汽车座舱的多屏设计的机遇与挑战

如果你置身于特斯拉最新推出的Model 3的座舱中，即使车子还没有发动行驶，你也一定会被牢牢占据座舱C位的那个15英寸的触控屏所吸引。它取代了传统座舱中的仪表盘和中控，取消了几乎所有实体按钮，让整个座舱的设计极简而又充满了科技感。   触控屏走进汽车座舱并不是新鲜事，但是像Model 3这样将触摸屏用得如此极致，还是很有颠覆性的，从中我们也可以洞察出一个大趋势：触控屏正在成为车载HMI的主旋律，未来将有更大、更多的屏幕出现在驾舱中。按照Strategy Analytics分析师的预测，今后在一些高档汽车中，显示屏的数量可能会多达甚至超过10块。  

图1，Model 3的座舱中采用了15英寸的触控屏作为HMI（图源：网络）   多屏设计的机遇与挑战   推动这一多屏趋势的动力，主要来自以下几个方面：   首先，如今的汽车为了确保更安全更舒适的用户体验，需要处理大量的数据，这些数据相关的信息也要和用户进行更为高效的互动，而传统的“仪表盘+中控”的车载HMI显然无法满足这种信息交互的要求，信息的展示方式也不够友好，唯有更大、更多、更直观的触控屏方可应对这一快速增长的需求。   其次，今天的汽车已经不是一个单纯的交通工具，它承载了更多信息娱乐的功能，需要为座舱内所有的用户——包括驾驶员和乘客——提供个性化的服务，一块中控屏显然无法满足多用户个性化的需求，多屏配置势在必行。  

再有，汽车及汽车中用户与外部世界的信息交互越来越多，交互场景也越来越多样化，多屏联动，各司其职，无疑提供了一种更具灵活性和扩展性的解决方案。   当然，任何一次功能的迭代，势必带来新的技术挑战，屏幕数量的增加和功能的提升，与汽车有限的空间之间将是一对难于调和、又必须认真处理的矛盾，这也就促使屏幕背后的电子元器件必须在高集成、小型化方面来一次全面的升级。我们可以看到，这样的变化已经在发生。   一芯多屏的应用处理器   “压缩”多屏幕背后的电子系统尺寸，可以从多个维度进行，而最关键的一点肯定要落在作为屏幕处理控制核心的应用处理器身上。传统汽车系统中，操控每块屏幕的处理/控制器都是独立的，也就是说每增加一块屏幕，也就需要增加一颗处理/控制器，成本和空间上的压力也会随之增加。解决这一难题，一个很自然的想法就是“能否用一颗处理器去支持多个屏幕？”恩智浦的i.MX 8QuadMax应用处理器就是沿着这一思路而设计的解决方案。   恩智浦提供的资料显示，i.MX 8QuadMax集成了两个Arm Cortex-A72内核、四个Cortex-A53内核、两个Cortex-M4F内核和两个GC7000XS/VX GPU，同时包括HiFi 4 DSP，支持LPDDR4内存以及带音视频桥接（AVB）功能的双Gb以太网。可以说i.MX 8QuadMax延续了i.MX 8应用处理器家族高性能的特点，其GPU、四个Arm内核和IO选项，可以为用户提供具有人工智能和机器学习所需的处理能力和灵活性。  

而其最大的特色是，具有独特的硬件分区架构和功能，可以在没有管理程序的情况下运行多个操作系统，在单个处理器上支持最多4个独立的屏幕（分辨率可达4K），在提供足够的处理性能的同时，各个屏幕之间的代码是彼此“隔离”的，能够很好地满足每个屏幕独特的可靠性和安全性的要求。   在年初的CES2020 上，恩智浦展示了基于双i.MX 8QuadMax芯片实现的、支持多达11块屏幕的多屏解决方案，这些显示屏包括HUD、仪表盘、副驾显示、中控、左右后视镜显示屏，以及内后视镜等，可以说覆盖了目前可以想到的所有基于屏幕的汽车HMI应用的场景。   目前，i.MX 8QuadMax正在积极做好“上车”商用的准备，比如通过与全球高端车载信息娱乐系统供应商ART的合作，基于i.MX 8QuadMax的多屏显示系统已经进入了一些高端车型的2021年生产计划。一经市场验证，未来这种“一芯多屏”的方案逐渐下探至中、低端车型市场，只是一个时间的问题。  

图2，基于恩智浦双i.MX 8QuadMax芯片架构的，支持多达11块屏幕的汽车多屏HMI解决方案（图源：NXP）   高集成的电源管理芯片   除了主控芯片，车载显示器的其他外围元器件也在为了迎接多屏时代的到来进行着升级。比如在汽车显示屏的电源管理芯片领域，“新物种”已经出现。   传统的车载显示屏电源设计，需要4-5颗分立的IC，通常包括：一颗高压降压转换器提供3.3V电源轨；一颗高压低IQ LDO负责MCU供电；一颗低压LDO应对低噪声应用；一颗低压降压转换器提供解串器供电；一颗看门狗定时器支持MCU复位（如图3）。当屏幕增多之后，这样的架构显然会挤占有限的系统空间。  

图3，传统的采用分立IC的车载显示屏电源系统（图源：美信）   为了简化汽车显示器电源系统，2020年初，Maxim Integrated推出高集成度汽车显示屏PMIC MAX16923，它在单一芯片中集成5大功能，有效降低了设计复杂度和方案尺寸，配合 MAX20069 TFT偏置电源和LED驱动器，只用简洁的双芯片架构，即可满足12.3英寸及以下汽车显示屏供电所需（如图4）。  

图4，基于高集成度汽车显示屏PMIC MAX16923的双芯片车载显示屏电源系统（图源：美信）   从图4中可以看到，MAX16923高集成电源管理功能包括：

一个高压2.1A降压转换器(5V或3.3V)

一个高压100mA低IQ LDO(3.3V)

一个低压1.6A降压转换器(3.3V、1.8V、1.2V或1.1V)

一个低压线性LDO(3.3V、1.8V、1.5V或1.0V)

看门狗定时器

采用这样的方案，将系统方案的芯片数量从5片减少为1片，尺寸缩小50%，可以有效降低设计复杂度，缩小方案尺寸，优化BOM成本。要知道这里省下的空间和成本，也就意味着汽车显示系统更大的功能扩展空间、更优的用户体验，由此带来的附加值非常有意义。   总之，多屏时代的汽车座舱新体验，让人充满了期待，也会让越来越多的用户为之心动。而作为开发者，如果你嗅到了其中的商机，也是时候对屏幕背后的芯片“动些手脚”，升级迭代，为未来的汽车多屏应用释放更大的空间。