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串口屏硬件之主控平臺發(fā)展
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更新時間:2021-11-22 14:36:09 【
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導(dǎo)讀:
串口屏因為簡單、易用,大幅降低儀器設(shè)備的人機交互系統(tǒng)設(shè)計難度,解決人機交互相關(guān)工作的重復(fù)性設(shè)計問題,得到了儀器儀表、機電設(shè)備廠商的廣泛認可和使用。在近20年的發(fā)展過程中,串口屏硬件平臺先后經(jīng)歷了2代技術(shù)發(fā)展,對串口屏的性能產(chǎn)生了很大影響。
串口屏硬件構(gòu)成
由串口、主控CPU、內(nèi)存FLASH、圖形控制器、顯存SRAM/DARM等基本電路功能構(gòu)成。
圖1 串口屏組成框圖
內(nèi)存FLASH用于存儲用戶UI數(shù)據(jù)。主控CPU接收并解析串口指令和觸摸屏指令,調(diào)取FLASH中的UI數(shù)據(jù),并按照要求處理后顯示。CPU通過圖形控制器將像素點陣數(shù)據(jù)寫入顯存,同時,圖形控制器產(chǎn)生掃描時序,按照一定掃描頻率依次逐點從顯存中取出像素數(shù)據(jù)并輸出到液晶屏上。
第一代:2014年及以前
這一時期的串口屏主控CPU以通用單片機為主,主頻低,基本都在100MHz以內(nèi)。
圖2 SDW串口屏核心電路
由于CPU主頻低、功能較為單一、集成度低,使得第一代串口屏都需要增加單獨的芯片實現(xiàn)圖形控制器和顯存功能。所以,第一代串口屏芯片數(shù)量眾多、硬件設(shè)計難度大、成本高。而且,因為市場上沒有成熟好用的圖形控制器芯片,需要使用可編程邏輯器件自行設(shè)計實現(xiàn),這也是第一代串口屏的設(shè)計難點之一。
中顯科技早期的SDW系列串口屏,基于STM32F103VBT6 + CPLD的硬件平臺設(shè)計,是這一時期極具代表性的原創(chuàng)串口屏硬件架構(gòu)。
正是由于第一代串口屏使用芯片數(shù)量多、且年代久遠,因此受2020年夏季開始的芯片荒影響十分巨大,缺貨導(dǎo)致了部分芯片價格成數(shù)十倍的上漲,造成了第一代串口屏在短時間內(nèi)全部退出市場的事實。
第二代:2015年及以后
第二代串口屏硬件平臺具有兩個顯著特點:一是主控CPU主頻明顯提高,基本都在200MHz以上。二是CPU集成度大幅提高,通常都集成了圖形控制器和顯存功能,真正做到了單芯片方案,CPU外只需要外接一只內(nèi)存FLASH就可以了。
圖3 SDWe與SDWa串口屏核心電路
第二代串口屏主控CPU主頻的提高,CPU的運算能力大幅提升,促使了串口屏圖片格式由bmp無壓縮點陣格式發(fā)展到了采用jpg壓縮格式,大大減少了UI圖片數(shù)據(jù)對內(nèi)存的占用,推動了內(nèi)存從大容量并口NAND FLASH進化到了小容量SPI Nor FLASH。帶來的好處是一方面簡化了硬件設(shè)計,同時降低了成本、且提高了存儲可靠性。
由于主控CPU主頻的提升,CPU的運算能力大幅提升,也促使了第二代串口屏的音視頻等多媒體功能得到了加強和廣泛應(yīng)用。
由于芯片數(shù)量減少,第二代串口屏硬件設(shè)計難度大幅降低、成本優(yōu)勢明顯。中顯科技于2015年率先推出的SDWe系列串口屏,是這一時期串口屏的典型代表。
未來趨勢:
由于串口屏市場的快速發(fā)展,受到了眾多芯片設(shè)計公司的關(guān)注,市面上出現(xiàn)了多款針對該領(lǐng)域應(yīng)用的新方案?;贑ortex-A7內(nèi)核芯片是其中最有代表性的一類,該類芯片基本都是基于20nm級的工藝制造,先進的工藝,帶來的是實實在在的性價比的提升。
基于20nm級的Cortex-A7內(nèi)核芯片,相較于40nm、50nm級工藝的第二代主控芯片,主頻大幅提升至1GHz以上,數(shù)據(jù)處理能力大幅提升,恰好滿足了串口屏提升各種動態(tài)畫面顯示效果的需求。芯片功耗更低,對電源電路、散熱等硬件設(shè)計都是利好。部分廠商推出的Cortex-A7內(nèi)核芯片,內(nèi)部集成了大容量的DRAM顯存,并采用了利于雙面PCB板布線的QFP、QFN封裝,具備了作為新一代串口屏硬件平臺的基本條件。
隨著用戶對串口屏應(yīng)用體驗的提升,再加上成本上的此消彼長, Cortex-A7內(nèi)核芯片未來或許會成為新一代串口屏的首選。
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