DLP技術(shù)：實(shí)現(xiàn)新一代汽車抬頭顯示系統(tǒng)

　　摘要：采用德州儀器DLP技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能的新一代高效全彩色大視野的汽車抬頭顯示（HUD）系統(tǒng)。DLP技術(shù)的獨(dú)特性使其能夠解決抬頭顯示系統(tǒng)的常見設(shè)計(jì)問題，包括管理極端環(huán)境和熱負(fù)荷，交付高亮度和高分辨率，以及實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)光功能。此外，基于DLP投影的架構(gòu)可提供靈活的光學(xué)設(shè)計(jì)，從而創(chuàng)建虛擬大視野路面顯示，擴(kuò)大駕駛員的視野并為駕駛員提供援助。本文簡要介紹了DLP固態(tài)照明操作以及DLP技術(shù)如何解決上述常見HUD設(shè)計(jì)難題。DLP技術(shù)可用于創(chuàng)建面向未來汽車抬頭顯示應(yīng)用的先進(jìn)解決方案。

　　引言

　　德州儀器DLP投影技術(shù)是一項(xiàng)被廣泛使用的成熟技術(shù)，用于多種顯示應(yīng)用，包括：手持投影機(jī)、會(huì)議室和數(shù)字影院。DLP技術(shù)可滿足先進(jìn)的HUD系統(tǒng)的需求。DLP電子系統(tǒng)可支持視頻處理和格式化，滿足需要圖形和視頻圖像的未來HUD系統(tǒng)的需求。高動(dòng)態(tài)范圍LED控制系統(tǒng)的概念已被證明可提供在白晝和黑夜觀看的條件。此外，借助基于DLP技術(shù)的光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施，相關(guān)人員可更加靈活地解決未來汽車HUD系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)難題、外形規(guī)格限制以及熱負(fù)荷管理等問題。

　　DLP電子系統(tǒng)概述

　　DLP汽車抬頭顯示系統(tǒng)的概念包含兩個(gè)子系統(tǒng)，即利用DLP控制器芯片的視頻處理和格式化子系統(tǒng)，以及利用Piccolo 微控制器（MCU）的LED控制系統(tǒng)。圖1展示了一個(gè)典型的DLP抬頭顯示系統(tǒng)應(yīng)用。

　　圖1. 典型的DLP抬頭顯示系統(tǒng)應(yīng)用

　　DLP HUD控制器負(fù)責(zé)接收和處理從外部顯示圖形處理器接收到的視頻和命令，它能夠接收24位并行視頻數(shù)據(jù)，其幀速率高達(dá)60Hz。所接收的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過可編程圖像縮放、灰度、子圖像支持以及邊框調(diào)整因素等處理后，最終數(shù)字輸出給DMD，以呈現(xiàn)最終圖形顯示。此外，DLP HUD控制器還提供啟動(dòng)紅色、綠色和藍(lán)色LED的頻閃信號(hào)，與DMD器件上正在顯示的數(shù)據(jù)保持同步，從而呈現(xiàn)高亮度、高度飽和色彩和具有極快顯示速率的高對(duì)比度圖形。

　　基于Piccolo MCU的LED控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)精確控制整個(gè)工作溫度范圍以及紅色、綠色和藍(lán)色LED的老化范圍內(nèi)的色彩和亮度。此外，它還支持高動(dòng)態(tài)亮度的自然調(diào)光，適用于HUD應(yīng)用的白天和夜間駕駛情況。

　　LED控制系統(tǒng)采用基于PWM滯后控制方法的光通量反饋方案。在連續(xù)模式（CM）中，整個(gè)輸出LED使能脈沖時(shí)段都以近直流電（DC）方式開啟LED光源，持續(xù)保持固定的光照水平。在斷續(xù)模式（DM）中，每個(gè)脈沖幅度由相同的滯后控制環(huán)路控制，但只能啟用已觸發(fā)的脈沖光源。DLP控制器可計(jì)量每個(gè)LED具體的脈沖數(shù)量。斷續(xù)模式在保證控制精度的同時(shí)，允許采用極低的輸出通量水平。

　　LED溫度升高和LED老化將導(dǎo)致要用更高的電流電平才能產(chǎn)生所需的光通量水平。當(dāng)光通量控制環(huán)路達(dá)到所需的光通量水平之前就已達(dá)到最大的LED電流時(shí)，Piccolo MCU會(huì)感知到這種情況，并相應(yīng)地按比例降低所有3個(gè)LED通量水平，直到所有LED返回到光通量反饋控制之下。通過這種方式，該系統(tǒng)可在LED的整個(gè)使用壽命提供最佳圖片，并實(shí)現(xiàn)終極亮度水平。

