汽車儀表板用內置TFT顯示控制器的32位微控制器

前言

20年來，汽車電子系統的復雜性大幅提高，大量的新功能要求向駕駛員顯示大量的狀態信息。這種狀態信息通常是利用簡單的LED、字段式LCD或者點陣式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：TFT平板顯示器價格昂貴，達不到汽車級質量和可靠性標準，驅動顯示器和管理HMI界面的電子元器件成本昂貴。系統所需的電子元器件，如圖形加速器和閃存或SDRAM/DDRAM內存，也擴大了對汽車成本、質量和可靠性的影響。因為最終的成本很高，TFT液晶顯示器式儀表板只用于產量很小的高端汽車。

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

最終對系統資源需求的降低，特別是內存容量的要求，為單片集成完整的基礎設施鋪平了道路。因為支持典型的QVGA/WQVGA顯示格式，這個解決方案有助于降低儀表板的半導體元器件的成本。

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。

結合汽車級TFT平板供應商的范圍不斷擴大，產品價格大幅降低，這個創新的產品組合可推動汽車廠商在所有汽車平臺上部署圖形顯示器。

汽車儀表板TFT顯示器的挑戰

當試圖了解汽車儀表板的要求時，應先知道顯示器市場的三大挑戰：

•系統成本限制

•質量和可靠性問題

•在給定系列產品內的系統兼容性和擴展性

若想了解這三大問題，我們須回顧一下現存的經典的系統架構。

基本儀表板架構

圖1是一個基本儀表板的架構。

基本儀表板含有車速表、發動機轉速表、油量表或機油溫度表。基本儀表板通常需要四到六塊測量或指示儀表，這些儀表是由微控制器的步進電機控制輸出來控制的。

在信息顯示方面，這些架構使用一個并行LCD總線、一個SPI總線或脈寬調制信號分別驅動一個字段式LCD、點陣式LCD或LED顯示器。為了與傳感器、執行器或車身控制器通信，這些架構還需要幾條通信總線。通常是LIN或CAN總線。

為了優化成本，這類應用采用單層或雙層印刷電路板。

現代TFT顯示器儀表板架構

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

圖2:現代TFT顯示器儀表板架構

這個架構還是采用與圖1相同型號的微控制器控制儀表板外設（如儀表），另外還增加一個專用圖形控制器。圖形控制器通過快速SPI或EBI總線接收儀表板微控制器發送的HMI信息。這個架構需要把圖形數據保存在外部并行閃存內。處理圖形數據需要使用SDRAM/DDRAM外存元件內的幾個緩存。這些緩存通常決定顯示器的大小和分辨率。因為緩存過大，很難把它們集成到一個單片電路。顯示數據通過顯示控制器送到TFT面板。

這個示例有助于理解這個架構與上面三大挑戰相關的限制因素:

•系統成本:該架構需要共計四個半導體元器件，排除了使用簡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。由于需要傳輸的圖形數據量大，帶寬需求很大。

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

•系統兼容性與擴展性:當設計衍生應用時，器件復雜性和多引腳封裝通常導致印刷電路板重新設計和軟硬件不兼容的問題。

如何用SPC56xS系列微控制器創新儀表板架構

通過在主儀表板微控制器內集成HMI和圖形顯示控制器，SPC56xS系列微控制器可大幅節省系統成本。儀表板架構如圖4所示。

圖3:SPC56xSTFT顯示器儀表板架構

一個創新的對帶寬和存儲器要求非常有限的硬件圖形控制器為這個架構的實現提供了可能。

圖4:SPC56xS60結構框圖

這個概念采用一個顯示控制器，該控制器由一個直接無緩存位塊圖像傳送器組成。控制器從各種存儲資源中取出預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，無需通過使用緩存機制。在硬件整合并顯示圖像前，仲裁機制總是先對位圖排序。

圖5:顯示控制器概念

這個架構的優點：

•系統成本:作為一款單片器件，SPC56xS可處理標準儀表板外設以及HMI和圖形顯示。該器件采用標準的LQFP封裝，準許整個系統使用一個低價雙層印刷電路板。如果需要處理更多的圖形內容，可通過QSPI接口增加引腳數量少的串口四路輸入輸出閃存。

•質量與可靠性:使用統一的技術和封裝，大幅降低驗證成本，無質量和可靠性風險。

•系統兼容性與擴展性：SPC56xS系列產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別應用中的兼容性。為提升圖形處理性能，某些產品還集成了圖形引擎。

結論

意法半導體的SPC56xS系列微控制器提供的創新方法為汽車市場大規模使用基于TFT顯示器的儀表板創造了機會。同一系列產品適用于各種儀表板，而且功能經過改進，系統成本低廉，質量上乘，可靠性高。

該系列的首款產品SPC56xS60內置一個帶片上顯存的16圖層4平面顯示控制器，目前設計驗證和項目開發用樣片現已上市。