亿博智能座舱显示触摸系统架构设计人生没有最优解，我们可以有多种活法，拒绝自我设限。加入本知识星球可以拓展您的圈层，打破您的认知边界，链接到4W+的汽车赛道“局内人”，交换职场信息，打破职场信息差，遇见同行伙伴，共同探索技术交流和职业发展。

　　也行有人会问，前面不是已经讲了车载显示屏、也讲了车载触摸相关原理，为什么这里还有一个显示触摸系统架构设计，还是老规矩，先上图来讲解。

　　上图就是奔驰A级轿车的内饰，里面有一个非常炫酷的双10.25寸的大屏，是不是非常好看，这个设计就是我们今天要讲的主题内容，目前基本上都是分体机设计，特别是双联屏的设计。

　　可以看到，有全贴合的组件（这个就是我们前面两个章节讲的显示屏、TP触摸屏全贴合后的一个组合），有屏的支架，有PCBA（这里的PCBA主要是驱动显示屏的硬件，不包括主机里面的PCBA，比如不包括收音机、功放、WIFI、蓝牙等设计，这些都是在另一个主机上的设计，比如下图中的那个金属主机），PCBA上面是五金后盖，做支撑和屏蔽PCBA作用，最后是一个装饰后盖。

　　从目前这两年情况来看，车载分体机显示屏触控系统的发展路线基本上是往功能化、性能化、个性化去提升，比如IN-CELL功能上车、比如曲面造型上车，比如local dimming上车等等。

　　显示触摸系统的电气系统包括 MCU模块、电源模块、对传模块、TP触摸模块、诊断模块这五大模块构成。

　　可以看到硬件主要分为五大模块，最核心的是MCU控制系统，其次是电源系统，触摸系统、显示屏的接口系统，对传芯片的解析系统，下面我们将一一进行说明。

　　带MCU的显示屏系统有非常多的好处，首先是 显示屏模组模组需要支持背光诊断、LCD屏温度异常、LVDS对传连接异常等诊断日志存储，可以去处理相关的异常。

　　而且可以扩展很多外围功能，比如我们上期所说的那个触摸振动反馈，就需要MCU进行效果库的控制，以下是分体机显示屏系统，带MCU和不带MCU的详细区别。

　　微控制器(又称微控制单元，MCU)是一种针对特定应用的控制处理而设计的微处理器芯片，其工作频率（在1MHz到200 MHz）和功耗一般比PC和手机的CPU/MPU都要低。现今的MCU都是系统级芯片(SoC)，在单个芯片上集成了多种功能模块和接口，包括存储器、I/O端口、时钟、A/D转换、PWM等，以及SPI、I2C、ISP等数据传输接口。

　　按照位数来划分，MCU可分为4位、8位、16位、32位和64位微处理器，现在32位MCU已经成为主流，正在逐渐替代过去由8/16位MCU主导的应用和市场。若按照指令集架构(ISA)来划分，MCU类型包括8051、Arm、MIPS、RISC-V、POWER等微处理器。基于Arm Cortex-M系列内核IP的MCU已经成为32位MCU的市场主流。

　　32位MCU工作频率大多在100-350MHz之间，处理能力和执行效能比8/16位更好，其应用也更为宽泛。系统厂商出于自身产品研发效率和项目管理的需要亿博体育app，将倾向于选择性价比高、容易获取设计资源的内核处理器。因此，既满足厂商需求又具有丰富生态系统资源的Arm内核成为32位MCU的主流方向，其优势和市场占有率会越来越大。

　　此外，随着先进制程工艺的采用，32位MCU的成本逐年降低，其平均售价(ASP)正逐渐逼近8位MCU。早在2015年，全球32位MCU出货量就已经超过4位、8位与16位MCU出货量总和，占到总体MCU市场的54%。预计32位MCU将继续保持高速增长，在2020年市场占有率将超过60%。