　　LED控制系統(tǒng)通過SPI總線輸入接收來自上行控制光源的亮度/調(diào)光控制命令。Piccolo解析LED控制系統(tǒng)的命令，如RGB LED振幅電平、連續(xù)或斷續(xù)模式，并通過專用I2C總線配置DLP控制器。

　　DLP電子系統(tǒng)基于汽車級(jí)元件，該元件可實(shí)現(xiàn)HUD系統(tǒng)操作所需的全部功能。該電子系統(tǒng)包括視頻處理和LED控制系統(tǒng)，支持適用于白天和夜間駕駛情況的高動(dòng)態(tài)調(diào)光范圍。

　　高動(dòng)態(tài)范圍LED控制系統(tǒng)概念

　　HUD應(yīng)用對(duì)動(dòng)態(tài)范圍要求非常高，在白天運(yùn)行時(shí)支持的亮度要超過15000 cd/m^2，而在光線非常暗的夜間環(huán)境中，顯示圖形的亮度不能低于3 cd/m^2。HUD系統(tǒng)必須能夠在目標(biāo)白點(diǎn)處保持全色深的圖形，并且動(dòng)態(tài)范圍需超過5000:1。LED驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)專為汽車HUD應(yīng)用而開發(fā)，已經(jīng)展示了全系列的功能。

　　采用Piccolo MCU的LED驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)，可管理紅色、綠色和藍(lán)色LED調(diào)幅，保持正常的白點(diǎn)，并同步LED照明和DLP控制器。DLP控制器為DMD和相關(guān)的RGB LED使能信號(hào)提供高速數(shù)據(jù)。 LED驅(qū)動(dòng)器控制電路選用的每個(gè)器件都能采用符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的德州儀器Q1（專為汽車而設(shè)計(jì)）元件。

　　DLP投影系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制（PWM）的紅、綠和藍(lán)光打造全色深圖形，在所用的標(biāo)準(zhǔn)PWM技術(shù)內(nèi)集成并同步調(diào)光功能。

　　該系統(tǒng)采用基于LED光線輸出的光學(xué)滯后反饋，為了獲得更高的亮度，在位段內(nèi)的時(shí)段采用連續(xù)反饋模式保持穩(wěn)定狀態(tài)的振幅。該示例如圖2所示。連續(xù)模式反饋已經(jīng)證明可在100:1調(diào)光范圍工作。

　　圖 2. 連續(xù)調(diào)光模式

　　該系統(tǒng)還采用了斷續(xù)模式反饋來生成少量脈沖光。 該技術(shù)可將動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展至超過5000:1的比例。圖 3顯示了斷續(xù)模式光脈沖示例。

　　圖 3. 斷續(xù)調(diào)光模式

　　LED控制系統(tǒng)可采用連續(xù)和斷續(xù)操作模式，展示從15000 cd/m^2至低于3 cd/m^2的范圍內(nèi)的自然調(diào)光。德州儀器概念系統(tǒng)中的已測(cè)數(shù)據(jù)如圖4所示。

　　圖4.德州儀器概念系統(tǒng)的已測(cè)白光

　　除了實(shí)現(xiàn)較大動(dòng)態(tài)范圍外，還須保持白點(diǎn)。為了在德州儀器概念系統(tǒng)中實(shí)施，我們選擇D65為目標(biāo)白點(diǎn)，D65是大部分高清電視（HDTV）所采用的標(biāo)準(zhǔn)。此白點(diǎn)的目標(biāo)色度值為x=0.313、y=0.329。如圖5和6所示，動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的已測(cè)數(shù)據(jù)保持接近目標(biāo)白點(diǎn)，離目標(biāo)色度點(diǎn)的總偏差不小于+/- 0.01。

　　圖5. 德州儀器概念系統(tǒng)的已測(cè)白點(diǎn)

　　圖6. 動(dòng)態(tài)范圍外的已測(cè)白點(diǎn)

　　綜上所述，所實(shí)施的LED驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)基于汽車級(jí)元件，這些元件證明符合高動(dòng)態(tài)范圍，可滿足白天和夜間觀看條件，同時(shí)能夠保持精確的白點(diǎn)控制。