低静态功耗TFT液晶汽车仪表的硬件系统设计

李菲　王飞　王蒙　王斌

摘要：为使TFT液晶汽车仪表在整车长时间停放后仍能正常启动，该文提出了一种低静态功耗的硬件系统设计，静态功耗约为1.53mA，满足整车对仪表提出来的小于3mA的静态功耗要求。此硬件系统设计方案性能可靠稳定、成本较低，已在多款TFT液晶汽车仪表中广泛应用，具有较高的应用价值。

关键词：TFT液晶汽车仪表;硬件系统设计;低静态功耗

中图分类号：TN495        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）06-0229-02

Abstract： In order to enable the TFT liquid crystal vehicle instrument to work normally after the vehicle is parked for a long time， a new hardware system design with low static power is proposed.The static power of the TFT liquid crystal vehicle instrument is about 1.53mA， which meets the static power consumption of less than 3mA.The hardware system design with reliable and stable performance and low cost， has been widely used in a variety of TFT liquid crystal vehicle instrument， and has high application value.

Key words： TFT liquid crystal vehicle instrument; hardware system design; low static power

1 引言

汽车仪表是反映车辆各系统工作状况的装置，是人与汽车的交互界面，为驾驶员提供所需的运行参数、故障、里程等信息，是每一辆汽车必不可少的部件。一般由前框、后壳、显示屏、指针、印制电路板、蜂鸣器等部件组成[1-2]。随着科技的发展，TFT（Thin Film Transistor）液晶汽车仪表已普遍使用，在整车电气系统日趋复杂的情况下，汽车仪表所接收和处理的信息日趋增多，为了满足仪表乃至车辆长时间停放后仍能正常工作的要求，静态电流是一个关键性指标。本文基于MB91F594设计了一款低静态功耗的TFT液晶汽车儀表，此硬件系统设计方案性能可靠稳定，满足乘用车量产产品设计需求。

2 TFT液晶汽车仪表的系统描述

汽车仪表正常工作电压在8V～16V，当电压小于低压值，进入低压保护状态，此时扬声器静音，指针背光灯、表盘背光灯、LCD显示屏背光灯均熄灭，步进电机指针冻结，报警指示灯变暗直至熄灭。当电压大于高压值，进入高压保护状态，此时扬声器静音，指针背光灯、表盘背光灯、LCD显示屏背光灯均熄灭，步进电机指针冻结，报警指示灯熄灭。当电压低于6V或者大于18V，汽车仪表处于无法工作状态。汽车仪表的静态功耗需要控制在3mA以内。

整车上电（KL30上电）时，各指针归零，仪表进行自检;自检未完成时发动机点火（KL15上电），仪表需完成自检，再进入正常工作模式;自检未完成时，引擎运行，则自检终止，仪表进入正常工作状态;指示灯在点亮数秒后，根据输入信号状态，进入正常工作状态;LCD显示屏在经过数秒开机动画后，进入正常显示状态;步进电机的指针从零位平缓同步指向最大指示位置，而后平缓同步返回零位，进入正常指示状态;指针和表盘的背光亮度从最低平缓上升至最高，而后平缓返回最低亮度，进入正常工作状态;LCD显示屏背光保持固定亮度亮数秒后，进入正常工作状态。

3 TFT液晶汽车仪表的硬件系统设计

3.1 硬件系统设计概述

TFT液晶汽车仪表硬件电路主要包括核心电路MCU控制器、电源转换电路、KL30和KL15的电压信号检测电路、硬件指示灯控制电路、燃油采样电路、CAN信号通信电路、指针和表牌背光显示电路、Flash存储器通讯电路、电机驱动显示电路、蜂鸣器报警电路、LED指示灯显示电路、LCD显示屏背光显示电路以及显示控制电路，本方案详细硬件系统设计框图如图1所示[3-4]。

3.2 主要元器件选型

本方案均选用车规级电子元器件，选用富士通MB91F594作为MCU控制器，32位处理器，内部集成图像处理器GDC，支持双屏显示，对TFT液晶显示屏具有强大的图像处理功能，CPU主频为80MHz，GDC频率为81MHz，内置Flash为1MB，内置RAM为64KB，多路A/D转换接口、I/O通信接口、步进电机驱动端口、声音驱动端口以及CAN、LIN通讯端口，供电电压为5V和3.3V，内置多个稳压器和优化的待机模式可使该芯片工作在低功耗模式下。

