摘" 要： 隨著汽車電子技術(shù)的進步，F(xiàn)PD?Link Ⅲ作為高速串行視頻傳輸接口，正廣泛應(yīng)用于智能座艙系統(tǒng)。為對其進行檢測，提出一套基于DS90UB948解串芯片的FPD?Link Ⅲ視頻處理方案。系統(tǒng)采用ZYNQ作為處理核心，對解串芯片輸出的并行信號進行圖像壓縮拼接和輸出，輸出的拼接視頻流用于實時顯示。采集的單路圖像用于質(zhì)量檢測，通過圖像相似度算法進行定量分析。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)可正確接收、處理三路FPD?Link Ⅲ視頻流，拼接圖像連貫流暢，采集圖像清晰；并且SSIM圖像相似度算法可準確定位異常通路，滿足了FPD?Link Ⅲ的質(zhì)量驗證要求，為構(gòu)建高階智能駕駛仿真測試平臺的圖像采集與傳輸提供了技術(shù)支持與保障。

關(guān)鍵詞： FPD?Link Ⅲ； 智能座艙； 座艙域控制器； 視頻壓縮； 視頻拼接； SSIM

中圖分類號： TN919?34； TP274" " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2025）02?0021?08

Design of intelligent cockpit domain controller FPD?Link Ⅲ detection system

WU Bin1， ZHENG Yongjun1， WANG Xueying1， GUO Bin1， 2

（1. College of Metrology amp; Measurement Engineering， China Jiliang University， Hangzhou 310018， China;

2. Wolei Intelligent Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310018， China）

Abstract： With the progression of automotive electronic technology， FPD?Link Ⅲ， as a high?speed serial video transmission interface， is extensively employed in intelligent cockpit systems. In order to conduct its examination， a FPD?Link Ⅲ video processing solution based on the DS90UB948 unstring chip is proposed. In this system， ZYNQ is used as the processing unit to compress， splice， and output the parallel signals output by the unstring chip. The output splice video stream is used for real?time display. The collected single image is used for quality detection， and the image similarity algorithm is used for the quantitative analysis. The experimental results show that the system can receive and process three channels of FPD?Link Ⅲ video streams correctly， providing coherent and smooth spliced images along with clear captured images. The SSIM image similarity algorithm can accurately locate abnormal paths， meet the quality verification requirements of FPD?Link Ⅲ， and provide technical support and guarantee for image acquisition and transmission of the construction of high?level intelligent driving simulation test platform.

Keywords： FPD?Link Ⅲ; intelligent cockpit; cockpit domain controller; video compression; video stitching; SSIM

0" 引" 言

隨著汽車電子技術(shù)的不斷進步，汽車行業(yè)正迎來一場巨大的變革。汽車已經(jīng)從簡單的機械交通工具變成復雜的移動平臺，現(xiàn)代汽車智能座艙中液晶顯示器、車載娛樂系統(tǒng)及駕駛信息顯示屏不斷增多，為駕駛員和乘客提供了豐富的信息和娛樂方式[1?3]，但也對視頻傳輸帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的視頻傳輸接口有USB、MIPI、Camera Link等。其中USB傳輸帶寬低，難以滿足高清視頻傳輸需求；MIPI傳輸距離有限，對電磁干擾較為敏感；Camera Link雖提供了高帶寬，但是抗干擾性差、成本較高，難以用于工業(yè)量產(chǎn)[4?5]。相比之下，F(xiàn)PD?Link接口集高帶寬、抗干擾性以及成本效益于一身。發(fā)展到第三代的FPD?Link Ⅲ芯片組滿足AEC?Q100汽車可靠性標準和ISO?10605電磁兼容性標準，為車載攝像系統(tǒng)、顯示器面板等圖像傳輸[6?8]提供了解決方案，其應(yīng)用領(lǐng)域還擴展至醫(yī)療、航空工程的圖像傳輸[9?10]，得到了這些行業(yè)的高度認可。盡管FPD?Link Ⅲ在視頻傳輸領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力，但現(xiàn)有研究主要集中于視頻傳輸、重構(gòu)與顯示[11]等方面，對于FPD?Link Ⅲ的檢測仍處于空白階段。在現(xiàn)有文獻中，缺乏針對這方面的全面檢測方案，工業(yè)上往往依賴人工進行視頻流暢性和眼圖完整性判斷，但這種方式不僅效率低下，且缺乏統(tǒng)一的檢驗方法，容易受到主觀判斷影響，導致檢測結(jié)果不穩(wěn)定。因此，研究一種對汽車域控制器FPD?Link Ⅲ接口可靠性的高效測試方案勢在必行。

