汽車內(nèi)的顯示和信息系統(tǒng)非常豐富，層出不窮地包圍著我們，有些信息非常重要，有些則是為了舒適性或娛樂，有的則僅僅是提供資訊，這很有價值，但又非必需。作為一名駕駛者，我們最需要的是關(guān)于汽車工作狀況的關(guān)鍵數(shù)據(jù)——并且是實時的。
汽車制造商采用各種技術(shù)為駕駛員提供這類關(guān)鍵信息，包括分立式LED、儀表盤和液晶顯示技術(shù)。盡管每輛車的型號不同，但提供信息的方式非常一致，幾乎每個乘員都能很快適應(yīng)不熟悉的車型并從中獲取信息。另外，還可利用平視顯示（HUD）系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)和信息虛擬投影到車輛前方駕駛員的視線內(nèi)。隨著顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，HUD在豪華汽車內(nèi)已非常普及。而隨著成本的降低和尺寸的減小以及性能的提升，這些HUD系統(tǒng)也開始不斷地被中端汽車所采用，并且很快會普及到經(jīng)濟型汽車內(nèi)。
最新的HUD技術(shù)采用移動MEMS反射鏡和彩色激光，即所謂的微型激光投影儀。這些激光投影儀具有無限對焦、陽光下清晰可讀、超凡的色彩飽和度以及小尺寸等優(yōu)勢，使其成為汽車信息娛樂系統(tǒng)的理想媒介。
本文通過剖析汽車領(lǐng)域的現(xiàn)代HUD技術(shù)，提出了采用微型激光投影儀的新方案。集成式“橋接芯片”解決方案采用高性能三通道激光驅(qū)動器，相對于老式TFT、CRT和DLP技術(shù)，其減小了尺寸、降低了成本和設(shè)計復(fù)雜度，所有這些優(yōu)點都得益于激光。
HUD技術(shù)基礎(chǔ)
最新HUD技術(shù)的核心是一個微型激光投影儀（圖1），它是一種小型MEMS成像系統(tǒng)，能夠?qū)⑾袼仃嚵型渡渲翈缀跞我獗砻?。微型激光投影儀沒有采用輻射技術(shù)（TFT和CRT），而是發(fā)射一束彩色光繪制圖像、儀表和指示燈。光束掃描一個類似于CRT電視的光柵圖。通過三原色的色度和亮度組合，產(chǎn)生每個像素（見圖1）。
圖1. 微型投影儀的核心是R、G和B激光器，以及移動MEMS反射鏡。
利用MAX3601激光驅(qū)動器集成的8位DAC，每個像素可產(chǎn)生24位色彩飽滿的RGB顏色，從而產(chǎn)生1600萬種獨特的顏色。由于激光器以截然不同的頻率發(fā)射每種顏色，所以顏色鮮艷并且可以“過飽和”，以吸引駕駛者的注意。在樹林或叢林環(huán)境下，特意使綠色呈現(xiàn)出不同尋常的色彩，以突出顯示。
組合光束被送至掃描MEMS反射鏡芯片，后者通過水平掃描產(chǎn)生一條掃描線，然后縱向斜線變化，將掃描線組合為一個顯示面。產(chǎn)生的高清圖像以60Hz的頻率刷新并且始終準確對焦——這是激光技術(shù)的另一優(yōu)點，尤其對于弧形的汽車擋風(fēng)玻璃。
驅(qū)動微型投影儀面臨的挑戰(zhàn)
在陰極射線管（CRT）中，每條掃描線從左側(cè)開始，采用回掃方法快速返回至每行的起點（圖2）。微型激光投影儀憑借現(xiàn)代化數(shù)字技術(shù)，以正向方式掃描奇數(shù)行，以反向方式掃描偶數(shù)行（圖3）。
圖2. 在CRT的消隱期間，電子束關(guān)閉，并回掃返回至下一行。
圖3. 對于微型投影儀，從左至右繪制每行時，激光打開；然后在垂直下降的無效視頻區(qū)域關(guān)閉；當從右至左繪制有效視頻時，激光再次打開。
CRT與微型激光投影儀技術(shù)的另一不同之處是時序變化，這依賴于像素在水平掃描線上的位置。因為采用MEMS技術(shù)，反射鏡必須在每行的開始和末尾加速和減速。由于MEMS反射鏡慣性的原因，在到達每個末端之前變慢，因此強制以恒定像素時鐘發(fā)送的像素在末尾“扎堆”。如果不加修正，這種像素扎堆現(xiàn)象會表現(xiàn)出從左至右的較高的邊沿亮度及坐標失真（圖4）。