　　一般车载显示屏的MCU选型主要是从NXP和ST两个厂家进行选择，而且FLASH的软件存储容量不需要多大，车载显示屏的软件代码容量一般只有50KB左右，根据预留冗余升级的空间，选择128KB大小的FLASH就完全满足需求。

　　由于显示屏部分不需要CAN诊断，所以这部分可以选择不带CAN接口的MCU，一定要选择带PPL锁相环的MCU，如果由于芯片不带PLL，导致MCU也只能跑20MHz主频。如果测试在使用20MHz会影响实验，晶振需要降频。使用8~16MHz，这会导致IIC实时性不高，这个会影响到触摸的报点率。

　　所以上述的MCU型号汇总，NXP的S32K142经常会使用在行车记录仪、TBOX中、中控导航主机系统中使用，这个是ARM M4内核，运算速度快，而且带CAN的通讯接口，软件代码空间大。

　　目前国内MCU厂商主要在消费电子、智能卡和水电煤气仪表等中低端应用领域竞争，但在市场潜力大且利润比较高的领域，比如工业控制、汽车电子和物联网市场，都被国外的MCU厂商垄断。预计2020年国产MCU厂商的销售额将达到148亿元人民币，占整个中国MCU市场的55%。2019-2020年由于ETC和5G市场对智能卡的需求量剧增，使得智能卡应用的市场占比超过15%，预期2021年后会逐渐放缓，占比逐渐下降。

　　美国对中国的芯片出口限制虽然对华为等OEM厂商有负面影响，但却间接带动了“国产替代”热，为国内MCU厂商创造了大好商机。预计到2023年国内MCU厂商的出货量将增长到256亿元，其中在消费电子MCU市场的占比将达到86%亿博体育app。

　　在中国市场，MCU的应用主要在以下六个领域。我们根据这30家MCU厂商的产品特性和出货量，分布归入相应应用类别，但这并非意味着一个公司只提供一个应用的行业方案。国内MCU厂商多集中在家电和消费电子应用领域，该市场的竞争已经十分激烈。而在汽车电子和工业控制领域，国内MCU厂商的技术、产品和应用方案跟国际大厂还有不小的差距，有能力提供车规级MCU芯片的厂商还不多。

　　国际形势的发展让更多行业开始关注国产芯片，这给国内的芯片设计公司带来了更多的机会。全球疫情之下，海外各制造领域均处于未知状态，进口车规级MCU断供、成本上涨风险高增，基于此，国内MCU厂商迎来了国产替代的窗口期。汽车新四化进程不断推进，汽车电子产业迎来黄金期，车规级MCU芯片涨幅增大，销售额将在 2020年接近 65亿美元，随后在2021~2023年器件涨幅逐步加大，最终年销售额将达到 81 亿美元。

　　IC设计出身的华大半导体，是中国电子信息产业集团有限公司（CEC）整合旗下集成电路企业而组建的集团公司。2014年成立至今，始终名列中国集成电路设计企业前五名。其最初的业务领域是安全芯片与MCU，而在这两大领域，华大半导体已成为全球第十大MCU供应商、全球第五大安全芯片供应商。

　　华大半导体从一开始就立足MCU市场，主要聚焦在工业控制、汽车电子、安全芯片领域。根据Omdia的数据统计，华大半导体是全球第十的MCU供应商。据了解，华大MCU事业部现有员工超过100人，其中85%以上为研发人员。华大半导体的MCU主要包含4大系列，分别为超低功耗MCU、通用类MCU、电机类MCU以及车规的MCU。

　　科技主要提供8位8051 MCU、ARM Cortex－M0 MCU、ARM Cortex－M4 MCU以及专注于物联网安全的TrustZone技术系列ARM Cortex－M23 MCU；后者受惠于ARM v8－M架构的TrustZone技术，开发者可使用硬件切换安全区与非安全区，此设计方式能加速转换速度，并让功率消耗更有效率。