本文就某公司的智能座艙域控制器，提出了一種基于ZYNQ 7000與DS90UB948的三路FPD?Link Ⅲ的檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過HDMI進行三路視頻拼接顯示，并采用以太網(wǎng)進行視頻圖像采集，最后使用圖像相似度比對來完成FPD?Link Ⅲ功能性測試。

1" FPD?Link介紹及系統(tǒng)整體設(shè)計

FPD?Link Ⅲ是由TI公司研發(fā)的一種點到點高速串行視頻接口標準，可實現(xiàn)多通道無損視頻傳輸。它通過雙絞線或同軸線纜進行低壓差分傳輸以抑制共模噪聲，來獲得更遠的傳輸距離。根據(jù)FPD?Link Ⅲ傳輸協(xié)議，其線纜上主要傳輸電力和圖像數(shù)據(jù)、時鐘、狀態(tài)與控制信息。FPD?Link通過時分復用技術(shù)完成線纜上的正反通道疊加，正向通道使用8b/10b編碼進行高速視頻數(shù)據(jù)和部分控制信息的傳輸，反向通道進行低速狀態(tài)和控制信息傳輸。接收端IC集成解串器進行串/并轉(zhuǎn)換、時序恢復等操作。圖1為FPD?Link Ⅲ的典型應(yīng)用。

某公司提供的智能座艙域控制器有多種接口，涵蓋了圖像與顯示、感知與檢測、導航與通信等功能。其儀表屏、中控屏、下控屏均采用FPD?Link Ⅲ接口輸出1 920×720、30 Hz的視頻。為了高效檢測這三路輸出，所設(shè)計的整體測試結(jié)構(gòu)如圖2所示，將智能座艙域控制器置于高溫箱模擬實車工作環(huán)境。板卡同時接收、處理三路FPD?Link Ⅲ視頻，拼接視頻流通過HDMI接口傳輸至顯示器，以方便測試人員實時觀測多路信號；板卡同時通過網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送單路視頻圖像至上位機進行接收采集，接著通過數(shù)據(jù)處理模塊完成對采集圖像的自動檢測和判斷。

2" 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了對智能座艙域控制器FPD?Link Ⅲ信號進行解串、處理和輸出，設(shè)計板卡的總體結(jié)構(gòu)，見圖3。為了模塊化設(shè)計與標準化設(shè)計，板卡主要由視頻板卡底板與搭載的核心處理板構(gòu)成。智能座艙域控制器輸出的三路FPD?Link Ⅲ信號經(jīng)過3顆解串芯片，得到FPD?Link Open LDI格式的LVDS信號。ZYNQ對3組LVDS信號進行處理，并用雙通道DDR3進行緩存，同時還負責外圍設(shè)備的通信與配置。最后圖像通過HDMI和LAN進行輸出。

2.1" FPD?Link Ⅲ解碼設(shè)計

作為TI公司開發(fā)的高速串行視頻接口協(xié)議，解碼模塊采用專用的DS90UB948芯片完成FPD?Link Ⅲ至并行的FPD?Link Open LDI的LVDS接口轉(zhuǎn)換設(shè)計，以確保最佳性能與兼容性。該芯片支持最高192 MHz像素時鐘頻率，并能實現(xiàn)2K分辨率的視頻處理，自動時鐘對齊和補償功能簡化了系統(tǒng)設(shè)計并提高了信號的穩(wěn)定性。以芯片手冊為指導并結(jié)合實際應(yīng)用，設(shè)計的DS90UB948芯片部分原理圖如圖4所示。

