基于MPC5606S的汽车TFT彩屏仪表开发技巧

田茂昕  高级现场应用工程师 

摘要：本文基于飞思卡尔的MPC5606S芯片，介绍了MPC5606S针对TFT彩屏控制的显示器控制模块(DCU)，且对于TFT彩屏上的各种动画效果，进行逐一解析如何在MPC5606S上实现。简单易行的控制，展示出MPC5606S是一款针对TFT彩屏汽车仪表开发的专用芯片，能够迅速使得工程师从传统段码式/点阵式仪表的开发，过渡到TFT彩屏汽车仪表的开发，以满足汽车仪表市场对于TFT彩屏应用需求的日益增长。

 

随着中国汽车市场的繁荣，消费者对于汽车的要求日益提高。汽车从被人们认为是传统的代步工具，逐渐转变为一个需要提供驾驶乐趣的移动平台。和驾驶员紧密联系的汽车仪表，也从简单的信息显示平台，逐步转变为一个综合的信息显示系统。

图1  MPC5606S的内部框图

传统的汽车仪表，由步进电机显示车速、转速、油量和水温，各种报警灯分布在整个仪表的外围。在仪表盘中心位置，由段码式或点阵式LCD，提供一些综合性信息，例如里程、环境温度、油耗等。这样一个系统可以满足基本信息提示的要求。但随着TFT彩屏成本的降低且它能够满足汽车工作环境的要求，TFT彩屏展示出的绚丽效果，逐步被广大OEM所接受，逐步要求供应商提供能够支持TFT彩屏的仪表。

一、MPC5606S介绍
在这样的趋势中，飞思卡尔开发出针对TFT彩屏仪表设计的MPC5606S。图1显示了MPC5606S的内部系统框图。它是基于PowerTM 架构的e200z0核的32位MCU，可以运行在64MHz的工作频率，芯片内部具有PLL，FlexCAN，LINFlex，ADC，I2C，DSPI，eMIOS200等模块。其中，LCD模块可实现驱动段码屏且对比度可以调节。DCU模块，即显示控制模块，可实现和TFT屏直接连接控制，支持WQVGA分辨率。MPC5606S具有6个步进电机驱动器，1 MB片上闪存，独立的64KB数据闪存用于模拟EEPROM，48 KB带ECC功能的SRAM，160 KB的图形SRAM。另外，可以通过QSPI实现闪存存储空间的扩展。片内的Crossbar Switch结构，如图2，支持4个Crossbar主接口同时和4个Crossbar从接口通讯。其中，一个端口分离器使得3个从设备通过一个从端口与主设备通讯。Crossbar主接口包括e200z0h核的指令单元、e200z0h核的数据单元/Nexus、eDMA和显示器控制模块(DCU)。Crossbar从接口包括PFlash-CPU，PFlash-DCU，内部SRAM，图形SRAM，外设桥以及QSPI。

 

图2  MPC5606S的Crossbar框图

二、DCU工作机制的介绍
DCU模块是系统的主设备。根据Crossbar Switch结构，它可以独立地提取存储在片内或片外的图像数据并显示在TFT LCD上，即图像数据直接由DCU读取并实时进行图像混叠。另外，它高度灵活可配置TFT LCD控制时序的特点，决定了它具有支持TFT类型非常广泛的特点。通常TFT LCD的控制信号由像素时钟(PCLK)，场同步(VSYNC)，行同步( HSYNC)和数据使能(DE)组成，MPC5606S在芯片内部，也有相对应的寄存器与之一一对应，方便用户进行配置。DCU还具有停止模式、正常模式、测试模式以及颜色条模式。用户可以在没有任何图像源的情况下，采用颜色条模式进行检测TFT LCD的工作状况。

DCU通过控制16个图层，实现图像信息最终显示在TFT LCD屏上。每个图层都包含了当前图层显示图形的高度和宽度、图形在TFT LCD显示的位置、图形存储的地址(包括在片内/片外的所有地址空间)、图形颜色编码方式及调色板(如果需要的话)、颜色混叠方式、透明度、Chroma和Tile尺寸。 16个图层具有各自固定的优先级，图层优先级将决定不同图层的像素在TFT LCD屏上同一位置重叠时，那些图册可以显示出来。对于每个像素，最终显示出来的像素由优先级最高的4个图层的像素来混叠。这4个图层的像素可以是不透明、部分透明或完全透明。

 

图3  MPC5606S的DCU框图

图3是MPC5606S的DCU框图，解释了DCU如何提取及混叠图形，最终图形输出到TFT LCD屏上。首先，DCU通过其自带的DMA通道，从存储空间(包括片内/片外的所有存储空间)提取相关的图形内容，根据设定的图像格式转换成24位(如果需要的话)图像格式，然后通过混叠方式的设置，计算出每个像素的值，再根据Gamma校正的设置进行校准后，最终像素值会通过TFT LCD屏的数据总线输出至屏上，并设置相应标志位提示帧结束、缓冲阈值和其它状态变化信息。