　　全产品线为工业温度规格设计，提供22．1184 MHz内建RC晶振（1％精确度），内置Data Flash及丰富的I／O配置功能，例如：脉宽调制器（PWM）、ADC、UART、SPI、I2C及模拟比较器，并支持在线系统编程（ISP）和在线电路编程（ICP）及高抗干扰能力（8KV ESD／4KV EFT），可满足市场不同应用需求。

　　灵动微电子是中国大陆专注于32位MCU产品与MCU应用方案的领先供应商，自2011年3月成立至今，灵动微电子已经成功完成数百余MCU产品的设计及推广，灵动微电子目前已批量供货的基于ARM Cortex－M0及Cortex－M3 内核的MCU产品包括：针对通用高性能市场的MM32F系列，针对超低功耗及安全应用的MM32L系列，具有多种无线W系列，电机驱动及控制专用的MM32SPIN系列，以及OTP型的MM32P系列等，以满足客户及市场多领域、多层次的丰富应用场景需求。产品及方案广泛应用于工业控制、智能家电、智慧家庭、可穿戴式设备、汽车电子、仪器仪表等领域。

　　灵动微电子将继续构建MM32 MCU的生态圈，工具和文档的升级更新完善基本生态，开放性打造重点领域生态圈，并提供高附加值方案，助力合作伙伴的成功。

　　凭借全球领先的存储器市场地位，兆易创新在MCU上也发挥了强大的片上存储和缓存资源的巨大优势。

　　从2013年兆易创新推出中国首个Arm Cortex－M3内核32位通用MCU系列产品算起，到今天仅5年多的时间，兆易创新已经走在了市场的前列，并更拥有广泛的行业品牌用户群。

　　兆易创新GD32 MCU是中国高性能通用微控制器领域的领跑者，中国第一个推出的Arm Cortex－M3、Cortex－M4 及Cortex－M23内核通用MCU产品系列，已经发展成为中国32位通用MCU市场的主流之选。并以累计超过2亿颗的出货数量，超过1万家客户数量，21个系列320余款产品选择所提供的广阔应用覆盖率稳居市场前列。GD32系列通用MCU采用了多项具有自主知识产权的创新技术，并已获得国内和国际多项专利认可。先后推出了业界首个具备数据双重安全加密的MCU产品系列、业界最大闪存容量的Cortex－M3 MCU、市场成本最优的 Cortex－M3 MCU以及性能最为领先的Cortex－M4 MCU。其MCU产品系列适用于工业自动化、人机界面、电机控制、安防监控、智能家居家电及物联网等领域。

　　电源架构相当于人体的骨骼，这个一定要健康和拓扑结构设计合理，否则无论其他芯片选择再牛掰，这个系统首先就存在不稳定的因素。

　　这里的电源芯片选择就非常多，无论是TI、MPS、ROHM、立琦等等，基本上国际知名电源芯片DC-DC厂家都有可以选择的芯片，而且这些芯片不像MCU那样还比较局限，这个选择面太广了。

　　二级电源基本上都是选择LDO，这样的选择考虑因素主要是从纹波因素考虑，毕竟很多二级电源都是给对传芯片、触摸芯片、显示屏等关键物料供电，如果使用DC-DC去供电，这些器件比较敏感，容易受到DC-DC开关电源的干扰，而且要求纹波要尽量小。

　　这里的电源拓扑一定很重要，每个电源芯片的负荷情况，都要标明，时序控制，瞬间最大电流，静态电流在这个框图都能明显体现。

　　这里的电源芯片的负荷最好保持40%以上的余量设计，避免由于瞬间电流过大导致电源芯片承受不了，因为很多后级负载在标定电流的时候，都只会标记最大电流和典型电流，一般在开机瞬间电流不会标记，个别容性负载的瞬间电流是规格书中的最大电流的2-3倍，这是一个极其危险的事情，很多由于成本设计因素，电源架构设计的余量只剩10%不到，一般情况下也不会出问题，只是这不是一个健康的设计。