在設(shè)計中，PDB引腳被設(shè)置為高電平以使能芯片。由于FPD?Link Ⅲ信號源與芯片間存在電位差，因此芯片輸入端RIN0±和RIN1±需串聯(lián)33 nF的AC耦合電容以提供直流隔離。采用分壓電阻將MODE_SEL0設(shè)置在0.757 V，并將MODE_SEL1接地使芯片工作在STP輸入、單路OLDI輸出模式下。為區(qū)分3顆解串芯片，分別將IDx引腳電壓設(shè)置成0 V、0.559 V、0.757 V，以設(shè)定初始I2C地址。為了增強信號的完整性并減少傳輸過程中的信號衰減，每對差分數(shù)據(jù)與時鐘信號都通過100 Ω的終端匹配電阻以實現(xiàn)阻抗一致。最后通過引出LOCK信號顯示內(nèi)部時鐘數(shù)據(jù)，恢復電路工作狀態(tài)。

2.2" 其余模塊與整體圖

為適配機柜統(tǒng)一的DC 24 V電源，本文采用分級降壓獲取各芯片所需供電。第一級采用LMR33630芯片將24 V降至5 V，第二級采用TPS563201芯片將5 V降至3.3 V、1.8 V和1.2 V。分級降壓設(shè)計不僅確保了轉(zhuǎn)換效率，還有利于后期進行故障排查。網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊采用RTL8211芯片，其支持千兆以太網(wǎng)通信和嵌入式自診斷。

RTL8211芯片采用25 MHz晶振為時鐘參考，并通過RGMII接口連接ZYNQ，同時通過MDI差分對連接網(wǎng)絡(luò)變壓器。

在對外圍的指示燈模塊、JTAG、電平轉(zhuǎn)換模塊等進行設(shè)計布局之后，為了適配機柜的槽位尺寸，視頻板卡整體設(shè)計如圖5所示。

板卡左側(cè)為三路FPD?Link Ⅲ接口，中間部分采用2個100 PIN與1個60 PIN基板連接器與核心處理板相連；右側(cè)通過2個接插器接至外部電源，輸出至外部的RJ 45網(wǎng)口與HDMI接口。板卡采用四層板設(shè)計，分區(qū)建立功率地和電源地鋪銅區(qū)域，以降低不同地線間的電磁干擾。螺絲孔位與板卡EARTH網(wǎng)絡(luò)相連以保持接地。

3" 系統(tǒng)軟件設(shè)計

ZYNQ?7000系列融合了FPGA和ARM，內(nèi)部分別有PL和PS模塊，可發(fā)揮各部分優(yōu)勢來完成軟件層面的設(shè)計。圖6為本次程序結(jié)構(gòu)框圖，主要由LVDS to RGB、DMA_WR、DMA_RD、視頻模塊構(gòu)成。輸入的D0～D3差分數(shù)據(jù)與差分時鐘LVDS信號通過LVDS to RGB模塊得到像素數(shù)據(jù)及時鐘、使能標志信號。數(shù)據(jù)通過由FIFO封裝的DMA_WR和DMA_RD模塊，經(jīng)片內(nèi)AXI4總線訪問掛載在PS端的DDR3進行緩存。PL同時將單幀視頻圖像存入BRAM內(nèi)。PS端使用AXI4協(xié)議同步讀取位于BRAM內(nèi)的視頻圖像數(shù)據(jù)，通過RGMⅡ協(xié)議發(fā)送至RTL8211FD，完成以太網(wǎng)的傳輸。PL端對DDR3緩存的數(shù)據(jù)進行處理拼接后，配合HDMI的時序驅(qū)動與顯示程序，完成HDMI的圖像輸出。

3.1" LVDS to RGB模塊

在解串芯片配置條件下，F(xiàn)PD?Link Ⅲ的解串時序圖如圖7所示。輸入ZYNQ的差分時鐘遵循4∶3的占空比，每一幀包含了28像素時鐘及RGB888像素數(shù)據(jù)與行場同步、使能信號。每一幀都從2個像素時鐘的高電平開始，并包含之后的3個像素時鐘低電平，以下一幀2個高電平結(jié)束。

