基于FPD-LINK III协议的车载多媒体数据传输平台化设计--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

基于FPD-LINK III协议的车载多媒体数据传输平台化设计

发表时间：2021/3/26 来源：《中国科技信息》2021年3月作者：于斯亮[1] 罗勐[2] 姜洪亮[3]

[导读] 随着人民生活水平的提高，消费者对汽车的信息和娱乐功能的要求日益增多。因此，汽车信息娱乐系统的功能和性能设计逐渐成为各大汽车制造商的研发重心。

上汽通用五菱汽车股份有限公司[1]     湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司柳州分公司[2][3]     广西柳州545007      于斯亮[1]   罗勐[2]    姜洪亮[3]    545007

摘要：随着人民生活水平的提高，消费者对汽车的信息和娱乐功能的要求日益增多。因此，汽车信息娱乐系统的功能和性能设计逐渐成为各大汽车制造商的研发重心。因车机厂供应商采用的系统不同，导致不同车型的多媒体系统各异；车载多媒体车机和显示屏间的数据通信机制各不相同，致使各车型的多媒体车机和显示屏无法实现互换互用。针对上述问题，本文提出一种面向车载多媒体系统屏机分离的设计方案，并基于该方案对车机、线束和显示屏之间的高速传输数据通讯方式进行平台化数据接口设计，实现了车载车机和显示屏的跨项目、跨车型完全互换。
关键词：车载多媒体；高速数据传输；FPD-LINK III；
        1屏机分离系统原理及硬件架构
        1.1系统架构
        整个系统由显示屏、高速传输数据线束、车机组成。
        显示屏主要由PCB板、MCU、电源管理芯片、图像解串芯片、触摸控制芯片、背光模组、触摸玻璃和相关的驱动软件，以及接插件和五金橡胶结构件构成。
        车机主要由PCB板、SOC、MCU、电源管理IC、图像解串芯片、总线模块芯片、音视频解码芯片、收音/蓝牙模块芯片、音效处理芯片等和相关的驱动软件，以及接插件和五金橡胶结构件构成。
高速传输数据线束为两对阻抗为100Ω的双绞信号线(DATA1+/DATA1-, DATA2+/DATA2-）和一对电源线（V+/GND），以及两个接插件。
        显示屏和车机的通讯是靠两颗图像解串芯片通过高速传输数据线束进行数据交流。

