攻克桥接技术,完善车载激光投影仪设计

作为一名驾驶者,我们最需要的是关于汽车工作状况的关键数据——并且是实时的。汽车制造商采用各种技术为驾驶员提供这类关键信息,包括分立式LED、仪表盘和液晶显示技术。尽管每辆车的型号不同,但提供信息的方式非常一致,几乎每个乘员都能很快适应不熟悉的车型并从中获取信息。另外,还可利用平视显示系统将这些数据和信息虚拟投影到车辆前方驾驶员的视线内。随着显示技术的不断发展,HUD在豪华汽车内已非常普及。而随着成本的降低和尺寸的减小以及性能的提升,这些HUD系统也开始不断地被中端汽车所采用,并且很快会普及到经济型汽车内。

  最新的HUD技术采用移动MEMS反射镜和彩色激光,即所谓的微型激光投影仪。这些激光投影仪具有无限对焦、阳光下清晰可读、超凡的色彩饱和度以及小尺寸等优势,使其成为汽车信息娱乐系统的理想媒介。本文通过剖析汽车领域的现代HUD技术,提出了采用微型激光投影仪的新方案。集成式“桥接芯片”解决方案采用高性能三通道激光驱动器,相对于老式TFT、CRT和DLP技术,其减小了尺寸、降低了成本和设计复杂度,所有这些优点都得益于激光。

  HUD技术基础

  最新HUD技术的核心是一个微型激光投影仪,它是一种小型MEMS成像系统,能够将像素阵列投射至几乎任意表面。微型激光投影仪没有采用辐射技术 ,而是发射一束彩色光绘制图像、仪表和指示灯。光束扫描一个类似于CRT电视的光栅图。通过三原色的色度和亮度组合,产生每个像素。

利用MAX3601激光驱动器集成的8位DAC,每个像素可产生24位色彩饱满的RGB颜色,从而产生1600万种独特的颜色。由于激光器以截然不同的频率发射每种颜色,所以颜色鲜艳并且可以“过饱和”,以吸引驾驶者的注意。在树林或丛林环境下,特意使绿色呈现出不同寻常的色彩,以突出显示。

  组合光束被送至扫描MEMS反射镜芯片,后者通过水平扫描产生一条扫描线,然后纵向斜线变化,将扫描线组合为一个显示面。产生的高清图像以60Hz的频率刷新并且始终准确对焦——这是激光技术的另一优点,尤其对于弧形的汽车挡风玻璃。

  驱动微型投影仪面临的挑战

  在阴极射线管中,每条扫描线从左侧开始,采用回扫方法快速返回至每行的起点。微型激光投影仪凭借现代化数字技术,以正向方式扫描奇数行,以反向方式扫描偶数行。

CRT与微型激光投影仪技术的另一不同之处是时序变化,这依赖于像素在水平扫描线上的位置。因为采用MEMS技术,反射镜必须在每行的开始和末尾加速和减速。由于MEMS反射镜惯性的原因,在到达每个末端之前变慢,因此强制以恒定像素时钟发送的像素在末尾“扎堆”。如果不加修正,这种像素扎堆现象会表现出从左至右的较高的边沿亮度及坐标失真。

修正扎堆现象的方法之一是产生虚拟像素,并在扫描线的各个段内插入子像素。在扫描线的中段,MEMS反射镜的扫描速率最快,这里会以每个虚拟视频时钟发送一个子像素的速率发射子像素。而在边沿,则每隔3个、4个或5个时钟发送一个子像素图5。

传统激光投影仪中,视频激光控制器SoC的功率几乎与主机SoC控制器相同,也具有类似尺寸的视频帧缓存器,以及GPU功能。微型投影仪实时执行关键任务时仅占一部分处理器带宽。传统设计将数据从视频帧缓存器发送至微型投影仪处理器的帧缓存器,然后逐行解析至MEMS反射镜,这样就很繁琐、没有效率。

  为了消除这种冗余性并再次平衡成本、功耗以及每个关键元件的负荷,桥接芯片提供了合理的折衷方式。

  微型激光投影仪通过使用桥接芯片,将数据流流水线化,进行高效率处理。两个视频帧缓存器减少为一个。实时任务由桥接芯片负责,不再占用大量系统负荷的中断,从而减轻SoC负荷,使成本和功耗降低。SoC的GPU处理FIFO-LIFO扫描线反转的存储器寻址以及补偿MEMS惯性运动。工作负荷得到了平衡。

  理论上是这样,那么从哪里开始呢?我们首先看一下投影仪的SoC功能,然后决定如何封装这些功能。主机SoC处理器和视频处理器均具有6MB帧缓存器,所以我们可省去存储器并代之以少数的行缓存器。这要求在高速视频输入和MEMS反射镜的较慢的行速率之间做严格定时;这对于支持HUD应用所需的不同分辨率尤其重要。桥接芯片确保行缓存器始终满载,同时也检查主机SoC关断或使极少的关键功能处于工作状态,以节省系统功耗。

  中断SoC来处理一般的实时任务以及服务可预测的中断,造成SoC在空闲期间的功耗较高。这非常浪费,因为桥接芯片更适合处理实时任务,因此,可以说桥接芯片将系统效率最大化了。

  主机SoC非常适合处理GPU任务,例如缩放、颜色修正、白平衡、反扭曲,以及发送数据以填充桥接芯片的行缓存器。对于具有少数几行代码的SoC来说,反转从左至右和从右至左的存储器寻址,是一项简单的任务。该SoC将会预处理数据并将其发送至桥接芯片而无需知道MEMS时序要求。

  桥接芯片内置的微型微处理器或状态机可以处理简单的辅助任务,使设计者能够灵活增加自定义功能。

  围绕桥接芯片而构建的四芯片方案形成高度集成、可编程的微型激光投影仪,连接至标准视频接口,如HDMI和VGA。该方案处理所有投影仪相关的任务。但我们能够进一步压缩设计吗?

对于要求更高集成度的应用,例如移动电话和其它小型消费类设备,桥接芯片可与其它功能组合。我们可以设计一种可编程桥接芯片,支持距离检测、桶形失真补偿、反射镜加速和减速补偿,以及亮度、颜色和振动稳定。还希望其具有支持防抖、锯齿光栅扫描、字节视频数据对齐、可变分辨率以及亮度控制和功率管理的硬件电路。让处理器驱动的核心在软件中运行硬件算法,速度足以刷新几乎无抖动的图像。现在,可将之前的四芯片方案缩减为一个芯片。

 微型激光投影仪正逐渐嵌入至智能手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴式计算机以及汽车HUD显示。2013年度有50万辆以上的汽车配备了HUD,并且,预计在未来5年的增速将达2到20%至30%,因此,OEM要求节省HUD空间和成本是完全可以理解的。高度集成桥接芯片,如图8和图9所示的方案,将大大减轻主机处理器的负荷,节省空间、功耗、芯片数量,以及所需的处理资源。

  以CPU为核心的HUD微型激光投影仪桥接芯片方案支持高质量外设集成和快速处理器,这样就能在软件中执行算法。使用桥接芯片的方式减少了硬件,降低了功耗和复杂度,为实现HUD的新思路、新方法提供了灵活性。未来,微型激光投影仪将采用飞点架构,这能把功能扩展至3D照相和手势控制应用。在2014年后期,PC和平板电脑中将配备这些功能,随后是HUD设备将广泛应用于汽车中。

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