LVDS to RGB模塊設(shè)計在遵循賽靈思官方文檔XAPP585的基礎(chǔ)上，通過參數(shù)調(diào)整和時序優(yōu)化以保證處理FPD?Link Ⅲ視頻流的高穩(wěn)定性和低延遲。該模塊的程序框圖如圖8所示，使用IBUFGDS和IBUFDS模塊作為輸入緩沖器，將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號。其中一路單端時鐘數(shù)據(jù)用于MMCM，生成包括ISERDES采樣時鐘和像素時鐘等時鐘；剩余單端時鐘和單端數(shù)據(jù)通過IDELAYE2模塊完成時序校準后，通過ISERDESE2模塊變成并行4位數(shù)據(jù)。受限于架構(gòu)，ISERDESE2模塊只能完成1∶2、1∶4的轉(zhuǎn)換，而本設(shè)計需要4∶7的非標轉(zhuǎn)換，所以需通過Gearbox模塊完成4∶7的速率轉(zhuǎn)換，最終恢復出4通道共28位的數(shù)據(jù)。按圖7時序圖對其進行提取組合即可得到RGB數(shù)據(jù)和行場同步、使能信號。

3.2" DMA讀寫模塊

由于DDR3掛載在PS端，因此PL端需通過AXI4?DMA（Direct Memory Access）進行內(nèi)存數(shù)據(jù)的訪問[12]，利用DMA高效、低延遲的傳輸能力，完成高帶寬FPD?Link Ⅲ數(shù)據(jù)的實時讀寫。因為讀寫模塊邏輯近乎鏡像，主要介紹DMA_WR模塊。該模塊主要由DMA PS端配置、DMA讀信號、DMA控制信號和DMA FIFO信號構(gòu)成，通過異步FIFO完成跨時鐘域的數(shù)據(jù)傳輸。來自LVDS to RGB的RGB888數(shù)據(jù)以pixel_clk為時鐘參考存入FIFO，以PS端的ui_clk為參考進行數(shù)據(jù)讀取。該模塊使用異步FIFO配合DMA寫狀態(tài)機完成數(shù)據(jù)的突發(fā)寫。為了傳輸一幀1 920×1 080的圖像，每個像素數(shù)據(jù)為4 B，需傳輸8 294 400 B數(shù)據(jù)，以128位寬的DMA來傳輸，總突發(fā)長度為518 400。為了減少數(shù)據(jù)丟失風險，在DDR內(nèi)設(shè)立8個緩沖區(qū)，每一個緩沖區(qū)存放一幀視頻圖像，因此DDR內(nèi)每一路FPD?Link Ⅲ視頻圖像存儲必須單獨留出至少'h3F4_8000空間。在對DMA突發(fā)長度進行定義之后，DMA各參數(shù)配置如表1所示。

在異步FIFO完成對跨時鐘域的數(shù)據(jù)緩存后，還需通過狀態(tài)機將數(shù)據(jù)發(fā)送至端口。如圖9所示，DMA寫狀態(tài)機抓取LVDS to RGB模塊輸出的行同步上升沿作為開始信號，經(jīng)一段時間的等待完成FIFO的復位，待FIFO正常工作之后，拉高dma_wr_en信號，寫狀態(tài)機從空閑S0進入DMA突發(fā)寫判斷S1狀態(tài)。首先使用突發(fā)次數(shù)計數(shù)器來判斷是否為最后一次讀寫，以確定本次突發(fā)寫數(shù)據(jù)個數(shù)，同時輸出緩沖區(qū)計數(shù)器值以確定當次寫地址；接著采用FIFO讀數(shù)據(jù)計數(shù)器來判斷是否夠一次突發(fā)傳輸，若外部DMA同處于空閑狀態(tài)，便可進行DMA突發(fā)寫請求，并跳轉(zhuǎn)至DMA寫請求狀態(tài)機S2。待外部DMA忙碌時，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)至S3寫等待狀態(tài)。當外部DMA寫響應(yīng)完成時，重新跳轉(zhuǎn)至突發(fā)寫判斷S1狀態(tài)，開始新一輪的寫入。

