Funzioni audio e video integrate per l’auto

Lo sviluppo della moderna elettronica automotive, in particolare il settore dell'infotainment, deve gestire, da un lato, le tensioni esistenti tra richieste di maggiore funzionalità, comfort, flessibilità e sicurezza e, dall'altro, le pressioni per ridurre i tempi di sviluppo e i costi. Ad esempio, nel 1980 un'auto di lusso era dotata di radio con amplificatori. Nel 2005 il modello equivalente vantava fino a 12 componenti multimediali diversi, tra cui radio, lettore Cd/Dvd, telefono, sistema di navigazione e vari display Tft. Inoltre i veicoli moderni devono soddisfare severi criteri di sicurezza e affidabilità e le esigenze di mercato di molti paesi diversi tra loro.
La velocità dell'industria ha portato a varie misure per gestire le opposte pressioni inerenti il processo di sviluppo. Ad esempio, il ricorso alla standardizzazione dell'hardware (interfacce o sistemi bus nel veicolo) e alla modularizzazione dei componenti è aumentato sempre più con l'obiettivo di semplificare il design di varie configurazioni e consentire processi di produzione conformi ad usi e mercati specifici. A seguito dell'avvicinamento tra mondo multimediale e settore automotive e dell'aumento dei requisiti commerciali e normativi è nata tutta una serie di standard (a volte contrapposti), ad esempio I2S (Inter-IC Sound), I2C (Inter-IC), MediaLB (Media Local Bus), Most (Media Oriented Systems Transport), 1394 Automotive, USB, Ethernet, Can e FlexRay. Fujitsu, in qualità di produttore di semiconduttori, aderisce a tutti gli standard in materia di hardware e offre sempre più software e relativi servizi di assistenza. La sua offerta include moduli integrati per tutte le interfacce importanti, nonché soluzioni gateway tra i vari sistemi.

Un'interfaccia per la comunicazione a bordo auto
Il microcontrollore MB91F467M fa parte della serie MB91460 di Fujitsu e comprende interfacce Can, I2S, I2C e MediaLB appositamente ideate per la comunicazione veicolare. Altri microcontrollori della famiglia MB91460 possono supportare fino a sei interfacce Can, 12 Lin e/o FlexRay. Il dispositivo MB91F467M consente la perfetta connessione tra sistema audio e bus Most del veicolo. I dati possono essere trasferiti dal bus Most fino a dieci interfacce I2S, mentre lo scambio delle informazioni di controllo può avvenire tra I2C e Can, oltre che con il sistema bus Most. Questo controller offre anche molte altre interfacce di comunicazione (Lin-USART), Ppg, Adc e diversi timer per il trasferimento di altri task al sistema di infotainment. L'architettura della Cpu a elevate prestazioni, che comprende una memoria flash on-chip da 1 MB e 64 KB di Ram, garantisce l'esecuzione di tutti questi task su un solo chip.

Implementazione delle interfacce
MediaLB e I2S su MB91F467M

La vasta gamma di applicazioni di infotainment veicolari disponibili, oltre alla crescente domanda di trasmissione su banda larga di dati audio, video e di controllo, ha portato alla nascita di una potente “infotainment backbone”. Oggi la tecnologia Most svolge questo compito in più di 50 modelli di auto. La connessione di un'applicazione a un bus Most avviene normalmente in forma di soluzione a 2 chip. Innanzi tutto la connessione fisica all'anello Most e il livello più basso di comunicazione (Low Level System Services, NetServices Layer 1) sono implementati su un controller Inic (Intelligent Network Interface Controller) prodotto da SMSC. Quindi un controller host esterno, ad esempio l'MB91F467M, elabora i livelli di protocollo più alti (NetServices Layer 2, Api).
All'inizio la comunicazione tra host e Inic avveniva mediante I2C e interfacce parallele. Ora invece si prevede che l'interfaccia MediaLB, insieme alla relativa interfaccia software Api, diventi lo standard.
L'interfaccia MediaLB è più facile da inserire in una tecnologia logica di un'interfaccia Most completa. Inoltre usando una soluzione a 2 chip si ottiene un certo livello di disponibilità a lungo termine. Con la relativa Api, lo standard MediaLB dovrebbe anche garantire l'accesso a tutte le versioni future di Most e Inic. MediaLB è un bus a 3 fili seriale sincrono. Definito da SMSC, è lo sviluppo di standard precedenti (es. I2C, I2S e Spi). Normalmente il bus master è l'Inic. È possibile connettere altri componenti a un sistema MediaLB che opera in sincronia con la rete Most. Supporta tutti i metodi di trasferimento dati Most e consente il funzionamento a diverse velocità di trasmissione, attualmente fino a 1024F. L'interfaccia MediaLB è costituita dalle seguenti tre connessioni:

•    MLBCLK: segnale di clock generato dall'Inic in sincronia con il bus Most, funge da sorgente di clock per tutto il sistema MediaLB
•    MLBSIG: linea bidirezionale per il trasferimento di indirizzi, comandi e informazioni di stato
•    MLBDAT: linea per l'effettivo trasferimento dei dati

Il trasferimento dei dati avviene in frame. In base alla velocità di trasferimento, un frame è formato da 8 a 32 canali fisici ognuno dei quali è lungo 4 byte (definiti quadlet). I canali fisici vengono assegnati a canali logici attraverso l'indirizzo del canale. Ogni canale definisce un trasferimento unidirezionale da un mittente verso uno o più destinatari.
Quando si implementa un'interfaccia MediaLB su un microcontrollore o un processore, è essenziale tener conto del numero di canali e delle velocità di trasmissione da supportare. Il tipo e la velocità del processo interno determinano il numero di buffer interni necessari per evitare una perdita di dati. Questo in definitiva determina l'area del chip e, di conseguenza, il costo dell'interfaccia. Una variante è il supporto di 16 canali e un buffer locale di 8 KB che è complesso come un'interfaccia Can, con spazio per 32 messaggi. Anche la sincronizzazione tra l'MLBCLK e il clock interno è cruciale. L'interfaccia MediaLB implementata sul dispositivo MB91F467M può gestire stream di dati sincroni, pacchetti di dati asincroni e dati di controllo ed è composta dai seguenti componenti:
•    funzione MediaLB, supportata da 15 canali con velocità di trasmissione di 256F e 512F e un buffer locale di 2000 parole (32 bit);
•    generatore di clock;
•    connessioni a due sistemi bus on-chip, alla Cpu e direttamente alle interfacce I2S. Un modulo Dma consente il trasferimento dei dati senza influire sulla Cpu.

