Line-in（分為Lline-in,Rline-in）、內(nèi)部音頻總線、SPDIF接口；輸出部分提供Line-out（也分為Lline-out和Rline-out）、Stereo Headphone、Speaker（2 Channels）?？梢詫崿F(xiàn)錄音和放音。

◆ Urgent Button模塊

此模塊僅有3個按鈕，可以安裝在車中任意明顯或隱蔽位置，用手或腳來控制，完成緊急呼叫的功能。這3個由CPLD內(nèi)部的中斷控制器控制，保證其實時性。

◆ 10/100M 以太網(wǎng)接口

EP9315已經(jīng)提供了以太網(wǎng)MAC層的MII接口，只要選者一個PHY接口IC即可實現(xiàn)以太網(wǎng)的物理電路。本模塊選用了Cirrus Logic公司的CS8952,支持10Base-T和100Base-X,作為通用的以太網(wǎng)接口。

◆ CPLD擴展邏輯模塊

本模塊選用Altera公司的產(chǎn)品，容量可以升級，封裝不變，以便于未來增加邏輯功能。本模塊除了提供系統(tǒng)的譯碼邏輯、LED燈及緊急按鈕的控制外，也提供EP9315對GPS模塊、GSM/GPRS或CDMA模塊的訪問控制，另外還保留了許多地址空間和I/O線，以備將來的功能擴展之用。

◆ SSD硬盤模塊

EP9315帶有標準的IDE接口，可以直接掛接IDE硬盤。但是由于汽車內(nèi)部的溫度比較高、振動劇烈，機械式的硬盤容易損壞，故而選用SSD（Solid State Drive）固態(tài)電子硬盤。SimpleTech公司的Zeus系列SSD固態(tài)硬盤，具有溫度范圍寬，抗震動、抗沖擊、容量大（2GB ~ 128GB）等優(yōu)點，帶有標準的IDE接口，可以直接替換普通機械式硬盤。在重要器件介紹中會詳細介紹SSD硬盤的特點和性能。

SSD硬盤用于承載操作系統(tǒng)、文本、媒體文件等。本系統(tǒng)支持Windows CE和Linux嵌入式操作系統(tǒng)，將來還會支持其它的嵌入式操作系統(tǒng)。

◆ nvSRAM

nvSRAM作為SRAM在系統(tǒng)運行時使用，作為Flash在系統(tǒng)掉電時保存重要的配置數(shù)據(jù)。該器件會在重要器件中介紹。

◆ Boot Flash

Boot Flash在系統(tǒng)上電時首先被執(zhí)行，然后根據(jù)配置讀取硬盤中的操作系統(tǒng)引導(dǎo)塊至EP9315中，從而完成操作系統(tǒng)的啟動。

重要器件介紹：

1.EP9315

EP9315是Cirrus Logic公司出品的基于ARM920T內(nèi)核的200Mhz的處理器，功能強大，適合于工業(yè)控制、消費等領(lǐng)域，如數(shù)字多媒體服務(wù)器、遠程信息監(jiān)控、瘦客戶機、機頂盒、POS機、生物安全系統(tǒng)、GPS定位/巡航設(shè)備等。其特點有：

ARM核心部分：16KB的數(shù)據(jù)緩存和16KB的指令緩存；內(nèi)存管理單元（支持Linux、Windows CE）；100MHz的系統(tǒng)總線；MaverickCrunch 數(shù)學運算及信號處理引擎；MaverickKey 權(quán)限、IP安全ID.

外圍接口部分：

◆ PCMCIA接口

◆ 圖形加速器

◆ EIDE接口，2個

◆ USB2.0全速主機，3個

◆ UART,基于16550的，3個

◆ IrDA紅外接口，支持慢速、快速模式

◆ LCD接口，帶有專用的SDRAM通道

◆ Touch Screen觸摸屏接口

◆ SPI接口

◆ AC' 97 音頻接口

◆ I2S 接口，6個

◆ 8x8鍵盤接口

可選外部存儲器支持：

◆ 32-Bit SDRAM, 4bank

◆ 32/16/8-bit SRAM/Flash/ROM/接口

◆ 串行EEPROM接口

內(nèi)部功能模塊：

◆ 實時時鐘，軟件可調(diào)

◆ 12個DMA 數(shù)據(jù)傳輸通道，最大限度提升了系統(tǒng)性能

◆ Boot ROM

◆ 雙鎖相環(huán)，控制所有時鐘

◆ 看門狗定時器

◆ 2個通用16-bit定時器

◆ 1個通用32-bit定時器

◆ 1個40-bit調(diào)試用途定時器

◆ 通用I/O:16條有中斷功能的增強型GPIO

◆ 封裝：352-Pin PBGA

下圖是EP9315的結(jié)構(gòu)框圖。

2.U634H256-SA35

這是一顆32Kbyte x 8 的nvSRAM,35ns的訪問速度，德國ZMD公司生產(chǎn)的IC,專門用于環(huán)境比較苛刻的系統(tǒng)，溫度范圍寬（-40℃~+125℃）、抗干擾能力強，特別適合汽車這類環(huán)境條件的工業(yè)應(yīng)用。nvSRAM內(nèi)部有一套SRAM和一套FLASH,兩者在bit級別上一一對應(yīng)，運行時作為SRAM,掉電時作為FLASH存儲數(shù)據(jù)，并且提供3種SRAM至FLASH的數(shù)據(jù)存儲模式：掉電模式、硬件模式、軟件指令模式，以及2種FLASH至SRAM的數(shù)據(jù)召回模式：上電模式、軟件指令模式。

3. SSD硬盤

SimpleTech公司SSD硬盤，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、冗余存儲等穩(wěn)定性比較高的領(lǐng)域，SSD硬盤是用Flash加FPGA開發(fā)而成的，有以下特點：

◆ 持續(xù)讀/寫速度：Up to 60MB/s

◆ 44Pin IDE接口（2.5-inch），40Pin IDE接口（3.5-inch）

◆ 2.5-inch/3.5-inch的工業(yè)標準

◆ 符合ATA-5標準，支持PIO0-4,UDMA0-4

◆ Master/Slave跳線選擇

◆ 百萬次的擦寫周期

◆ 容量：從2GB到128GB

◆ 10年的數(shù)據(jù)保持時間

◆ 防震、防碰撞的鋁合金外殼

◆ 緊湊的設(shè)計，厚度僅為9.5mm

◆ 讀寫損耗均衡、壞塊管理算法專利

◆ 不穩(wěn)定供電時，具有可靠的運行保證

◆ 快速的初始化，固件可以現(xiàn)場升級

在可靠性方面有以下特點：

◆ 手動/自動的自診斷系統(tǒng)

◆ 可選的掉電保護電路

◆ EDC/ECC錯誤檢測和錯誤糾正

◆ SMART系統(tǒng)

汽車電子的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了無處理器的模擬技術(shù)階段、簡單的MCU的數(shù)字技術(shù)階段、16位MCU階段，現(xiàn)在正處于32位CPU、嵌入式處理器的SoC階段，其發(fā)展方向不可避免地會朝著FPGA的方向發(fā)展，越來越多地依靠強大的硬件平臺來處理越來越多的離散海量數(shù)據(jù)，使對汽車本身的控制越來越智能、越來越精確、越來越安全。