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简化汽车数字仪表集群的设计和可扩展性---凯利讯半导体

2019-07-12 12:12发布

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　　高度集成的系统芯片(SoC)设备，如NXP i。MX6应用程序处理器为复杂的图形密集型汽车应用程序(如工具集群)创建可伸缩的平台提供了一种有效的方法。这些SoCs与内存、通信和其他外围设备的结合需要对确保适当的电压、电流和功率排序有重要的要求。对于设计师来说，这些汽车SoCs与专业的电源管理SoCs(如NXP MMPF0100)的结合，可以大大简化从简单的仪表盘到经济型汽车的平台的设计，从而为豪华车提供高性能可重构的3D系统。 　　在任何车辆中，仪表盘仪表组是驾驶者信息的主要来源。然而，汽车仪表显示的本质正在迅速变化。消费者越来越多地要求他们在家庭娱乐系统中找到的数字体验，并在移动设备中随身携带。此外，在车辆本身内，车辆子系统的快速数字化在对司机可用信息的广度和深度上有很大的变化。 　　为了应对这种不断变化的环境，汽车制造商正在超越传统的模拟量，转向信息丰富的图形显示器。作为进化的一部分，仪器集群正在迅速发展，添加了彩 {MOD}2D和3D图形，以安全的为驾驶员提供从更多的数字数据来源获取的信息。与此同时，制造商们期待着符合成本效益的解决方案，以满足越来越多的数字仪表盘的需求。这些仪表盘的设计范围从设计中更加有限的功能，到提供高级定制显示的高级定制产品(图1)。 　　可定制的仪器集群的图像，使用2D和3D图形。
　　图1:汽车制造商正在转向使用2D和3D图形的可定制的工具集群，以安全的呈现在车辆中从数字子系统中获取的大量信息。(图片来源:凯利讯半导体) 　　对于开发人员来说，设计这些复杂子系统的传统方法可能会远远落后于日益增长的需求。例如，在通用处理器周围构建的传统嵌入式系统设计通常缺乏所需的图形性能。此外，在最好的情况下，创建能够从更有限的功能扩展到完全实现的可定制工具的设计是有问题的。在最低限度上，传统的方法需要在硬件上进行大量的更改，以交付用于扩展基本设计以交付高端性能所需的增量功能能力。不可避免的是，这种针对功能增强的暴力手段导致了高度专业化的产品设计的扩散，而这些产品的设计具有潜在的不兼容的代码基础。 　　可伸缩的平台 　　复杂的仪器集群的设计给开发人员带来了巨大的挑战，他们交付的复杂图形系统能够实时地呈现复杂、快速变化的信息。然而，即使是这些系统通常也需要更传统的微控制器功能来处理底层的通信和外围设备，比如音频。为了平衡基本的系统需求与高级图形性能的需求，汽车设计者应该考虑增加更熟悉的基于mcu的设计，并使用专门的soc来加速图形和高级应用程序代码的执行(图2)。 　　NXP图。MX6处理器
　　图2:为了满足对高性能2D和3D图形的需求，汽车工程师通过使用诸如NXP i等专门的soc来增强传统的基于微控制器的设计。MX6处理器能够快速处理应用程序代码和图形操作。(图片来源:凯利讯半导体) 　　NXP的我。MX6系列的应用SoCs为汽车仪表集群设计提供了一个特别有效的解决方案。在很大程度上，开发人员可以扩展现有的i。基于mx6的仪器集群设计，通过在一个i中下降。MX6家庭成员，最符合应用程序的成本和性能要求。事实上,我。MX 6系列的目的是作为一个可扩展的应用程序平台，它可以要求多个ARM Cortex-A9处理器和集成图形处理单元(gpu)用于高性能图形。 　　对于要求可重构的三维仪器集群，我。MX6DualPlus和我。MX6QuadPlus家庭分别提供双核和四核性能。随着多核运行到1.2 GHz，这些设备包括1mb的L2缓存、优化的64位DDR3或2通道32位LPDDR2支持，以及集成的FlexCAN、MLB总线、PCI Express和SATA-2连接。