如何利用可编程器件设计车用显示系统

汽车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车用显示系统/FPGA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，因此车用显示系统/FPGA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。

总线型结构是车用显示系统/FPGA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，用于娱乐车用显示系统/FPGA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，均由处理单元对车用显示系统/FPGA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，因此设计者车用显示系统/FPGA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。