3.3" 視頻模塊

智能座艙域控制器單路FPD?Link Ⅲ為1 920×720、30 Hz視頻輸出。為將三路視頻同時顯示在1 920×1 080分辨率的顯示器上，需進行視頻的壓縮和拼接。

在頂層模組配置中，DMA_RD模塊異步FIFO讀位寬為64，圖像拼接模塊像素數(shù)據(jù)位寬為32。由于位寬不匹配，DMA_RD模塊每次讀出的兩個32位像素點數(shù)據(jù)，在傳入圖像拼接模塊高位都會被舍棄。通過間隔一位丟棄一個像素，完成了單幅圖像像素總數(shù)的對半壓縮，宏觀上即為1 920×1 080至1 920×540的畫幅轉(zhuǎn)變。視頻拼接模塊使用HDMIDRIVE模塊生成的像素坐標信號pixel_x、pixel_y，將顯示區(qū)域按田字格均勻劃分成4個區(qū)域。視頻拼接模塊框圖如圖10所示，當像素坐標處于某區(qū)域時，將該路壓縮完的像素數(shù)據(jù)賦值給HDMI_RGB；當像素坐標處于該區(qū)域之外時，該路像素數(shù)據(jù)被舍棄，HDMI_RGB由對應(yīng)路像素數(shù)據(jù)替代。通過區(qū)域劃分并選擇輸出，完成了1 920×540至960×540的畫幅轉(zhuǎn)變，使得1 080P顯示器能同時顯示三路FPD?Link Ⅲ視頻流。

若三路DMA_RD中的FIFO只按LVDS to RGB模塊的RGB像素鎖定信號來讀取，會因同時讀取速度過快而出現(xiàn)像素錯位、畫面撕裂的問題，所以需定義使能信號分別控制各路FIFO讀取使能。當像素行場坐標處于上半幅位置時，只有通道1、2的FIFO讀取；當顯示到下半幅圖像時，通道3的FIFO才能進行讀取。這樣設(shè)計不僅確保了時序無誤，還配合高效的間隔像素丟棄壓縮策略，確保了圖像的連續(xù)和完整。簡潔的模塊設(shè)計不僅提高了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，還使其更易調(diào)試與優(yōu)化。最終視頻拼接模塊輸出的HDMI_RGB配合HDMI驅(qū)動與顯示模塊，完成壓縮視頻圖像的輸出。

4" 測試結(jié)果與分析

為了對軟件關(guān)鍵模塊的正確性進行評估，采用Testbench進行波形仿真，并通過ILA探針進行信號抓取驗證，得到的波形如圖11所示。

對于LVDS to RGB模塊，Testbench模擬了解串芯片輸出的89 MHz差分時鐘與623 MHz數(shù)據(jù)信號輸入。該模塊能正確恢復出與原頻率相同的rgb_clk。像素數(shù)據(jù)與使能信號經(jīng)9個rgb_clk周期處理后同步輸出。對于DMA_WR模塊，當DMA空閑且FIFO內(nèi)部數(shù)據(jù)個數(shù)超過一次突發(fā)傳輸個數(shù)，狀態(tài)機進行跳轉(zhuǎn)進入寫模式，DMA進入忙碌狀態(tài)。FIFO內(nèi)部數(shù)據(jù)逐漸減少至一次突發(fā)傳輸完成后，DMA重回空閑狀態(tài)并開始等待下一次傳輸。

系統(tǒng)關(guān)鍵模塊測試無誤后，實物測試平臺搭建如圖12a）所示。智能座艙域控制器通過FPD?Link Ⅲ線纜連接至測試板卡，經(jīng)板卡處理的數(shù)據(jù)分別通過HDMI和以太網(wǎng)傳輸至顯示器和上位機。三路拼接圖像如圖12b）所示，上位機單通道采集圖像如圖12c）所示。從檢測結(jié)果來看，系統(tǒng)可正確接收處理三路FPD?Link Ⅲ視頻流。顯示器上拼接的1 080P視頻顯示流暢，畫面無撕裂；上位機能快速切換、顯示并采集各路未壓縮的視頻圖像，以進行FPD?Link Ⅲ質(zhì)量檢測。由于工業(yè)現(xiàn)場需對多個域控制器進行同時自動化檢測，而采用人力進行逐路檢測效率低下、易產(chǎn)生主觀偏差，因此在FPD?Link Ⅲ自動化測試中，采用SSIM算法實現(xiàn)圖像相似度檢測。其相似度檢測函數(shù)如下：