圖4. 上部的一行彩色點表示MEMS像素空間。由于移動反射鏡是機械式的，加速和減速都需要時間。采用巧妙的方法對這種角速度失真進行補償。
修正扎堆現(xiàn)象的方法之一是產(chǎn)生虛擬像素，并在掃描線的各個段內(nèi)插入子像素。在掃描線的中段，MEMS反射鏡的掃描速率最快，這里會以每個虛擬視頻時鐘發(fā)送一個子像素的速率發(fā)射子像素。而在邊沿，則每隔3個、4個或5個時鐘發(fā)送一個子像素圖5）。
圖5. 在左側(cè)邊沿，內(nèi)插像素——每4個子像素時鐘1個像素；在中段，每一個子像素時鐘1個像素。
傳統(tǒng)激光投影儀設(shè)計的復(fù)雜度
控制每個高速激光像素要求器件能夠?qū)⑾袼乜焖俅蜷_和關(guān)閉，外加許多高級接口、資源以及功能電路（圖6）。MAX3601 RGB激光驅(qū)動器（圖7）能夠在1ns內(nèi)調(diào)制像素邊沿，所以非常適合用于該應(yīng)用。由于激光具有高容性、感性負載，所以關(guān)斷激光像素極具挑戰(zhàn)性。利用Maxim獨有的像素關(guān)斷輔助（Pixel-Off Assist）功能，使得1ns關(guān)斷邊緣速率成為可能。三通道DAC工作在250MHz及以上，確保高清分辨率下的視頻速度。
圖6. 微型激光投影儀SoC的傳統(tǒng)架構(gòu)，要求許多高級接口、資源和功能電路。
LCD、DLP及其它背光技術(shù)在夜間及隧道條件下面臨很大挑戰(zhàn)，背光泄露會產(chǎn)生陰影或虛影。而激光投影儀不存在該問題，因為激光采用前照光的方法點亮每個像素。由于激光投影儀逐像素增加照射，除激光偏置電流外，功率始終小于100%全開。消隱期間以及像素為黑電平時，可關(guān)斷電源。按照這種方式，對于全黑場景，功耗降低至80mW。MAX3601具有倍增DAC，可調(diào)制從黑暗環(huán)境下1流明一直到太陽光下30k流明的光輸出功率。
圖7. 集成式MAX3601三通道激光二極管驅(qū)動器與橋接芯片設(shè)計整齊連接，形成高度集成的方案。請參見下文關(guān)于橋接芯片設(shè)計的討論。
持續(xù)監(jiān)測激光顏色，以確保在較寬溫度范圍內(nèi)的顏色一致性，以及保證激光條件的安全。也利用顏色傳感器補償日光、陰影或夜間條件下的亮度。由于激光始終對焦，復(fù)雜而昂貴的光學(xué)器件不會占用光學(xué)引擎的寶貴空間。所以，激光投影儀非常適合小型汽車對空間的苛刻要求。由于現(xiàn)在的HUD架構(gòu)采用7片或更多器件用于呈現(xiàn)顏色，所以該方案所節(jié)省的空間就變得尤其寶貴。
橋接技術(shù)：一顆橋接芯片支持實時及關(guān)鍵處理
傳統(tǒng)激光投影儀中，視頻激光控制器SoC的功率幾乎與主機SoC控制器相同，也具有類似尺寸的視頻幀緩存器，以及GPU功能。微型投影儀實時執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)時僅占一部分處理器帶寬。傳統(tǒng)設(shè)計將數(shù)據(jù)從視頻幀緩存器發(fā)送至微型投影儀處理器的幀緩存器，然后逐行解析至MEMS反射鏡，這樣就很繁瑣、沒有效率。
為了消除這種冗余性并再次平衡成本、功耗以及每個關(guān)鍵元件的負荷，橋接芯片提供了合理的折衷方式。
微型激光投影儀通過使用橋接芯片（圖8），將數(shù)據(jù)流流水線化，進行高效率處理。兩個視頻幀緩存器減少為一個。實時任務(wù)由橋接芯片負責(zé)，不再占用大量系統(tǒng)負荷的中斷，從而減輕SoC負荷，使成本和功耗降低。SoC的GPU處理FIFO-LIFO掃描線反轉(zhuǎn)的存儲器尋址以及補償MEMS慣性運動。工作負荷得到了平衡。