　　很多硬件工程师说我设计的DC-DC输出就是3.3V，这个芯片的供电范围要求是3-3.6V，我设计肯定是满足设计要求的，这个还真别这么说。你想想DC-DC的FB反馈电压是一个范围值，分压电阻也是一个1%精度的值，你经过了磁珠、电感、PCB上的走线这些都有压降，把所有的极限都考虑进去，有可能就是2.9-3.4V之间了，就可能不符合要求了，这个需要在电源拓扑设计完就要做极限设计考虑。

　　显示屏的一级电源的差异主要是由于是主机供电还是直接汽车B+供电导致，如果是主机供电，显示屏这边可以节省一些TVS管，因为主机那边已经是滤波过来的电压，比较稳定。

　　这里可以看到最开始上电是主机给过来的12V，然后是LCD显示屏的使能信号，然后是初始化LVDS信号，在初始化LVDS信号的同时，在同时初始化触摸相关的型号，然后是传输视频信号，等这些都准备好了以后，此时再打开背光，整个系统就开始工作。

　　这里比较关键的是，背光一定是最后开的，因为如果前面视频没有准备好的话，直接开背光，就会导致画面没有显示，只看到一片白的光。

　　我们常见的显示屏和主机连接的座子目前来看90%都是这种HSD的双绞线形式，这里的座子有两种，一种是4PIN 的座子，这种时候就适合传输720P及以下信号，此时一对LVDS 的差分信号，一个12V电源，一个地。

　　HSD座子其实没有什么选择的，90%以上都是主机厂指定的，目前最常见的就是罗森伯格的，其次就是安费诺，然后是MOLEX，国产的座子基本上很少，这个主要是传输高速信号，要求非常高。

　　有点双联屏都是同样的HSD座子，为了防止插座，一般都会有不同类型的座子，座子的硬件焊接封装都相同，唯一不同的是颜色和防误差端口不同，这样就能做防错设计了。

　　④连续3次显示屏温度检出大于90℃温度或者主机测温度超过 X ℃时（X为环境温度85℃时，主机检测到的温度数值），拉低BL_ON_N，强制关闭背光；

　　⑤81℃判定为：连续一分钟温度检出小于81℃温度，并且通过温度比较，确认为下降时，背光PWM占空比恢复到到之前设定值。

　　所有的背光策略的出发点都是基于保护显示屏的LED的寿命，温度太高，会导致背光的寿命快速下降，而且这个显示屏的温度基本上都是背光亮度太亮导致，所以可以通过调节亮度来进行相关的策略控制。

　　MCU可以侦测显示屏各功能模块工作情况并存储异常LOG日志，并可通过打印串口/CAN获取相关异常信息。

　　首先我们来看看显示触摸屏系统中的软件部分有哪些，首先有升级模块、涉及到MCU的升级和触摸固件的升级，其次是诊断模块，电源模块的时序也是MCU进行控制（包括背光芯片的相关参数控制），有同主机端的I2C协议，也有LVDS对传芯片的软件寄存器相关的配置。

　　首先我们看看看看主机和显示屏相关联的接口有哪些，如下图所示主机和显示屏的连接方式。虽然都是通过LVDS来传输图像信号和控制信号，控制信号里面包括背光开关和PWM亮度调节，图像信号，触摸相关的信号。

　　这里需要注意的是，因为显示屏带有MCU，所以主机和MCU通讯成功之前，一定有握手协议，否则主机是不知道显示屏这边已经准备好了。这边相关需要注意的协议内容，我这边简单阐述一下。

　　1、假如这个显示屏是主机供电，那么显示屏端的对传接收芯片、触摸芯片都可以通过主机端通过LVDS对传过来进行初始化，然而在带有MCU的显示屏，还需要重复进行一次初始化，因为后面很多控制都是MCU进行控制的，防止第一次没有初始化成功，相当于双重保险。