此外，这些设备还包括LVDS、MIPI显示端口、MIPI camera port和HDMI v1.4接口，这些接口通常需要在高端汽车多媒体应用程序中使用。对于要求较低的应用程序，如i等设备。MX6Solo提供了一个低成本的选项，但是它结合了一个单独的ARM Cortex-A9核心，图形加速，512 KB L2缓存和1个x32 LP-DDR2内存接口，并有完整的连接选项。 　　我。MX6的成员在整个系列中提供了几乎完全的pin兼容性。然而，在实践中，配置方面的一些差异阻碍了完全的可伸缩性。例如,我。MX6DualPlus和我。MX6QuadPlus在一些别针上有一些细微但不同的要求。四核系统将VDD_ARM_IN销连接到电源上，而双核系统通常会将这些大头针和VDD_ARM23_CAP针接在地面上以减少泄漏。四核系统设计要求在VDD_ARM23_CAP引脚处放置外部电容器。家庭的下端成员在pin配置中引入了一些额外的差异。总的来说，这些差异相对于家庭成员所提供的整体的pin兼容性来说是比较小的。 　　图形加速 　　NXP的成员。MX6系列集成专用gpu，旨在加速2D和3D图形。例如，内置的GPU3D核心提供了一个完整的高性能的图形处理流水线，能够加速在越来越多的消费者应用程序中使用的3D图形的着 {MOD}、纹理和渲染，其中包括汽车仪表集群显示器和heads-up显示器(图3)。 　　NXP图。MX6家庭
　　图3:在NXP的高性能成员中。MX6系列，集成2D和3D图形处理单元(GPU)使用管道处理加速图形操作。(图片来源:凯利讯半导体) 　　i的不同成员。MX6系列在图形管道中提供了不同级别的深度，降低了低成本设备的性能。在家庭的高端，我。MX6DualPlus和我。MX6QuadPlus提供2DBLT、八层组合、720mhz的四个着 {MOD}器以及嵌入式预取和解析引擎。相比之下，成本较低的i。MX6Solo支持2DBLT与一个单一的材质在528兆赫。 　　无论底层处理器是什么，开发人员都可以利用一些行业标准的图形api，包括OpenGL (OpenGL ES)，可以利用i的优势。MX6 gpu加速3D图形。同样,我。MX6集成R2D GPU是为了加速OpenVG二维矢量图形，用于图形用户界面(GUI)和菜单显示，例如。 　　设计环境(如NXP或第三方)利用这些api来简化工具集群应用程序的软件开发。事实上，开发人员可以找到软件库和代码，它们充分利用硬件加速的图形，这对软件工程师来说是透明的。例如,我。MX 6系列GPU软件开发工具包(SDK)包含了简单OpenGL ES 2.0应用程序的工作样本和教程。 　　除了特定的图形代码之外，第三方软件包，例如“绿 {MOD}山丘平台”(Green Hills Platform for Instrument集群)，提供了基于可伸缩的实时操作系统(RTOSs)的全面软件解决方案，以满足对低延迟、高性能的汽车数字显示应用程序的严格要求。 　　复杂的电力需求 　　高度集成的设备，如i。MX6汽车SoCs帮助开发人员满足不同的需求，可伸缩的仪器集群设计。然而，在将如此多的功能集成到一个设备中，这些复杂的设备可以提供重要的电力需求。此外，在这些设计中广泛的支持外设和接口使确保适当的电源管理的问题更加复杂。 　　在仪表板图形系统中，开发人员可能需要结合高性能的i。MX6Dual或我。具有多个接口和子系统的MX6Quad处理器。包括内存、无线连接、蓝牙、GPS、音频放大器、各种传感器、摄像头输入，以及USB、HDMI、SATA、LVDS和mPCIe等多种通信接口。当然，SoC中的每一个电路和基于足球的系统中的每个支持模块和外围设备都需要在特定的电压和当前水平上的功率。 　　此外，通过这个复杂系统运行的每条电力轨道都需要以特定的顺序启动，以确保适当的系统引导和适当的电路和模块的激活。同样地，这些电路和元件必须以特定的顺序向下供电。 　　