选用Spansion公司的S29GL256S Flash，256Mbit，15ns的页面访问速度以及90ns的快速随机访问速度，3.3V电压供电，最大刷写功耗为100mA，最大静态电流功耗为100uA。

选用AUO 3.5寸TFT液晶显示屏，分辨率为320*240，对比度为1000：1，视角范围为左右70度、上下70度，两路LCD背光电流，每路80mA，3.3V电压供电，最大静态电流功耗为10mA。

选用NXP TJA1042高速CAN信号收发器，该芯片具有低电磁干扰以及较高的电磁抗扰能力，具有欠压保护功能，5V电压供电，最大15uA的静态电流功耗，同时外围结构简单，使用方便。

本方案需要给各模块电路提供5V和3.3V电源电压，故选用ROHM公司的DC-DC电源芯片BD99011EFV和LDO 电源芯片BD33IC0MEFJ-M。BD99011EFV是一款低静态功耗、高转化率的Buck电源芯片，用于输出5V电压，最大负载为2A，最大静态功耗为35uA，具有過流、过压、欠压等保护功能。BD33IC0MEFJ-M是一款无静态功耗的LDO芯片，用于输出3.3V电压，最大负载电流为1A。电源芯片的选择满足本方案的电源供给。

3.3 电源架构方案设计

车身电池KL30主要给5V DC-DC电源芯片、LCD屏的背光驱动芯片[5]，以及少数的外围硬件报警指示灯控制电路供电，其他模块电路则由5V电源芯片供电。5V DC-DC电源芯片是本设计方案的主电源芯片，用于给3V LDO电源芯片、MCU控制器、CAN收发器、Speaker功放芯片、LED驱动芯片、恒流源电路运放芯片以及LED背光灯等供电[6]。本方案多数模块电路由5V电源电压供电，当KL30上电，发动机KL15未点火时，5V电源电压下的负载均处于不工作状态，静态功耗为0，实现了低静态功耗的需求，本设计方案的电源架构框图如图2所示。

本硬件设计方案应用于汽车仪表中，并对硬件系统的静态电流进行了测量，测量结果如表1所示。每款元器件芯片的使用手册均注明了该款芯片的典型静态电流值以及最大静态电流值，经过实际测量，每款元器件芯片的实际静态电流值均在规定范围内，整个仪表硬件系统的静态电流值约为1530uA，即1.53mA，满足该款汽车仪表静态电流在3mA以内的要求。

4 结论

本文阐述的TFT液晶汽车仪表的硬件系统设计已在多个量产产品上进行应用，满足低静态功耗要求;硬件系统设计成本较低、性能稳定;采用车规级元器件，满足整车及汽车仪表的法规要求和整车对汽车仪表的实验要求。本方案不仅可以支持汽车仪表具有基本的行车电脑功能，同时支持软件系统带来的较高的整车科技感和较强的用户体验。

参考文献：

[1] 白小爱，张晓敏，张晓宇，等.基于TFT显示技术的组合仪表设计[J].汽车电器，2015（2）：26-28.

[2] 谭丽蕊，董加付，张雪莲.低成本高可靠性的TFT液晶汽车仪表设计开发[J].电子器件，2019，42（3）：788-792.

[3] 王卫忠.MCU+GDC双系统的汽车虚拟仪表设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2019，19（7）：68-70，85.

[4] 王涛，曹峰，杨粤涛，等.基于i.MX6Q的车载全液晶虚拟仪表硬件设计[J].电子技术与软件工程，2019（13）：94-95.

[5] 李静，蔡祥宝，陶志阔.汽车仪表背光灯的恒流源电路设计[J].微型机与应用，2016，35（24）：30-33.

[6] 钟龙平，陈建清，缪传杰，等.基于CAN总线的组合汽车仪表盘的设计[J].传感器世界，2010，16（4）：32-36.

【通联编辑：代影】