TFT 그래픽 디스플레이 컨트롤러를 내장한 계기판 애플리케이션용 32비트 오토모티브 MCU
운전자에게 다수의 기능들을 보여주기 위해 차량용 전자기기들은 점점 복잡해지고 있다. 드라이버로 디스플레이 할 정보의 양이 증가함에 따라 높은 비용으로 인해 TFT 기반 클러스트는 매우 적은 물량이 하이-엔드 차량에만 적용되어 왔다. 이 글에서는 기존 차량 계기판 애플리케이션용 TFT 디스플레이의 단점과 이에 대한 솔루션으로 자동차 시장에서 TFT-디스플레이 기반 계기판에 대한 대량생산 가능성을 제공하는 ST 마이크로컨트롤러 제품군에 대해 살펴보도록 하겠다.
글 : Alexander Czajor, Thierry Crespo Frederic Le Cam, Olivier Ferrand /
ST마이크로일렉트로닉스 www.st.com
차량용 전자기기의 복잡성은 지난 20년 동안 급격히 증가해 왔다. 운전자에게 다수의 신기능들을 화면으로 보여주기 위해, 드라이버로 디스플레이 할 상당한 양의 상태 정보가 필요하게 된다. 이러한 정보는 일반적으로 간단한 LED, 세그먼트 LED, 도트 매트릭스 LCD 디스플레이 등과 같은 방식에 의한 클러스터 패널을 통해 제공된다.
과거에 TFT 디스플레이는 몇 가지 이유로 인해 차량에서 폭넓게 사용되지 않았다. TFF 패널의 가격이 높고, 차량용 품질과 신뢰성 표준을 지속할 수 없었으며, 디스플레이 패널을 구동하고 HMI를 관리하는 데 필요한 전자기기의 시스템 비용이 높았다. 그래픽 가속기, 그리고 플래시 또는 SDRAM/DDRAM 메모리 등과 같이 필요한 전자 부품들 역시 비용, 품질, 신뢰성 등에 있어서 추가적인 영향을 미쳤다. 결과적으로 높은 비용으로 인해 TFT 기반 클러스터는 매우 적은 물량이 하이-엔드 차량에만 적용되어 왔다.
표준 그래픽 솔루션의 단점은, RAM에서 구현되어야만 하기 때문에 통합 비용이 높은 대형 프레임 버퍼가 필요하다는 점이다. SPC56xS 마이크로컨트롤러 제품군의 핵심적인 혁신 기능은 새로운 버퍼리스(bufferless) 개념으로 이것은 MCU가 임의의 메모리 위치(플래시 또는 RAM)로부터 그래픽을 페치(fetch)할 수 있도록 지원한다. 뿐만 아니라, 그래픽 정보는 각 레이어에 대한 색상 심도의 최적화를 통해 메모리 크기에 대한 요구를 최소화하는 레이어들 안에 저장된다. 직접적으로 버퍼링되지 않은 비트 블리터(bit blitter)는 최소한의 메모리와 대역폭 자원을 사용하여 탁월한 그래픽 렌더링 성능을 제공하는 이미지를 어셈블리한다.
특정 메모리에서 시스템 자원을 최종적으로 절감함으로써 전체 인프라스트럭처를 단일 칩 솔루션에 통합할 수 있다. 이것은 일반적인 QVGA/WQVGA 디스플레이 포맷을 지원하여 최신 계기판 패널 및 대시보드 애플리케이션에 대한 반도체 비용을 대폭 감소시킨다.
ST마이크로일렉트로닉스의 SPC56xS 마이크로컨트롤러 제품군은 그래픽 디스플레이를 제공하지 않는 저가 클러스터에서부터 TFT 디스플레이 지원 기능을 포함하는 중고가 구현에 이르는 디바이스들을 모두 지원하는 단일 칩 솔루션에 대한 포괄적인 포트폴리오를 제공한다. 하이-엔드의 경우, 포트폴리오는 벡터 그래픽 지원 기능 역시 제공한다.