Il generatore di clock contiene un suo Pll per consentire la generazione dell'impulso di clock maggiore, necessario per elaborare i dati audio indipendentemente dal clock della Cpu. Con velocità di trasmissione di 512F, tale impulso deve essere fissato a 64MHz o maggiore. Vengono forniti anche i circuiti per monitorare l'MLBCLK e i problemi di segnale.

Lo standard Inter-IC Sound
Lo standard I2S (Inter-IC Sound), sviluppato da Philips, è un bus seriale per la trasmissione unidirezionale di dati audio stereo. Il bus è costituito da tre segnali:
•    SD - la velocità dei dati dipende dall'applicazione (con un CD sarebbe 44100*16bit*2 = 1.4Mbit/s ad esempio) e dalla capacità del mittente e dei destinatari
•    SCK - clock specificato dal master
•    WS - word select (per distinguere il canale destro e sinistro).

Le informazioni di controllo devono essere trasferite in altri modi, ad esempio tramite I2C. L'MB91F467M ha 10 interfacce I2S in grado di funzionare come mittente o destinatario. Se necessario, le interfacce dell'MB91F467M possono fungere anche da master I2S e produrre il clock di trasmissione. La lunghezza dei dati è variabile (da 3 a 16 bit). L'MB91F467M offre anche otto moduli I2C per il trasferimento dei dati di controllo. Il dispositivo MB91F467M presenta anche una connessione diretta tra l'interfaccia MediaLB e le interfacce I2S che opera mediante una memoria Fifo e può funzionare in entrambe le direzioni per DMA, senza interazione della Cpu. Tale connessione diretta è la caratteristica determinante dell'MB91F467M che può funzionare come gateway.

Uso del dispositivo MB91F467M come gateway
L''MB91F467M può essere utilizzato come gateway in un sistema audio veicolare. Un'applicazione prevede il trasferimento di dati audio tra il bus Most, connesso tramite MediaLB, e fino a dieci fonti o target di dati audio (ad esempio radio, lettori CD e altoparlanti) connessi mediante bus I2S. Ecco perché l'MB91F467M offre molte possibilità. Il modulo MediaLB del dispositivo MB91F467M può operare nelle modalità IO e Dma, oltre che nella modalità loopback per i test. Nella modalità IO la Cpu assume il controllo e può trasferire i dati da o verso la MediaLB locale e i buffer I2S o altre interfacce e memorie e, se necessario, anche manipolarli. La modalità Dma è più adatta all'uso come gateway. In questo caso i dati vengono trasmessi mediante la memoria Fifo, direttamente tra MediaLB e le connessioni I2S selezionate, senza influire sulla Cpu o subire ritardi dalla Cpu. Un circuito di configurazione esteso consente alle singole interfacce di operare con molta flessibilità. Esistono, ad esempio, due modalità Dma: la modalità “ping pong buffer”, che lavora con interrupt ed è molto adatta al trasferimento di pacchetti di dati, e la modalità “circular buffer” utilizzata per trasferire stream di dati sincroni. Un'altra applicazione prevede il trasferimento di informazioni di controllo tra Can e Most. A questo scopo il modulo MediaLB lavora nella modalità IO e i dati vengono trasferiti dalla Cpu da un'interfaccia all'altra. Ad esempio, si può utilizzare un sensore per determinare quando il contenuto del serbatoio scende al di sotto di un certo livello. La Mcu collegata al sensore lancia, tramite la Can, un messaggio che viene inviato al display del cruscotto ed emesso come segnale acustico attraverso un altoparlante collegato al bus Most. Una caratteristica particolare del dispositivo MB91F467M è la “modalità shutdown”. Quando il sistema non è in uso, non può usare corrente, ma all'occorrenza deve ritornare attivo molto velocemente. L'MB91F467M può essere impostato in modo che tutti i circuiti siano separati dall'alimentazione, tranne la Ram on-chip e la logica di wake-up, sospendendo così l'uso della corrente. Essendo i dati conservati nella Ram e nella memoria flash, viene garantito un rapido riavvio. Il bus esterno MB91F467M può avere molti altri impieghi, a parte l'espansione della memoria interna. Consente infatti di connettere e controllare i controller grafici Fujitsu, ad esempio per rappresentare graficamente le informazioni ricevute tramite il bus Most.

Un'ambiente di sviluppo completo
Fujitsu offre sia l'ambiente di sviluppo hardware (sistema di emulazione, starter kit) che i tool di sviluppo software (IDE con compiler, linker, ecc.) per il dispositivo MB91F467M. Come per le altre Mcu MB91460, esistono diversi componenti software (driver, OS) da utilizzare con l'MB91F467M e demo software di Fujitsu o suoi partner. È anche disponibile una scheda di valutazione, oltre al demo software. Oltre al dispositivo MB91F467M, altri IC Fujitsu sono dotati di interfacce MediaLB, come il controller grafico MB86R01 (Jade); altri componenti sono in corso di sviluppo.

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