汽車儀表板用內(nèi)置TFT顯示控制器的32位微控制器

前言

20年來，汽車電子系統(tǒng)的復(fù)雜性大幅提高，大量的新功能要求向駕駛員顯示大量的狀態(tài)信息。這種狀態(tài)信息通常是利用簡(jiǎn)單的LED、字段式LCD或者點(diǎn)陣式LCD顯示器通過儀表板提供給駕駛員。

過去，以下幾大原因使TFT顯示器不能廣泛用于汽車市場(chǎng)：TFT平板顯示器價(jià)格昂貴，達(dá)不到汽車級(jí)質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)顯示器和管理HMI界面的電子元器件成本昂貴。系統(tǒng)所需的電子元器件，如圖形加速器和閃存或SDRAM/DDRAM內(nèi)存，也擴(kuò)大了對(duì)汽車成本、質(zhì)量和可靠性的影響。因?yàn)樽罱K的成本很高，TFT液晶顯示器式儀表板只用于產(chǎn)量很小的高端汽車。

標(biāo)準(zhǔn)圖形解決方案的缺點(diǎn)是需要大容量的禎緩存，這種緩存采用RAM存儲(chǔ)器技術(shù)，集成成本很高。SPC56xS系列微控制器的主要?jiǎng)?chuàng)新之處是一個(gè)新的無緩存概念，使微控制器能夠從任意內(nèi)存單元（閃存或RAM）取出圖形。此外，圖形信息分層保存，通過優(yōu)化每層的色深，可最大限度地降低顯存容量。一個(gè)直接無緩存的位塊圖像傳送器負(fù)責(zé)整合圖像，圖像生成性能非常優(yōu)異，占用的內(nèi)存和帶寬資源也非常小。

最終對(duì)系統(tǒng)資源需求的降低，特別是內(nèi)存容量的要求，為單片集成完整的基礎(chǔ)設(shè)施鋪平了道路。因?yàn)橹С值湫偷腝VGA/WQVGA顯示格式，這個(gè)解決方案有助于降低儀表板的半導(dǎo)體元器件的成本。

從低端無圖形顯示器的儀表板微控制器，到中高端支持TFT顯示器的儀表板微控制器，意法半導(dǎo)體的SPC56xS系列微控制器提供全系列的單片解決方案，其中高端解決方案還支持矢量圖形技術(shù)。

結(jié)合汽車級(jí)TFT平板供應(yīng)商的范圍不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品價(jià)格大幅降低，這個(gè)創(chuàng)新的產(chǎn)品組合可推動(dòng)汽車廠商在所有汽車平臺(tái)上部署圖形顯示器。

汽車儀表板TFT顯示器的挑戰(zhàn)

當(dāng)試圖了解汽車儀表板的要求時(shí)，應(yīng)先知道顯示器市場(chǎng)的三大挑戰(zhàn)：

•系統(tǒng)成本限制

•質(zhì)量和可靠性問題

•在給定系列產(chǎn)品內(nèi)的系統(tǒng)兼容性和擴(kuò)展性

若想了解這三大問題，我們須回顧一下現(xiàn)存的經(jīng)典的系統(tǒng)架構(gòu)。

基本儀表板架構(gòu)

圖1是一個(gè)基本儀表板的架構(gòu)。

基本儀表板含有車速表、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、油量表或機(jī)油溫度表?；緝x表板通常需要四到六塊測(cè)量或指示儀表，這些儀表是由微控制器的步進(jìn)電機(jī)控制輸出來控制的。

在信息顯示方面，這些架構(gòu)使用一個(gè)并行LCD總線、一個(gè)SPI總線或脈寬調(diào)制信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)一個(gè)字段式LCD、點(diǎn)陣式LCD或LED顯示器。為了與傳感器、執(zhí)行器或車身控制器通信，這些架構(gòu)還需要幾條通信總線。通常是LIN或CAN總線。

為了優(yōu)化成本，這類應(yīng)用采用單層或雙層印刷電路板。

現(xiàn)代TFT顯示器儀表板架構(gòu)

TFT顯示器式儀表板有多種形式：有或無機(jī)械儀表、單儀表或雙儀表。圖2所示是現(xiàn)代儀表板的一種常見架構(gòu)。

圖2:現(xiàn)代TFT顯示器儀表板架構(gòu)