三、DCU动画效果的实现
TFT LCD上的动画效果，本质上是一帧帧图像连续切换的结果，切换速度决定了动画效果的平滑与否。帧与帧之间的时间间隙，就是MCU准备下一帧内容的所有时间。MCU能否在这个时间完成下一帧的准备工作，取决于MCU对图形的处理能力，也决定了动画效果是否平滑。

基于MPC5606S的Crossbar Switch架构，DCU这个主设备具有独立的提取存储在片内或片外的图像数据并显示在TFT LCD上，即图像数据直接由DCU读取并实时进行图像混叠。e200z0h内核在DCU输出图像时无需干预，从而可以节省e200z0h核的运算负荷。但DCU无法自主得知16个图层应该输出何种图形，每个图层还是需要e200z0h核进行初始化配置。图层初始化配置完毕后，DCU即可自行输出图形到TFT LCD的数据总线上。若需重新配置某一图层，可由e200z0h核重新介入进行配置即可。每个图层可配置的信息，包括了当前图层显示图形的高度和宽度、图形在TFT LCD显示的位置、图形存储的地址(包括在片内/片外的所有地址空间)、图形颜色编码方式、透明度及调色板(如果需要的话)、颜色混叠方式、Chroma和Tile尺寸。这些信息的改变效果，能够在下一个TFT LCD场扫描周期开始时展示在屏上。

例如，对于一张显示在TFT LCD屏幕上的图形，当e200z0h核改变这张图片显示的高度，例如从0到图形的正常高度顺序递增，则显示在TFT LCD屏幕上的效果，即是看到这张图片顺序打开。若e200z0h核改变这张图片显示的高度，从图形的正常高度到0顺序递减，则显示在TFT LCD屏幕上的效果，即是看到这张图片顺序被缩小，直至消失，类似于卷帘动画。若对于一张显示在TFT LCD屏幕上的图形，固定其显示区域(宽度和图片一致，但高度小于图片高度)，当e200z0h核顺序改变显示图形存储的地址为紧临的下一行的地址，则显示在TFT LCD屏幕上的效果，即是看到这张图片在固定的显示区域内，顺序上浮显示，类似于滚屏效果。若一个动画被分解为若干帧，当e200z0h核顺序改变当前层显示图形存储的地址为下一帧的存储地址，则动画被显示在TFT LCD屏上，e200z0h核改变当前层显示图形存储的地址的速度，即是动画帧切换的速度。切换速度加快，即显示出动画快进的效果。若e200z0h核仅顺序改变当前层显示图形在屏幕中的横坐标，则当前图形在TFT LCD屏幕上匀速横移；若以‘加速度－匀速－减速度’改变其横坐标，则当前图形在TFT LCD屏幕上会以‘加速－匀速－减速’的效果显示出来。

如果连续改变当前显示图层透明度寄存器的值，则当前图层图像的透明度就会连续变化。当透明度从完全透明到完全不透明，则显示出图像淡入的效果。若透明度从完全不透明到完全透明，则实现了图像淡出的效果。

DCU不同的图层可以显示存储在同一地址的图形，利用这一特性，可以实现阴影效果。例如图层2和图层3均显示存储在闪存中的同一张图片，图层2正常显示图片，而图层3仅改变此图层的调色板，使图片的颜色均为黑色，当两个图层显示在TFT屏上时，使得两层显示的坐标有错位，则最终显示在TFT屏上的图像，是一副正常显示的图像后面有个错位显示的黑色阴影，达到伪3D效果。

四、结论
MPC5606S是一款针对TFT彩屏仪表应用开发的芯片。它具有传统的PowerPC系统稳定可靠的特点，并且充分利用Crossbar Switch结构，实现DCU自主输出图像，并且最高可达16个图层进行叠加。通过改变图层中对图像显示配置信息，可方便灵活地实现平移、卷帘、阴影等效果。现在，飞思卡尔可以免费提供基于MPC5606S的图形驱动软件，结合片内DMA功能，实现位移、旋转、卷帘、变色、淡入淡出等功能。飞思卡尔也免费提供图形、字库转换工具，可以实现绝大多数图像格式、字库的工程文件生成，方便地添加到用户的工程中，实现所设计的动画效果。高效的图形显示以及Crossbar Switch结构，使得MPC5606S能够在上电后20ms内，完成TFT屏幕显示内容的输出，足以满足OEM对汽车仪表开机显示速度的要求。

参考文献
1．MPC5606S Microcontroller reference manual
2．Configuring and using the DCU2 on the MPC5606S,  AN4187