[SSIM（x，y）=l（x，y）α?c（x，y）β?s（x，y）γ] （1）

[l（x，y）=2μxμy+C1μ2x+μ2y+C1] （2）

[c（x，y）=2σxσy+C2σ2x+σ2y+C2] （3）

[s（x，y）=σxy+C3σxσy+C3] （4）

式中：[l（x，y）]為亮度比較；[c（x，y）]為對比度比較；[s（x，y）]為結(jié)構(gòu)比較；通過三個不同的權(quán)重系數(shù)[α、β、γ]完成整體的SSIM指數(shù)評定。相較于其他算法，SSIM不僅考慮像素值差異，還充分考慮了亮度、對比度和結(jié)構(gòu)三個方面的信息，使其更加接近人類感知[13]。SSIM值映射至主觀意見評分MOS如表2所示[14]。

智能座艙域控制器FPD?Link Ⅲ輸出的儀表圖像只有時鐘顯示區(qū)域發(fā)生變化，通過區(qū)域分割，將采集圖像劃分為時鐘變化動態(tài)區(qū)域和靜止圖像區(qū)域。動態(tài)區(qū)域變化的總時間像素點約為35 000個，將周圍像素值代入時間像素點，得到SSIM值約為0.956。

由此并結(jié)合表2給出：測試圖像的SSIM評價標準為靜態(tài)區(qū)域≥0.99，動態(tài)區(qū)域gt;0.956。與此同時，對動態(tài)區(qū)域變化時鐘進行OCR提取識別，若提取字符也符合YYYY?MM?DD HH?MM?SS時間格式，則輸出pass以示測試通過。

部分測試數(shù)據(jù)如表3所示。

對測試記錄進行檢查，發(fā)現(xiàn)一路盡管時間識別正確，但靜態(tài)與動態(tài)區(qū)域SSIM值均顯著偏小，檢查如圖13所示的通道采集圖像，發(fā)現(xiàn)有條狀缺陷。結(jié)合自動化檢測報警機制，測試人員只需查看報警信息，即可快速從多個被測產(chǎn)品中定位異常通路并進行故障排查，大大提高了檢測與故障響應(yīng)效率。lt;E：＼未做件＼現(xiàn)代電子技術(shù)202502＼Image＼22T12.tifgt;

5" 結(jié)" 語

相較于傳統(tǒng)視頻接口，F(xiàn)PD?Link Ⅲ因其高速率、差分傳輸與串行編碼等特點，目前尚無成熟的檢測方案。本文設(shè)計系統(tǒng)借助ZYNQ強大的并行處理能力與定制化優(yōu)勢，高效完成多路智能座艙域控制器FPD?Link Ⅲ信號的接收與恢復。本文通過時間格式比對和設(shè)置，以0.956與0.99為SSIM相似度閾值，給出了圖像質(zhì)量評價方案，其相較于其他算法更加貼近人眼主觀感受，最終實現(xiàn)了對FPD?Link Ⅲ信號質(zhì)量與完整性的自動化檢測與判斷。該系統(tǒng)現(xiàn)已在某汽車制造有限公司正式投入使用，實踐應(yīng)用表明其能完成預期測試目標，填補了FPD?Link Ⅲ檢測領(lǐng)域的空白。此外，智能座艙域控制器還集成了CAN、USB、以太網(wǎng)等接口，未來可進一步整合這些接口的檢測，積極推動高階智能駕駛仿真測試發(fā)展，建設(shè)更加全面、高效的檢測平臺。

注：本文通訊作者為鄭永軍。

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