       1.2系统原理
        1.2.1图像显示功能实现
         车载车机的图像信息通过SOC推送给车载车机端图像串行芯片。车机端图像串行芯片将图像信息进行编码。通过高速传输数据线束传输给显示屏端图像解串芯片进行解码。在显示屏端的MCU的协调下，输出给TFT驱动芯片，驱动显示屏模块的阵列LED的颜色切换和灯光暗灭，以形成图像。
        1.2.2触摸控制功能实现
        触摸控制是在显示屏和车载车机交互过程中做一个中断、读取、反馈的系列动作。因此，显示屏和车机共同定义一个唤醒查询的信息电平，我们称之为CRQ电平。当手指触摸点击显示屏上的触摸区域，触摸板的电容感测层的电位发生变化，触摸控制感应芯片捕捉到触摸信息，并将信息发送给MCU。MCU得到信息后，拉低CRQ电平。车机监测到CQR电平出现低电平，则主动通过I2C读取显示屏端的触摸信息，并根据触摸信息做相应的反馈
        1.2.3数据传输方式及线束
        FPD-LINK III是一种抗干扰能力强，具有可传输I2C控制信号，并且具备高传输速率，兼具有低功耗、性能好、运行速度稳定等技术特点的数据传输技术。使用小振幅差分信号技术，低电压差分信号，广泛应用于主板和液晶屏接口。为了实现方案平台化，我们需对传输线束两端插件进行统一，车机端和显示屏端接插件防错扣位需一致，且针脚定义需按传输要求进行定义。
        1.2.4车机硬件
        实验车机采用两种不同硬件平台，主控芯片不同，操作系统也不同。1#车机的图像解串芯片为DS90UB949，输入信号为HDMI，采用Linux系统；2#车机的图像解串芯片为DS90UB941，输入信号为MIPI，采用Android系统。
        1.2.5显示屏硬件
        显示屏端也使用两种不同的硬件平台方案，但图像解串芯片均规定为DS90UB948，车机端可根据系统不同采用不同型号图像解串芯片。两种显示屏规格参数一致：分辨率为1920×720，尺寸为10.25英寸，显示技术为TFT，触摸类型为电容式触摸屏。
        2高速数据传输通讯协议
        2.1显示屏和车机控制握手操作流程
        为了达到不同平台/制造厂商的显示屏和车机之间能在互换后正常工作。我们需要平台化的规定它们之间的控制握手操作流程，包括：显示屏及车机上电初始化握手流程、触摸坐标点的信息交互流程、显示屏指令交互流程、显示屏断电流交互程。
        2.1.1触摸坐标点的信息交互流程
         1）显示屏发送显示屏startup完成状态（0X40 0X01），并等待车机发送startup完成状态（0X80 0X0）。如果2s内没收到车机发送的startup完成状态，则显示屏重发，直至车机接收显示屏startup完成状态（CMD_ID 0X40），并回应车机startup状态CMD_ID 0X80。
        2）重试3次，没有等到车机startup完成状态，则往下执行。
        3）显示屏发送版本号信息（CMD_ID 0X4B），车机接收。
        4）检测触摸操作，拉低CRQ，发送触摸信息。
        5）车机接收触摸信息并作出相应反馈。
        2.1.2显示屏背光指令交互流程
        1）车机主动关闭背光：当车机需要单独关闭显示屏背光时：车机发送“显示屏模式指令”，背光亮度“0”。显示屏关闭背光。
        2）显示屏主动调节背光：当显示屏需要调节背光时：显示屏发送“请求发送背光指令”。当车机收到“请求发送背光指令”时，应当发送“显示屏模式指令”来调背光。
        2.1.3显示屏断电交互流程
        1）车机发送显示屏工作模式。
        2）当显示屏收到指令后关闭背光LCD，保存数据。并发送反馈显示屏状态。
        3）车机收到显示屏状态，切断显示屏电源。如果车机在2s内没收到显示屏状态。则重试3次发送显示屏工作模式。
        2.2数据链路层定义
        两个电子器件之间进行彼此交互信息需要遵循相同的数据链路层定义。数据链路层定义包括：数据帧结构，通讯协议定义，以及中断处理机制。
        2.2.1通讯协议数据包和帧定义
        在本系统中主控端设备为车机，从动端设备为显示屏。我们需统一定义命令提示符名（CMD_ID）包含的指令和通讯协议。
        2.2.2中断请求信号CRQ处理逻辑规则
        一般情况下，车机为主控端，显示屏为从动端。因此，当显示屏发出主动请求车机读数据（如触摸坐标）需求时，需要定义一个中断请求信号（CRQ），通过中断请求信号(CRQ)的电平高低来主动通知车机读取显示屏信息。
        2.3显示屏上报坐标点规则
        为了能准确的定位触摸位置，保证车机和显示屏的信息一致，需要对显示屏的坐标点交互信息做规定：
        （1）显示屏上报的坐标点原点为LCD屏显示区域左上角，水平向右为X轴正方向，垂直向下为Y轴正方向；报点坐标对应LCD屏物理像素点。
        （2）显示屏报点起始点，屏亮时显示屏收到车机发来的CMD_ID 0x80并带参数0x01后，显示屏开始报点，如果没有收到会超时，超时后会正常报点。
        （4）关于显示屏触点信息缓存与多点触控信息的传输：超过两点的坐标是分成两完全独立的数据帧传送的，即CMD_ID:0x41(用标准帧)/0x42(用扩展帧),通常情况多点的0x41后会紧跟0x42
        （5）当触摸点少于等于两个时，只使用0x41 CMD报触摸点信息。
        单点触摸显示屏报点举例：Touch[1] X:439 Y:309
刚按下时报点数据：（标准帧）0x41 0x01 0x01 0xC0 0x01 0xB7 0x01 0x35 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0xF2。
        三点触摸显示屏报点举例：Touch[1] X:511,Y:247； Touch[2] X:277,Y:260； Touch[3] X:394 Y:228。
        刚按下时报点数据：（标准帧）0x41 0x03 0x01 0xC0 0x01 0xFF 0x00 0xF7 0x02 0xC0 0x01 0x15 0x01 0x04 0x09 0xE3。（扩展帧）0x42 0x03 0xC0 0x01 0x8A 0x00 0xE4 0x00 0x75。
        2.4显示屏背光及亮度控制
为保证各型号显示屏调节背光效果一致，输出到显示屏侧背光控制电路的PWM，对显示屏背光调节制定以下规则：
        （1）用户调节亮度变化时，每隔20ms占空比改变一次，直到调节到目标亮度为止，在500ms内调整到目标亮度。
        （2）车机通过“背光开关信号”关屏，显示屏从亮屏状态收到关屏信号到进入关屏状态，显示屏需在 30ms之内完成。
        （3）如果是从关屏状态到亮屏状态，每隔20ms占空比改变一次，直到调节到目标亮度为止，在500ms内调整到目标亮度。每间隔20ms调整的占空比步长，由显示屏侧进行计算。如果步长占空比只能是整数值调整，则按照整数进位的占空比调整，在最后一次调整时补足占空比余数。
        2.5数据读取和异常处理
        2.5.1车机主动读取显示屏状态信息
        为了保证车机和显示屏能及时交互信息，需要规定车机周期性读取显示屏的状态指令CMD_ID（0x46）数据。
        2.5.2关键触摸数据重发
        为了保证关键数据不被遗漏，需要规定当显示屏需要发送触摸的“Release”信号时，显示屏拉低CRQ通知车机来读取数据，如果车机没来读取，CRQ保持低电平100ms后变高，然后1S后重新拉低CRQ通知车机，重复1次。
        对触摸的其他信号,对CRQ进行一次拉低电平，如果在CRQ的100ms低电平时间内车机不来读取，该触摸信号将丢弃。
        2.5.3温度异常保护
        当显示屏检测到温度过高时，为了保护显示屏，会降低背光亮度，并把温度过高状态通知车机（拉低CRQ通知车机读取）。
        2.5.4电压异常
        当显示屏检测到电压状态变化时，显示屏把状态通知车机（拉低CRQ通知车机读取）。
        2.5.5显示屏软件升级
        显示屏是一个从动端设备，软件更新需要主控端设备推送，所以规定车机应能从U盘读取显示屏的升级文件，并通过LVDS给显示屏升级。
        3零件台架测试及推荐案例
        3.1信号测试
        3.1.1 FPD-LINK信号测试
        通过测量FPD-LINK信号，可以观察到具体图片下，每个RGB位的值。测量时需要用到两根差分探头，一根接TXCLKOUT，另一根接TXOUT[3:0]中的一个。
通过测量数据：（1）验证设计输出信号TXOUT[3:0]是否达到规格书需求。（2）通过测量找出差异点，改善设计。芯片规格书中要求差分信号的波形的幅值为VODp-p为200mV-540mV。
测试结果(如图2所示)眼高261.1mV，满足要求。