這個(gè)架構(gòu)還是采用與圖1相同型號(hào)的微控制器控制儀表板外設(shè)（如儀表），另外還增加一個(gè)專用圖形控制器。圖形控制器通過快速SPI或EBI總線接收儀表板微控制器發(fā)送的HMI信息。這個(gè)架構(gòu)需要把圖形數(shù)據(jù)保存在外部并行閃存內(nèi)。處理圖形數(shù)據(jù)需要使用SDRAM/DDRAM外存元件內(nèi)的幾個(gè)緩存。這些緩存通常決定顯示器的大小和分辨率。因?yàn)榫彺孢^大，很難把它們集成到一個(gè)單片電路。顯示數(shù)據(jù)通過顯示控制器送到TFT面板。

這個(gè)示例有助于理解這個(gè)架構(gòu)與上面三大挑戰(zhàn)相關(guān)的限制因素:

•系統(tǒng)成本:該架構(gòu)需要共計(jì)四個(gè)半導(dǎo)體元器件，排除了使用簡(jiǎn)單印刷電路板的可能；需使用多層印刷電路板或多塊電路板。由于需要傳輸?shù)膱D形數(shù)據(jù)量大，帶寬需求很大。

•質(zhì)量與可靠性:器件采用不同的封裝和技術(shù)，從而增加了質(zhì)量和可靠性問題。如果使用多塊電路板，連接器觸點(diǎn)問題必須給予考慮。

•系統(tǒng)兼容性與擴(kuò)展性:當(dāng)設(shè)計(jì)衍生應(yīng)用時(shí)，器件復(fù)雜性和多引腳封裝通常導(dǎo)致印刷電路板重新設(shè)計(jì)和軟硬件不兼容的問題。

如何用SPC56xS系列微控制器創(chuàng)新儀表板架構(gòu)

通過在主儀表板微控制器內(nèi)集成HMI和圖形顯示控制器，SPC56xS系列微控制器可大幅節(jié)省系統(tǒng)成本。儀表板架構(gòu)如圖4所示。

圖3:SPC56xSTFT顯示器儀表板架構(gòu)

一個(gè)創(chuàng)新的對(duì)帶寬和存儲(chǔ)器要求非常有限的硬件圖形控制器為這個(gè)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

圖4:SPC56xS60結(jié)構(gòu)框圖

這個(gè)概念采用一個(gè)顯示控制器，該控制器由一個(gè)直接無緩存位塊圖像傳送器組成?？刂破鲝母鞣N存儲(chǔ)資源中取出預(yù)生成的或軟件生成的被稱作圖層的位圖，然后把它們整合到顯示器內(nèi)，無需通過使用緩存機(jī)制。在硬件整合并顯示圖像前，仲裁機(jī)制總是先對(duì)位圖排序。

圖5:顯示控制器概念

這個(gè)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：

•系統(tǒng)成本:作為一款單片器件，SPC56xS可處理標(biāo)準(zhǔn)儀表板外設(shè)以及HMI和圖形顯示。該器件采用標(biāo)準(zhǔn)的LQFP封裝，準(zhǔn)許整個(gè)系統(tǒng)使用一個(gè)低價(jià)雙層印刷電路板。如果需要處理更多的圖形內(nèi)容，可通過QSPI接口增加引腳數(shù)量少的串口四路輸入輸出閃存。

•質(zhì)量與可靠性:使用統(tǒng)一的技術(shù)和封裝，大幅降低驗(yàn)證成本，無質(zhì)量和可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

•系統(tǒng)兼容性與擴(kuò)展性：SPC56xS系列產(chǎn)品定位于基本型儀表板和TFT顯示器儀表板，保持軟硬件在不同級(jí)別應(yīng)用中的兼容性。為提升圖形處理性能，某些產(chǎn)品還集成了圖形引擎。

結(jié)論

意法半導(dǎo)體的SPC56xS系列微控制器提供的創(chuàng)新方法為汽車市場(chǎng)大規(guī)模使用基于TFT顯示器的儀表板創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。同一系列產(chǎn)品適用于各種儀表板，而且功能經(jīng)過改進(jìn)，系統(tǒng)成本低廉，質(zhì)量上乘，可靠性高。

該系列的首款產(chǎn)品SPC56xS60內(nèi)置一個(gè)帶片上顯存的16圖層4平面顯示控制器，目前設(shè)計(jì)驗(yàn)證和項(xiàng)目開發(fā)用樣片現(xiàn)已上市。