　　2、现在的域控制，虽然开机logo比较快，但是真正要初始化到显示屏的背光的控制需要一定的时间，此时还没有到初始化背光亮度的时候，已经需要显示图像了，此时比较常见的做法，就是显示屏这边存储到上一次掉电的默认亮度，这个时候就输出给用户，否则显示屏就需要等主机初始化到背光这个时候才显示，这样开机的时间就很久。

　　3、I2C通讯都是分主机和从机，而且I2C中从机不能变为主机，这里的I2C通讯，主机就是域控制CPU，从机是显示屏的MCU，此时就非常关键的一个信号，辅助信号（也称之为中断信号），这个信号通过对传芯片948反传给主机的TI947的芯片，这个中断信号可以给到主机，让主机主动来读取显示屏MCU的寄存器，这样才能把显示屏想要的MCU相关的信息传输给主机。

　　比如最开始的主机和显示屏的握手协议，基本上就是按照这个思路来的。我就简单啰嗦一下，比如最开始在显示屏的MCU初始化显示屏端的对传芯片TI948和触摸相关的寄存器后，就需要告诉主机，此时就可以在MCU的 0X41的寄存器第一个从0变为1。

　　然后通过对传芯片TI948的一个中断IO口，然后透传给主机端的TI947芯片，然后此时主机就可以主动通过I2C的去读取显示屏端的MCU，读到0X41的寄存器状态，读到显示屏端已经准备好。

　　此时主机端也需要告诉显示屏我已经读取到你的信息了，就在0X42的寄存器中写入一个值，把第一位从0变为1。

　　这样显示屏端的MCU自己从0X42的寄存器去读取，看看主机端是否已经成功写入信息，如果写入成功了，就可以进行后面的操作了，比如更新亮度，比如显示屏传输对应的MCU、触摸的软硬件版本信息给到主机。

　　3） 当主机发送I2C读的地址与Display从地址一致时，Display将IRQ拉高，并保持高状态到主机 I2C读操作结束的停止位

　　5） 从拉低IRQ起开始计时，如果Display100ms内未收到stop位，可重新拉低IRQ进行其他中断发送。

　　接着就是报这个触摸点的坐标（这里的坐标包括X和Y的坐标，X和Y的坐标分别用高低8位，2byte的数据来表示）

　　坐标以LCD屏显示区域的左上角为原点，水平向右为X轴正方向，垂直向下为Y轴正方向；报点坐标对应LCD屏物理像素点。

　　这里首先是触摸点数量是1个，触摸状态是第一个的报点，OXC0的状态是按下，上图中④⑤报的是X的坐标439，分解为二进制是 1 1011 0111，而这个数据需要分为高8位和低8位，低8位为 1011 0111，所以为0XB7，而高8位只有一个1，所以为0X01。Y坐标同理也是这样的。

　　触摸芯片支持手套报点的方式，需要该芯片底层代码打开这个应用，是根据触摸报点时间、坐标范围、报点的AD值设定一个阀门来判断是否是手套。

　　你想想带有手套的时候，那个电容值会比正常手指小很多，表现结果就是AD电压值比较小，同时手套的单指范围比手指的范围要大一些（这个可以根据坐标范围），还有手套的触摸时间会比正常的短一些，根据这些指标的一个综合判断是不是手套模式，如果都符合条件就判定为手套模式，否则用常规手指模式去带手套操作很容易受干扰，线性灵敏度会非常低，那么手套模式就需要内部增加一个差分放大器，或者提升X轴发射的电压提高，这样就可以提高手套模式的识别率和线性灵敏度。

　　主机负责发送用户调整背光值，由屏幕侧在用户调整值的基础上，完成与上次调整值之间的渐变调整，以及屏幕高温情况下的背光温控曲线调整。

　　1、用户调节亮度变化时，每隔20ms占空比改变一次，直到调节到目标亮度为止，在500ms内调整到目标亮度

　　2、主机通过“背光开关信号”关屏，显示屏从亮屏状态收到关屏信号到进入关屏状态，显示屏需在 30ms之内完成。

　　3、如果是从关屏状态到亮屏状态，每隔20ms占空比改变一次，直到调节到目标亮度为止，在500ms内调整到目标亮度。每间隔20ms调整的占空比步长，由屏侧进行计算。如果步长占空比只能是整数值调整，则按照整数进位的占空比调整，在最后一次调整时补足占空比余数