        3.1.2 FPD-LINK III信号测试
        通过测量FPD-LINK III信号可以：（1）评判车机端送给产品的输入信号质量。（2）评判使用的线束对信号的影响。规格书中要求眼高300mV（RL=100Ω时）。
        3.1.3电源输出纹波测试
        在理想情况下，直流输出电源的电压为固定值。但实际工况中，它会包含着一些滤波、整流后的交流成分。这种电源输出的文波会影响芯片工作。标准：
       （1）+12V电源输出的纹波（Vp-p）不得超过120mV。
       （2）+3.3V、+5V的纹波（Vp-p）不得超过50 mV。
        3.1.4IIC信号测量：
         IIC作为芯片之间的通讯总线，其信号质量决定信号传输的准确性，所以必须对已经完成的系统进行IIC信号质量测试。测试结果如下

        3.1.5试验样品测试结果
        测试相关信号正常是保证通讯稳定的前提，任何方案都需要经历实践的验证。故，
        1）分别给显示屏和车机安装对应软件。
        2）给车机提供12V直流电源，显示屏和车机使用高速传输线束连接。如图3和图4所示，测试过程分别为1/2号显示屏分别匹配1/2号车机，其结果显示屏幕可以点亮，触摸切换和显示功能正常。证明不同的显示屏和车机可以通过本案达到互换的目的。

4结语
本文基于FPD-LINK数据传输技术，建立车载多媒体屏机分离方案，实现了车载多媒体车机和显示屏分离。本案使用平台化的接口和标准化的协议通讯，解决了不同配件供应商的车载多媒体车机和显示屏不能互换问题，提高了零件复用率，降低的车机厂成本。为我国汽车事业贡献一份力量。
五、参考文献
[1]TI Design.具有成本效益的车载信息娱乐系统设计[EB/OL].
[2]师沙沙.车载信息娱乐系统设计研究[J].科技创新与应用.2015第24期.45-45页
[3]毕霜，杨勇.LVDS技术及其在多信道高速数据传输中的应用[J].现代教育科学：高教研究，2008年 S1期，109-109页；
[4]张宇.车载多媒体ECU硬件系统设计与实现[D].南京:南京理工大学,2013;