实现新一代汽车抬头显示系统

引言

德州仪器DLP投影技术是一项被广泛使用的成熟技术，用于多种显示应用，包括：手持投影机、会议室和数字影院。DLP技术可满足先进的HUD系统的需求。DLP电子系统可支持视频处理和格式化，满足需要图形和视频图像的未来HUD系统的需求。高动态范围LED控制系统的概念已被证明可提供在白昼和黑夜观看的条件。此外，借助基于DLP技术的光学设计实施，相关人员可更加灵活地解决未来汽车HUD系统的光学设计难题、外形规格限制以及热负荷管理等问题。

DLP电子系统概述

DLP汽车抬头显示系统的概念包含两个子系统，即利用DLP控制器芯片的视频处理和格式化子系统，以及利用Piccolo微控制器（MCU）的LED控制系统。图1展示了一个典型的DLP抬头显示系统应用。

图1.典型的DLP抬头显示系统应用

DLP HUD控制器负责接收和处理从外部显示图形处理器接收到的视频和命令，它能够接收24位并行视频数据，其帧速率高达60Hz.所接收的视频数据经过可编程图像缩放、灰度、子图像支持以及边框调整因素等处理后，最终数字输出给DMD，以呈现最终图形显示。此外，DLP HUD控制器还提供启动红色、绿色和蓝色LED的频闪信号，与DMD器件上正在显示的数据保持同步，从而呈现高亮度、高度饱和色彩和具有极快显示速率的高对比度图形。

基于Piccolo MCU的LED控制系统负责精确控制整个工作温度范围以及红色、绿色和蓝色LED的老化范围内的色彩和亮度。此外，它还支持高动态亮度的自然调光，适用于HUD应用的白天和夜间驾驶情况。

LED控制系统采用基于PWM滞后控制方法的光通量反馈方案。在连续模式（CM）中，整个输出LED使能脉冲时段都以近直流电（DC）方式开启LED光源，持续保持固定的光照水平。在断续模式（DM）中，每个脉冲幅度由相同的滞后控制环路控制，但只能启用已触发的脉冲光源。DLP控制器可计量每个LED具体的脉冲数量。断续模式在保证控制精度的同时，允许采用极低的输出通量水平。

LED温度升高和LED老化将导致要用更高的电流电平才能产生所需的光通量水平。当光通量控制环路达到所需的光通量水平之前就已达到最大的LED电流时，Piccolo MCU会感知到这种情况，并相应地按比例降低所有3个LED通量水平，直到所有LED返回到光通量反馈控制之下。通过这种方式，该系统可在LED的整个使用寿命提供最佳图片，并实现终极亮度水平。

LED控制系统通过SPI总线输入接收来自上行控制光源的亮度/调光控制命令。Piccolo解析LED控制系统的命令，如RGB LED振幅电平、连续或断续模式，并通过专用I2C总线配置DLP控制器。

DLP电子系统基于汽车级元件，该元件可实现HUD系统操作所需的全部功能。该电子系统包括视频处理和LED控制系统，支持适用于白天和夜间驾驶情况的高动态调光范围。

高动态范围LED控制系统概念

HUD应用对动态范围要求非常高，在白天运行时支持的亮度要超过15000 cd/m^2，而在光线非常暗的夜间环境中，显示图形的亮度不能低于3 cd/m^2.HUD系统必须能够在目标白点处保持全色深的图形，并且动态范围需超过5000：1.LED驱动器控制系统专为汽车HUD应用而开发，已经展示了全系列的功能。

采用Piccolo MCU的LED驱动器控制系统，可管理红色、绿色和蓝色LED调幅，保持正常的白点，并同步LED照明和DLP控制器。DLP控制器为DMD和相关的RGB LED使能信号提供高速数据。LED驱动器控制电路选用的每个器件都能采用符合汽车标准的德州仪器Q1（专为汽车而设计）元件。

DLP投影系统采用脉宽调制（PWM）的红、绿和蓝光打造全色深图形，在所用的标准PWM技术内集成并同步调光功能。

该系统采用基于LED光线输出的光学滞后反馈，为了获得更高的亮度，在位段内的时段采用连续反馈模式保持稳定状态的振幅。该示例如图2所示。连续模式反馈已经证明可在100：1调光范围工作。

图2.连续调光模式

该系统还采用了断续模式反馈来生成少量脉冲光。该技术可将动态范围扩展至超过5000：1的比例。图3显示了断续模式光脉冲示例。

图3.断续调光模式

LED控制系统可采用连续和断续操作模式，展示从15000 cd/m^2至低于3 cd/m^2的范围内的自然调光。德州仪器概念系统中的已测数据如图4所示。

图4.德州仪器概念系统的已测白光

除了实现较大动态范围外，还须保持白点。为了在德州仪器概念系统中实施，我们选择D65为目标白点，D65是大部分高清电视（HDTV）所采用的标准。此白点的目标色度值为x=0.313、y=0.329.如图5和6所示，动态范围内的已测数据保持接近目标白点，离目标色度点的总偏差不小于+/- 0.01.

图5.德州仪器概念系统的已测白点

图6.动态范围外的已测白点

综上所述，所实施的LED驱动器控制系统基于汽车级元件，这些元件证明符合高动态范围，可满足白天和夜间观看条件，同时能够保持精确的白点控制。DLP HUD光学系统

DLP汽车投影系统具有一些特性，能支持带有适用于新一代增强现实显示器的VWFOV（非常宽视角）的HUD系统。DLP在光学、机械容量管理和日光热管理的设计灵活性方面，具有明显的优势。

HUD光学系统的目的是在道路前方数米观看距离中为驾驶员呈现虚拟显示。该虚拟显示可能包含仪表盘数据，如速度、导航数据或其它协助驾驶员的实时信息。用于创建此虚拟显示的光学装置通常包括1至3个注塑模具非球面镜片，具体取决于虚拟图像所需的光学矫正水平和视野（FOV）范围。图7显示了HUD镜像光学设计示例。