如何利用可編程器件設(shè)計車用顯示系統(tǒng)

汽車電子設(shè)備正在迅速發(fā)展，尤其是車用顯示系統(tǒng)，視頻和視頻處理正成為汽車應(yīng)用中增長較快的技術(shù)。像車道保持、駕駛監(jiān)控、夜視以及車載娛樂設(shè)備等車用顯示系統(tǒng)/FPGA都是典型的應(yīng)用需求。

設(shè)計車用視頻系統(tǒng)時，需要考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的幾個方面：首先是系統(tǒng)的功能，應(yīng)確定這個系統(tǒng)是針對安全系統(tǒng)處理視頻信息、還是車載娛樂設(shè)備處理流動的視頻數(shù)據(jù)，或者是兩者的結(jié)合而設(shè)計。其次是互聯(lián)的類型和視頻系統(tǒng)器件的速度。此外還應(yīng)考慮其它因素包括有多少視頻源、有多少顯示輸出、系統(tǒng)中不同的設(shè)備相隔多遠(yuǎn)、采用哪種布線方案，以及整個系統(tǒng)的成本。由于可編程器件具有很高集成度和靈活性，以及低功耗和寬的工作溫度范圍，且價格不斷下降，因此車用顯示系統(tǒng)/FPGA該類器件對于從事汽車電子設(shè)計的工程師來說越來越具有吸引力。本文將主要介紹如何利用Lattice公司的可編程器件設(shè)計車用顯示系統(tǒng)。

電子設(shè)備的互聯(lián)

在汽車電子設(shè)備中，各種信息源的互聯(lián)可采用幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星型、總線型和環(huán)型結(jié)構(gòu)。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。星型結(jié)構(gòu)是一對一的連接系統(tǒng)，外部的設(shè)備連接到視頻控制器的一個端口。通信信道可以是雙向或者單向的。

圖1：汽車電子設(shè)備互聯(lián)的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

總線型結(jié)構(gòu)是車用顯示系統(tǒng)/FPGA一點對多點，單個設(shè)備可以連接到總線?？偩€上的設(shè)備必須有本地控制器，用來協(xié)調(diào)總線上的設(shè)備何時以及如何進(jìn)行通信。這種類型的系統(tǒng)易于擴展，因為每個設(shè)備都有一個唯一的地址。

環(huán)型結(jié)構(gòu)中每個設(shè)備都有一個唯一的地址，此外還有本地數(shù)據(jù)控制器和用來連接到環(huán)的媒體收發(fā)器。當(dāng)顯示設(shè)備收發(fā)器接收到前一個設(shè)備的信息后，在數(shù)據(jù)包中查看自己的地址，如果地址相匹配的話就處理數(shù)據(jù)或者命令，如果地址不匹配，就把數(shù)據(jù)包傳送給環(huán)中的下一個設(shè)備。為使各種設(shè)備都能夠傳送音頻和視頻包，用于娛樂車用顯示系統(tǒng)/FPGA的汽車環(huán)型總線都被設(shè)計成很高的帶寬，以便觀眾能實時觀看。從圖1中可以看出，無論哪種結(jié)構(gòu)都需要采用視頻控制器。

圖像捕獲與顯示

有效確保圖像的捕獲和處理十分重要，以下將介紹幾種解決方法。在圖2展示的智能圖像捕獲系統(tǒng)的幾個例子中，信息從車輛的多媒體總線傳送到視頻控制器。通常使用的是MOST和D2B協(xié)議的環(huán)型或總線結(jié)構(gòu)。

圖2：采用不同處理器件的三種智能圖像捕獲系統(tǒng)。

在這三個例子中，MT9V111/125是適用于汽車應(yīng)用的圖像傳感器。例1采用了基于微處理器的系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示子系統(tǒng)的接口之前進(jìn)行控制和視頻數(shù)據(jù)處理。例2采用基于閃存的低成本CPLD處理視頻。例3采用了基于SRAM的FPGA器件。在以上所有例子中，均由處理單元對車用顯示系統(tǒng)/FPGA發(fā)送的信息進(jìn)行處理。其中，后兩個例子中采用的可編程邏輯器件體現(xiàn)了重構(gòu)硬件的靈活性。特別是例3在FPGA中使用了Lattice公司的微處理器核LatticeMico8，因而可獲得更大的靈活性。

發(fā)送所捕獲圖像的一種方法是將并行視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行流，并采用8b/10b編碼在單對雙絞線LVDS接口上傳送。這個接口將時鐘嵌入數(shù)據(jù)流，減少了傳送信號到視頻控制器所需的導(dǎo)線數(shù)目。在接收端，系統(tǒng)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便返回原來的形式。圖3是4個LCD顯示的例子。前三個例子均使用SERDES電路轉(zhuǎn)換信號，其中例3采用具有集成SERDES功能的基于SRAM的FPGA。此例中采用的是LatticeECP/ECP2 FPGA，由于該器件中已嵌入了關(guān)鍵時序參數(shù)，因此設(shè)計者車用顯示系統(tǒng)/FPGA不必再花大量時間和精力來完成此任務(wù)。

圖3：LCD顯示。
LatticeECP2和LatticeECP2M系列重新定義了低成本FPGA，在更低的成本下?lián)碛懈鄡?yōu)秀的FPGA特性。這些器件含有sysDSP塊和工程預(yù)制的源同步I/O。LatticeECP2M具有高達(dá)5.3Mb的RAM塊，LatticeECP2具有高達(dá)1.1Mb的RAM塊。在LatticeECP2M中還具有3.125Gbps嵌入式SERDES，可支持PCI Express、Ethernet(1GbE和SGMII)以及多個其它標(biāo)準(zhǔn)。通過集成以前只有高成本、高性能FPGA才具有的特點和性能，這些系列的產(chǎn)品擴展了低成本FPGA的應(yīng)用范圍。

LatticeMico32是一種針對Lattice FPGA優(yōu)化的32位RISC軟微處理器。如果將LatticeECP2M與開放源代碼的LatticeMico32軟處理器結(jié)合在一起，則LatticeECP2M可以實現(xiàn)完整的視頻控制器功能(如圖4所示)。內(nèi)部的外設(shè)通過雙WISHBONE總線進(jìn)行通信。定時器、DMA、存儲器控制器、通用I/O、串行外圍接口和UART均可與LatticeMico32相連。

圖4：利用LatticeECP2M和LatticeMico32實現(xiàn)完整的視頻控制器功能。

本文小結(jié)

由于可編程器件具有可重構(gòu)的特點，因此特別適合于應(yīng)對各種變化(例如不斷修改的標(biāo)準(zhǔn)和新興的標(biāo)準(zhǔn))，并可以快速實現(xiàn)新版標(biāo)準(zhǔn)。此外，可編程器件還具有成本低和生命周期長的優(yōu)勢，能夠滿足車內(nèi)電子設(shè)備與汽車壽命相匹配的要求，設(shè)計者也易于對產(chǎn)品進(jìn)行升級、維護(hù)和更新。