基于i.MX6Q的车载全液晶虚拟仪表硬件设计

2019-08-23王涛曹峰杨粤涛钟海林

电子技术与软件工程 2019年13期

文/王涛曹峰杨粤涛钟海林

1 引言

汽车仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面，对汽车的安全与经济行驶起着重要的作用。近年来，随着汽车电子技术的不断发展，汽车仪表板上显示的信息不断增加，传统的机械指针式汽车组合仪表越来越无法满足使用的需要，特别是计算机、微电子和各种现场总线通信技术的广泛应用，以嵌入式微处理器为核心的智能化数字式仪表将是汽车仪表发展的必然趋势。本文采用i.MX6Q+MCU的平台架构，利用i.MX6Q内部集成的ARM处理器、GPU图形生成器以及其他控制器，实现车载全液晶虚拟仪表的图形生成，并且通过MCU实现i.MX6Q和外部设备的信息通讯。

2 基于i.MX6Q的车载全液晶虚拟仪表平台架构

该平台主要用于完成车载全液晶虚拟数字式仪表的功能，用以代替传统的机械表，该平台架构如图1所示。

该平台采用双处理器结构，即i.MX6Q+MCU的架构，硬件主要包括以下单位：

（1）i.MX6Q主控系统选用Freescale公司的i.MX6系列的处理器，该处理器为A9核，主频可达1GHz，内嵌2D/3D图形硬件加速器，主要完成LCD显示功能。

（2）MCU控制系统使用Freescale公司的S9KEAZ128AMLH芯片作为协处理器，完成外围接口的处理和各种信息量的采集，将采集到的模拟量、离散量等数据通过UART或I2C通信接口上报给i.MX6Q系统。

表1：启动模式

（3）LCD 作为人机交互界面，完成各种信息和操作菜单的显示。

（4）采用核心板+扩展板的设计理念进行设计，可便于核心板核心器件i.MX系列芯片的更新换代。

该平台采用i.MX6Q+MCU的架构，主要考虑到以下几个方面的优势和需求：

（1）采用i.MX6Q+MCU的架构，可以将图形和通讯分开处理。i.MX6Q是Freescale公司最新推出的一款高性能、低功耗的多媒体处理器，优秀的图形处理能力使在本设计中能够完美胜任图形处理的任务，同时i.MX6Q也具有3D显示的功能，可使液晶仪表界面丰富多彩。而S9KEAZ128AMLH作为freescale推出的一款成本比较低廉的处理器，同样能够胜任通讯处理的任务，从性价比的角度看，这样的搭配性价比比较高。同时采用i.MX6Q+MCU的架构，可以大大的降低i.MX6Q的负担，使得作图、通讯两不误，从而使i.MX6Q获得最佳的作图性能。

（2）采用i.MX6Q+MCU的架构，能够有效的防止电磁干扰。车载设备的研制，首要满足的条件便是高稳定性。做出来的设计得经得住强电磁干扰的考验，假如不采用i.MX6Q+MCU的架构，单独用一片i.MX6Q来承担作图和通讯的任务，当汽车经过强电磁环境的时候，外部送到i.MX6Q的数据可能出现错误，可能导致i.MX6Q无法正常工作，液晶虚拟仪表可能会出现黑屏的现象。而采用i.MX6Q+MCU的架构，能够有效的防止电磁干扰，外部送到MCU的数据即使受到干扰，有些通讯数据出现错误，但是i.MX6Q的画面不会消失，不致于黑屏，在这个过程中，MCU相当于起到了一个缓冲的作用。

（3）采用i.MX6Q+MCU的架构，可以丰富接口需求。i.MX6Q没有A/D采样的接口，而KEA128（即MCU）则有A/D采样接口，因此使用i.MX6Q+MCU的架构可以丰富接口需求。

3 具体设计

本平台采用i.MX6Q+MCU的架构，核心板+扩展板的设计理念。由i.MX6Q组成核心板最小系统，通过扩展板丰富一系列接口，例如：CAN总线、串口、网口等。iMX6Q只负责作图，MCU负责通讯处理，iMX6Q和MCU通过串口或者I2C实现通讯互联。基于i.MX6Q的车载全液晶虚拟仪表平台原理框图如图2所示。

3.1 i.MX6Q设计

多媒体处理器i.MX6Q是核心平台中的关键电路，本文使用的是Freescale公司的i.MX6Q系列多媒体处理器PCIMX6Q6VV1A，它具有4个Coretex-A9的ARM核，CPU最高频率为1.2GHz，GPU型号为3D vivante GC 2000，最高像素时钟为532Mpixels/sec，共有5个端口，包括2个并行输出口，2个LVDS端口，1个HDMI接口，一个MIPI/DSI接口，最多同时4个端口有效。支持一路USB 2.0 OTG，一路PCIe x1总线接口，五个UART接口，支持以太网接口。

设计中，还需要注意i.MX6Q的上电配置电路，能够实现i.MX6Q从不同的存储介质中引导操作系统的启动。i.MX6Q多媒体处理器支持四种启动模式，如表1所示的，这些启动模式的选择由外部芯片引脚通过跳线帽选择外部上下拉，即接地或者接电源，从而实现启动模式的选择。可用的启动模式为Boot From Fuses、Serial Downloader与Internal Boot三种模式。

当BOOT_MODE[1:0]=0x00b，该模式为Boot From Fuses，此模式基本与在Internal Boot模式（BOOT_MODE[1:0]=0x10b）相似，唯一区别之处在于Boot From Fuses模式下GPIO启动覆盖引脚状态被或略，启动ROM code仅使用boot eFUSE设置。Boot From Fuses模式启动流程由BT_FUSE_SEL的eFUSE值控制。如果BT_FUSE_SEL=0，表明该启动设备介质（如Flash，SD/MMC）还没有被擦写过，启动流程自动跳转到Serial Downloader烧写模式（BOOT_MODE[1:0]=0x01b）处理。如果BT_FUSE_SEL=1，执行该模式下正常的启动流程，从相应启动设备存储介质读取u-boot进行板级初始化并引导Linux操作系统。

上电启动模式选定后，i.MX6Q从配置电路指定的外部设备中引导操作系统启动。设计中，使用的上电启动设备为NAND FLASH，用于存储uboot、内核系统和文件系统。

3.2 MCU设计

设计中，MCU电路采用Freescale公司的S9KEAZ128AMLH芯片，电路设计如图3所示。

3.3 电源设计

本设计中，外部输入的电源为+24V的电池电源，采用两路独立的24V转5V电路，这是为了迎合低功耗的要求。供给MCU使用的+5V，即使汽车熄火，也能通过+24V的电池继续供电。但是供给i．MX6、EPROM、串口、A/D、离散量、PWM、LCD屏、输出外部所用+5V，则是通过MCU来控制这些电源是否供电。当汽车熄火后，MCU通过CAN总线检测到汽车熄火的信号，随即通过MCU来关断这些电源，此时整个车载全液晶虚拟仪表处于低功耗状态。当汽车启动后，MCU通过CAN总线检测到汽车启动的信号，随即通过MCU来启动这些电源，此时整个车载全液晶虚拟仪表处于高功耗状态。