如何利用可编程器件设计车用显示系统

电子设备正在迅速发展，尤其是车用显示系统，视频和视频处理正成为汽车应用中增长较快的技术。像车道保持、驾驶监控、夜视以及车载娱乐设备等都是典型的应用需求。

设计车用视频系统时，需要考虑系统结构的几个方面：首先是系统的功能，应确定这个系统是针对安全系统处理视频信息、还是车载娱乐设备处理流动的视频数据，或者是两者的结合而设计。其次是互联的类型和视频系统器件的速度。此外还应考虑其它因素包括有多少视频源、有多少显示输出、系统中不同的设备相隔多远、采用哪种布线方案，以及整个系统的成本。由于可编程器件具有很高集成度和灵活性，以及低功耗和宽的工作温度范围，且价格不断下降，因此该类器件对于从事汽车电子设计的工程师来说越来越具有吸引力。本文将主要介绍如何利用Lattice公司的可编程器件设计车用显示系统。

电子设备的互联

在汽车电子设备中，各种信息源的互联可采用几种拓扑结构，即星型、总线型和环型结构。这些拓扑结构如图1所示。星型结构是一对一的连接系统，外部的设备连接到视频控制器的一个端口。通信信道可以是双向或者单向的。



图1：汽车电子设备互联的几种拓扑结构
        
总线型结构是一点对多点，单个设备可以连接到总线。总线上的设备必须有本地控制器，用来协调总线上的设备何时以及如何进行通信。这种类型的系统易于扩展，因为每个设备都有一个唯一的地址。

环型结构中每个设备都有一个唯一的地址，此外还有本地数据控制器和用来连接到环的媒体收发器。当显示设备收发器接收到前一个设备的信息后，在数据包中查看自己的地址，如果地址相匹配的话就处理数据或者命令，如果地址不匹配，就把数据包传送给环中的下一个设备。为使各种设备都能够传送音频和视频包，用于娱乐的汽车环型总线都被设计成很高的带宽，以便观众能实时观看。从图1中可以看出，无论哪种结构都需要采用视频控制器。

图像捕获与显示

有效确保图像的捕获和处理十分重要，以下将介绍几种解决方法。在图2展示的智能图像捕获系统的几个例子中，信息从车辆的多媒体总线传送到视频控制器。通常使用的是MOST和D2B协议的环型或总线结构。



图2：采用不同处理器件的三种智能图像捕获系统

在这三个例子中，MT9V111/125是适用于汽车应用的图像传感器。例1采用了基于微处理器的系统，在数据发送到显示子系统的接口之前进行控制和视频数据处理。例2采用基于闪存的低成本CPLD处理视频。例3采用了基于SRAM的FPGA器件。在以上所有例子中，均由处理单元对发送的信息进行处理。其中，后两个例子中采用的可编程逻辑器件体现了重构硬件的灵活性。特别是例3在FPGA中使用了Lattice公司的微处理器核 LatticeMico8，因而可获得更大的灵活性。

发送所捕获图像的一种方法是将并行视频数据转换成串行流，并采用8b/10b编码在单对双绞线LVDS接口上传送。这个接口将时钟嵌入数据流，减少了传送信号到视频控制器所需的导线数目。在接收端，系统需要对数据进行处理，以便返回原来的形式。图3是4个LCD显示的例子。前三个例子均使用 SERDES电路转换信号，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，由于该器件中已嵌入了关键时序参数，因此设计者不必再花大量时间和精力来完成此任务。



图3：LCD显示
        
LatticeECP2和LatticeECP2M系列重新定义了低成本FPGA，在更低的成本下拥有更多优秀的FPGA特性。这些器件含有 sysDSP块和工程预制的源同步I/O。LatticeECP2M具有高达5.3Mb的RAM块，LatticeECP2具有高达1.1Mb的RAM 块。在LatticeECP2M中还具有3.125Gbps嵌入式SERDES，可支持PCI Express、Ethernet（1GbE和SGMII）以及多个其它标准。通过集成以前只有高成本、高性能FPGA才具有的特点和性能，这些系列的产品扩展了低成本FPGA的应用范围。

LatticeMico32是一种针对Lattice FPGA优化的32位RISC软微处理器。如果将LatticeECP2M与开放源代码的LatticeMico32软处理器结合在一起，则 LatticeECP2M可以实现完整的视频控制器功能（如图4所示）。内部的外设通过双WISHBONE总线进行通信。定时器、DMA、存储器控制器、通用I/O、串行外围接口和UART均可与LatticeMico32相连。



图4：利用LatticeECP2M和LatticeMico32实现完整的视频控制器功能
本文小结

由于可编程器件具有可重构的特点，因此特别适合于应对各种变化（例如不断修改的标准和新兴的标准），并可以快速实现新版标准。此外，可编程器件还具有成本低和生命周期长的优势，能够满足车内电子设备与汽车寿命相匹配的要求，设计者也易于对产品进行升级、维护和更新。