　　由于是分体设计，经常会遇到显示屏黑屏、花屏等问题，但是这些问题有可能是主机输出就有问题，有可能是显示屏相关的问题，而且显示屏是最终的一个显示窗口，所以需要有一个诊断机制，这样在出现问题的时候能够第一时间分析判断相关的问题。

　　主这里主要诊断的是LVDS对传链路中的双绞线信号是否对地、对电源短路，开路等故障，这个可以从主机端发送诊断，也可以从MCU端对于对传芯片发送诊断信号。

　　MCU写入设置参数，每次写入参数确认确保ACK都正常。如果ACK异常，重复三次对IC断电复位。同时报错误信息亿博体育app。如果ACK正常写入完成后，对参数去读取。如果写入参数与读取参数不一致，重复三次后还不正常，报错误信息。

　　主触摸芯片的诊断，主要是在于触摸是否开路，短路、触摸芯片的固件是否出问题，上电自检是否通过等等信息。

　　MCU与触摸IC通讯采用I2C，当在做ESD时候，经常出现触摸IC死机问题，为了解决该问题，MCU与触摸IC采用心跳机制，5s读取触摸IC数据，当触摸IC没有反馈，MCU对其断电复位。

　　上图是汇顶的GA6571芯片的机制：其实触摸芯片本质就是一个MCU，它自己可以往某个寄存器写值，如果没有写了，就代表错误了。

　　MCU代码对0x8041写入AA数据，读取0x8040寄存器，读取到AA，说明触摸正常。反之触摸IC死机，报错误信息，需要对其断电复位处理。

　　还有一种处理机制，就是让触摸芯片的某个IO口一直发送某个频率的PWM波形，让MCU去检查，如果频率不对偏差太大，或者没有了，代表TP死掉了。

　　带MCU的处理方式：LP8860 内置25个Byte配置数据，断电后数据不会丢失，3个Byte 诊断信息。MCU与LP8860 I2C通讯，上电首先读取配置数据，如果芯片配置数据与MCU代码配置数据不一致，则写入MCU代码配置数据后，然后重启生效。如果I2C配置错误，则重复3次，断电复位，同时报错误信息。

　　屏内置NTC，MCU可以采集屏的温度。当高温时候（大于85度），屏需要降低亮度，以保障屏正常显示。报错误信息，通知主机显示当前高温状态。当低温时候（小于30度），报错误信息，通知主机显示当前低温状态。

　　由于屏端不需要具体的温度值，只需要几个点的温度，为了节约FLASH空间，MCU只提供AD值数据。串口读取温度数据，只反馈当前温度电阻值。

　　若先将LCM模组与塑胶前面板贴合，安装五金支架的时候，由于塑胶和五金平面度匹配问题，会使塑胶件受力，进而影响全贴合模组二次受力，产生Mura；

　　在空间结构允许的前提下，在打胶贴合前把塑胶前面板和五金支架先预固定，通过五金支架校平塑胶前框的平面度，对Mura改善和产品直通率能有较大的改善。

　　粘接LCM模组到前面板上使用的贴合胶优化，采用硅胶系的的A/B胶、胶料本身较软、同时粘接时能有一定厚度能有起到缓冲左右，有效阻断应力传递到FOG，从而能有效降低Mura风险；

　　贴合区域优化，在盖板周边区域使用上述硅胶系粘接胶，在显示屏下铁框区域使用泡棉胶或者硅胶进一步缓冲并支撑，降低Mura风险；

　　在保压过程通过保压力进行管控，数值可调，不仅仅通过行程控制，通过调整保压压力防止将塑胶件强行校平，使得固化后内应力较小，进而优化Mura现象，防止后期开胶失效。