汽车仪表板用内置TFT显示控制器的32位微控制器

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前言

20年来，汽车电子系统的复杂性大幅提高，大量的新功能要求向驾驶员显示大量的状态信息。这种状态信息通常是利用简单的LED、字段式LCD或者点阵式LCD显示器通过仪表板提供给驾驶员。

过去，以下几大原因使TFT显示器不能广泛用于汽车市场：TFT平板显示器价格昂贵，达不到汽车级质量和可靠性标准，驱动显示器和管理HMI界面的电子元器件成本昂贵。系统所需的电子元器件，如图形加速器和闪存或SDRAM/DDRAM内存，也扩大了对汽车成本、质量和可靠性的影响。因为最终的成本很高，TFT液晶显示器式仪表板只用于产量很小的高端汽车。

标准图形解决方案的缺点是需要大容量的祯缓存，这种缓存采用RAM存储器技术，集成成本很高。SPC56xS系列微控制器的主要创新之处是一个新的无缓存概念，使微控制器能够从任意内存单元（闪存或RAM）取出图形。此外，图形信息分层保存，通过优化每层的色深，可最大限度地降低显存容量。一个直接无缓存的位块图像传送器负责整合图像，图像生成性能非常优异，占用的内存和带宽资源也非常小。

最终对系统资源需求的降低，特别是内存容量的要求，为单片集成完整的基础设施铺平了道路。因为支持典型的QVGA/WQVGA显示格式，这个解决方案有助于降低仪表板的半导体元器件的成本。

从低端无图形显示器的仪表板微控制器，到中高端支持TFT显示器的仪表板微控制器，意法半导体的SPC56xS系列微控制器提供全系列的单片解决方案，其中高端解决方案还支持矢量图形技术。

结合汽车级TFT平板供应商的范围不断扩大，产品价格大幅降低，这个创新的产品组合可推动汽车厂商在所有汽车平台上部署图形显示器。

汽车仪表板TFT显示器的挑战

当试图了解汽车仪表板的要求时，应先知道显示器市场的三大挑战：

•系统成本限制
•质量和可靠性问题
•在给定系列产品内的系统兼容性和扩展性

若想了解这三大问题，我们须回顾一下现存的经典的系统架构。

基本仪表板架构

图1是一个基本仪表板的架构。

基本仪表板含有车速表、发动机转速表、油量表或机油温度表。基本仪表板通常需要四到六块测量或指示仪表，这些仪表是由微控制器的步进电机控制输出来控制的。

在信息显示方面，这些架构使用一个并行LCD总线、一个SPI总线或脉宽调制信号分别驱动一个字段式LCD、点阵式LCD或LED显示器。为了与传感器、执行器或车身控制器通信，这些架构还需要几条通信总线。通常是LIN或CAN总线。

为了优化成本，这类应用采用单层或双层印刷电路板。

现代TFT显示器仪表板架构

TFT显示器式仪表板有多种形式：有或无机械仪表、单仪表或双仪表。图2所示是现代仪表板的一种常见架构。

                                                   图2:现代TFT显示器仪表板架构

这个架构还是采用与图1相同型号的微控制器控制仪表板外设（如仪表），另外还增加一个专用图形控制器。图形控制器通过快速SPI或EBI总线接收仪表板微控制器发送的HMI信息。这个架构需要把图形数据保存在外部并行闪存内。处理图形数据需要使用SDRAM/DDRAM外存元件内的几个缓存。这些缓存通常决定显示器的大小和分辨率。因为缓存过大，很难把它们集成到一个单片电路。显示数据通过显示控制器送到TFT面板。


这个示例有助于理解这个架构与上面三大挑战相关的限制因素:

•系统成本:该架构需要共计四个半导体元器件，排除了使用简单印刷电路板的可能；需使用多层印刷电路板或多块电路板。由于需要传输的图形数据量大，带宽需求很大。

•质量与可靠性:器件采用不同的封装和技术，从而增加了质量和可靠性问题。如果使用多块电路板，连接器触点问题必须给予考虑。

•系统兼容性与扩展性:当设计衍生应用时，器件复杂性和多引脚封装通常导致印刷电路板重新设计和软硬件不兼容的问题。

如何用SPC56xS系列微控制器创新仪表板架构

通过在主仪表板微控制器内集成HMI和图形显示控制器，SPC56xS系列微控制器可大幅节省系统成本。仪表板架构如图4所示。

                                                       图3:SPC56xSTFT显示器仪表板架构

一个创新的对带宽和存储器要求非常有限的硬件图形控制器为这个架构的实现提供了可能。

                                              图4:SPC56xS60结构框图

这个概念采用一个显示控制器，该控制器由一个直接无缓存位块图像传送器组成。控制器从各种存储资源中取出预生成的或软件生成的被称作图层的位图，然后把它们整合到显示器内，无需通过使用缓存机制。在硬件整合并显示图像前，仲裁机制总是先对位图排序。

                                                                   图5:显示控制器概念

这个架构的优点：

•系统成本:作为一款单片器件，SPC56xS可处理标准仪表板外设以及HMI和图形显示。该器件采用标准的LQFP封装，准许整个系统使用一个低价双层印刷电路板。如果需要处理更多的图形内容，可通过QSPI接口增加引脚数量少的串口四路输入输出闪存。

•质量与可靠性:使用统一的技术和封装，大幅降低验证成本，无质量和可靠性风险。

•系统兼容性与扩展性：SPC56xS系列产品定位于基本型仪表板和TFT显示器仪表板，保持软硬件在不同级别应用中的兼容性。为提升图形处理性能，某些产品还集成了图形引擎。

结论

意法半导体的SPC56xS系列微控制器提供的创新方法为汽车市场大规模使用基于TFT显示器的仪表板创造了机会。同一系列产品适用于各种仪表板，而且功能经过改进，系统成本低廉，质量上乘，可靠性高。

该系列的首款产品SPC56xS60内置一个带片上显存的16图层4平面显示控制器，目前设计验证和项目开发用样片现已上市。