任何偏离正确的电源或断电序列都可能导致在powerup中出现过多的电流，可能对SoC的处理器内核造成不可逆转的损害，对其他SoC集成模块，或整个系统中的其他组件造成不可逆转的损害。因此，在初始化期间和正常运行期间，每个设备和电源轨都必须被监控。尤其是在汽车行业，由于初始化不当或断电导致的电力故障，会迅速降低客户对产品的信心，甚至可能导致汽车召回。 　　对于这些复杂的基于足球的系统，基于传统的分立电力设备的电力管理充其量是不切实际的。通常，即使是一个离散的DC-DC切换调节器也需要许多离散的被动器件来支持各种参数的编程，如电压输出、软启动、频率、输入/输出过滤、顺序延迟、闭环补偿、同步等。即使是一个基本的低退出(LDO)调节器，也需要多个组件来输入/输出、软启动和启动延迟编程。 　　随着大量的外部元件的加入，根据经典的零件-计数可靠性标准，离散的电源解决方案可能体积庞大且不可靠。就尺寸而言，一个典型的2-3美元的调节阀可以占据pc板面积的100-150平方米。一个典型的200-300 mA LDO需要大约25 mm2的pc板区域。因为一个典型的基于socc的汽车仪表盘设计可能需要6个LDOs和相同数量的DC-DC转换器，汽车产品工程师会发现自己被迫将笨重的大功率包压缩到仪表盘设计中，以保持圆滑和高效。 　　相比之下，power management SoC，如NXP MMPF0100，提供最多6个DC-DC转换器和6个LDOs，使开发人员能够减少BOM的大小，以及最终的设计本身。就节省空间而言，MMPF0100的设计可以容纳大约350 mm2的pc板区域，而等效的离散解决方案需要大约800平方米的pc板的房地产。 　　意在补充我。MMPF0100的设计目的是为包括i在内的完整系统提供多个power rails——初始化所需的序列。MX6 SoCs，内存和系统外围设备(图4)。MMPF0100的特点是4个buck调节器提供6个独立的输出，一个boost调节器，6个通用的LDOs，一个开关/LDO组合和一个DDR电压参考来为i提供电压。MX6 SoC和外围设备。 　　NXP MMPF0100电源管理SoC图(按全尺寸点击)
　　图4:复杂的power management SoCs，如NXP MMPF0100可以将所有的power rails交付给i。基于mx6的系统(A)，在特定的开发程序程序序列(B)中为每个轨道供电。(图像来源:凯利讯半导体) 　　设计人员可以配置独立的buck调节器的数量从4个到6个。这种灵活性使得调节阀的输出能够以更高的电流能力运行，或者作为需要更低电流但更多的电压轨的应用程序的独立输出。该设备的buck调节器可以满足i的供应要求。MX6处理器核心和其他低电压电路，如IO和内存。此外，内置的动态电压调整为处理器核和其他电路提供了受控的供应轨道调整。 　　为最大的灵活性,MMPF0100提供一系列寄存器控制每个电源设备的操作SoC(图5)。工程师设置电压、序列和其他操作参数通过加载设备的芯片上的一次性可编程(OTP)内存或通过使用一个特殊的“try-before-buy”模式为原型和测试设备配置OTP存储器加载之前。
　　图5:一个复杂的power management SoC，如NXP MMPF0100提供了专用寄存器(顶部显示的示例)，用于芯片电源模块的简化编程(底部)。(图片来源:凯利讯半导体) 　　结论 　　通过整合ARM Cortex-A9核心与专用gpu, NXP i。MX6系列的汽车应用soc解决了越来越需要高性能的图形密集型仪器集群设计的解决方案。与此同时，这些设计提出了越来越复杂的功率要求，限制了传统的离散电源解决方案的有效性。结合一个我。MX6 SoC与NXP MMPF0100电源管理SoC，开发人员可以快速创建一个高效的汽车仪表集群平台。此外，我的性能范围和近距离的pin兼容性。MX6家族成员让开发人员更容易地从入门级的系统扩展到高性能的3D解决方案。因此，开发人员可以限制多种设计的扩散，并且更容易维护不同产品产品之间的代码兼容性。