차량 인증 TFT 패널 공급업체의 확대와 패널 가격의 급격한 하락의 영향으로 이러한 혁신적인 디바이스 포트폴리오는 전체 차량 플랫폼에 대한 그래픽 디스플레이의 도입을 강화하고 있다.
차량 계기판 애플리케이션용 TFT 디스플레이의
기술적 과제
차량용 계기판 애플리케이션의 요건을 이해하고자 할 때 알아야 하는 디스플레이 시장과 관련된 3가지 주요 기술적 과제가 있다.
쪾 시스템 비용 제약요소
쪾품질 및 신뢰성 문제
쪾 해당 범위의 제품에 대한 시스템 호환성 및 확장성
이러한 3가지 문제를 이해하기 위해서 현재 존재하고 있는 전통적인 시스템 아키텍처에 대해 우선 검토해야 한다.
기본적인 클러스터 아키텍처
그림 1은 기본적인 계기판 애플리케이션의 아키텍처를 나타낸 것이다. 이것은 운전자에게 차량 속도, 엔진 속도, 연료 수준, 오일 온도 등에 대한 정보를 제공하는 게이지들을 포함하고 있다. 일반적으로 4개에서 6개의 게이지들이 필요하며, MCU의 특수한 스텝핑 모터 제어 출력에 의해 제어된다. 정보를 디스플레이하기 위해서 이러한 아키텍처들은 세그먼트 LCD, 도트 매트릭스, LED 등을 각각 구동하고자 병렬 LCD 버스, SPI, PWM 신호 등을 사용한다. 센서, 액츄에이터, 바디 컨트롤러 등과의 통신을 위해 다양한 통신 버스들이 필요하다. 이러한 것으로는 일반적으로 LIN 또는 CAN 버스가 있다.
비용 최적화를 위해 이와 같은 애플리케이션은 단일 또는 듀얼 레이어 PCB 보드를 사용한다.
기존 TFT-디스플레이 클러스터 아키텍처
TFT-디스플레이 클러스터는 기계적 게이지의 유무, 단일 또는 듀얼 패널 등에 따라 다양한 변형이 존재한다. 가능한 일반적인 아키텍처를 그림 2에 설명했다.
이 아키텍처는 기본적인 클러스터 페리페럴(게이지 등과 같은)의 제어를 위해 그림 1에 사용된 것과 동일한 형태의 마이크로컨트롤러뿐만 아니라 전용 그래픽 컨트롤러를 내장하고 있다.
그래픽 컨트롤러는 고속 SPI 또는 EBI 버스들을 통해 클러스터 MCU로부터 HMI 정보를 수신한다. 이 아키텍처는 외부 병렬 플래시 메모리에 그래픽 데이터 스토리지를 필요로 한다. 그래픽 처리를 위해 외부 SDRAM/DDRAM 컴포넌트에 저장되는 다양한 버퍼들을 사용한다. 이러한 버퍼들은 일반적으로 디스플레이 패널의 크기와 해상도이다. 버퍼가 클수록 이들을 모노리식 회로에 통합하는 것이 어렵다. 디스플레이 데이터는 디스플레이 컨트롤러를 통해 TFT 패널로 전송된다.
다음의 예는 앞서 열거한 3가지 기술적 과제와 관련한 이 아키텍처의 제약들을 이해하는 데 도움을 준다.
쪾 시스템 비용 : 아키텍처는 최대 4개의 복잡한 실리콘 컴포넌트들을 필요로 하기 때문에 간단한 PCB를 사용할 수 있는 가능성을 배제하며, 멀티-레이어 PCB 또는 복수의 보드를 필요로 한다. 전송되는 그래픽 데이터의 양 때문에 대역폭 요건은 높다.