理論上是這樣，那么從哪里開始呢？我們首先看一下投影儀的SoC功能，然后決定如何封裝這些功能。主機SoC處理器和視頻處理器均具有6MB幀緩存器，所以我們可省去存儲器并代之以少數(shù)的行緩存器。這要求在高速視頻輸入和MEMS反射鏡的較慢的行速率之間做嚴格定時；這對于支持HUD應(yīng)用所需的不同分辨率尤其重要。橋接芯片確保行緩存器始終滿載，同時也檢查主機SoC關(guān)斷或使極少的關(guān)鍵功能處于工作狀態(tài)，以節(jié)省系統(tǒng)功耗。
中斷SoC來處理一般的實時任務(wù)以及服務(wù)可預(yù)測的中斷，造成SoC在空閑期間的功耗較高。這非常浪費，因為橋接芯片更適合處理實時任務(wù)，因此，可以說橋接芯片將系統(tǒng)效率最大化了。
主機SoC非常適合處理GPU任務(wù)，例如縮放、顏色修正、白平衡、反扭曲（以補償風(fēng)擋玻璃的曲面或飛點架構(gòu)引起的針墊效應(yīng)），以及發(fā)送數(shù)據(jù)以填充橋接芯片的行緩存器。對于具有少數(shù)幾行代碼的SoC來說，反轉(zhuǎn)從左至右和從右至左的存儲器尋址，是一項簡單的任務(wù)。該SoC將會預(yù)處理數(shù)據(jù)并將其發(fā)送至橋接芯片而無需知道MEMS時序要求。
橋接芯片內(nèi)置的微型微處理器或狀態(tài)機可以處理簡單的輔助任務(wù)，使設(shè)計者能夠靈活增加自定義功能。
圍繞橋接芯片而構(gòu)建的四芯片方案形成高度集成、可編程的微型激光投影儀，連接至標準視頻接口，如HDMI和VGA。該方案處理所有投影儀相關(guān)的任務(wù)。但我們能夠進一步壓縮設(shè)計嗎？
圖8. 四芯片微型激光投影儀方案可采用橋接芯片實現(xiàn)，但集成度更高的方案則更好。
對于要求更高集成度的應(yīng)用，例如移動電話和其它小型消費類設(shè)備，橋接芯片可與其它功能組合。例如，我們可以設(shè)計一種可編程橋接芯片，支持距離檢測、桶形失真補償、反射鏡加速和減速補償，以及亮度、顏色和振動穩(wěn)定。還希望其具有支持防抖、鋸齒光柵掃描、字節(jié)視頻數(shù)據(jù)對齊、可變分辨率以及亮度控制和功率管理的硬件電路。讓處理器驅(qū)動的核心在軟件中運行硬件算法，速度足以刷新幾乎無抖動的圖像?，F(xiàn)在，可將之前的四芯片方案縮減為一個芯片（圖9）。
圖9. 新一代高度集成橋接芯片縮減為單片式微型激光投影儀方案。
結(jié)論
微型激光投影儀正逐漸嵌入至智能手機、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴式計算機以及汽車HUD顯示。2013年度有50萬輛以上的汽車配備了HUD，并且，預(yù)計在未來5年的增速將達2到20%至30%，因此，OEM要求節(jié)省HUD空間和成本是完全可以理解的。高度集成橋接芯片，如圖8和圖9所示的方案，將大大減輕主機處理器的負荷，節(jié)省空間、功耗、芯片數(shù)量，以及所需的處理資源。
以CPU為核心的HUD微型激光投影儀橋接芯片方案支持高質(zhì)量外設(shè)集成和快速處理器，這樣就能在軟件中執(zhí)行算法。使用橋接芯片的方式減少了硬件，降低了功耗和復(fù)雜度，為實現(xiàn)HUD的新思路、新方法提供了靈活性。
未來，微型激光投影儀將采用飛點架構(gòu)，這能把功能擴展至3D照相和手勢控制應(yīng)用。在2014年后期，PC和平板電腦中將配備這些功能，隨后是HUD設(shè)備將廣泛應(yīng)用于汽車中。
不久的將來，駕駛員只需在中控臺前揮一下手，即可調(diào)節(jié)收音機音量或切換至不同頻道；雙眼將通過激光HUD觀察前方路面，確保安全。高度集成的微型激光投影儀橋接芯片及參考設(shè)計將為更多公司提供快速采用該項技術(shù)的途徑，發(fā)揮創(chuàng)造性并獲取更大利潤。
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