쪾 품질 및 신뢰성 : 디바이스가 다양한 패키지와 기술들로 제공되기 때문에 품질 및 신뢰성 문제를 증가시킨다. 복수의 보드가 포함될 경우에 커넥터로 인한 접점 문제를 반드시 고려해야 한다.
쪾 시스템 호환성과 확장성 : 디바이스의 복잡성과 높은 핀-수의 패키지는 다양한 애플리케이션 변형을 처리하는 경우, 일반적으로 PCB 재설계는 물론 하드웨어 및 소프트웨어에 대한 호환성 문제를 야기한다.
SPC56xS 마이크로컨트롤러 제품군을 통한 계기판 아키텍처의 혁신 방법
SPC56xS 컨트롤러 제품군은 메인 클러스터 컨트롤러에 HMI 및 그래픽 디스플레이 컨트롤러를 임베디드함으로써 상당한 시스템 비용 절감을 가능하게 한다. 아키텍처를 그림 3에 나타냈다.
이 아키텍처는 매우 제한된 대역폭과 메모리 요건으로 동작하는 혁신적인 하드웨어 그래픽 컨트롤러 때문에 가능하다.
직접 버퍼링되지 않은 비트 블리터로 구성되는 디스플레이 제어 유닛을 사용한다는 개념이다. 이것은 다양한 메모리 자원들로부터의 레이어들에서 불러온, 프리-렌더링(pre-rendered)되거나 소프트웨어로 생성된 비트맵을 페치하며, 버퍼 메커니즘을 거치지 않고 디스플레이로 이들을 어셈블리 한다. 하드웨어 브렌딩 및 디스플레이 전에 조정을 통해 비트맵들에 우선순위를 부여한다. 그림 4는 이러한 개념을 설명한 것이다.
이 아키텍처의 장점은 다음과 같다.
쪾 시스템 비용: 단일칩 디바이스로서 SPC56xS는 표준 클로스터 페리페럴들뿐만 아니라 HMI 및 그래픽 디스플레이를 처리한다. 디바이스는 표준 LQFP 패키지로 제공되어 전체 시스템이 저비용의 듀얼 레이어 PCB에 포함되도록 지원한다. 추가적인 그래픽 콘텐츠가 요구되는 경우, 낮은 핀-수의 시리얼 쿼드 플래시 메모리를 QSPI 인터페이스를 통해 추가할 수 있다.
쪾 품질 및 신뢰성: 단일 기술과 단일 패키지를 사용하여 인증 비용과 품질 및 신뢰성 관련 위험요소를 극적으로 줄여준다.
쪾 시스템 호환성 및 확장성: SPC56xS 디바이스 제품군은 하드웨어 및 소프트웨어 호환성을 유지하면서 기본 및 TFT-디스플레이 클러스터를 모두 처리한다. 제품군의 일부 디바이스들은 또한 그래픽 성능을 강화하기 위한 그래픽 엔진을 포함하고 있다.
결론
SPC56xS 마이크로컨트롤러 제품군에 의해 제공되는 ST마이크로일렉트로닉스의 혁신적인 접근법은 자동차 시장에서 TFT-디스플레이 기반 계기판에 대한 대량 생산 가능성을 제공한다. 이것은 기능 향상, 시스템 비용 절감, 고품질, 높은 신뢰도 등을 통해 동일한 제품군으로 전체 계기판 애플리케이션을 지원한다.
첫 번째 출시 제품인 SPC56xS60은 온칩 그래픽 메모리를 통합한 16레이어 4-플레인 디스플레이 제어 유닛을 특징으로 하며, 현재 샘플 및 프로젝트 개발을 위해 공급되고 있다.
그림 1. 기본적인 클러스터 아키텍처
그림 2. 기존 TFT 디스플레이 클러스터 아키텍처
그림 3. SPC56xS TFT 디스플레이 클러스터 아키텍처
그림 4. 디스플레이 제어 유닛 개념
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