工业和消费者HMI系统中的扩展内存

宇芯电子

一般而言，人机界面（HMI）是使人能够与机器，系统或设备连接的用户界面或仪表板。HMI由硬件和软件组成，这些硬件和软件允许将用户输入转换为机器的控制信号，进而向用户提供反馈。HMI技术已在几乎每个行业中使用，包括制造，消费电子，娱乐和医疗等。

工业HMI是工业操作员和生产线主管用来控制制造或工业过程的主要工具。工业HMI从简单的可替换按钮和开关的便携式界面到复杂的监控和数据采集（SCADA）操作面板。随着我们进入工业4.0时代，HMI变得无处不在，而尺寸却在缩小并且变得更加便携。

随着物联网（IoT）的出现，支持HMI的消费电子产品（例如智能恒温器，监控摄像头和智能家电）获得了巨大发展。这些消费类电子设备的HMI需要具有较小的外形尺寸，以便能够轻松集成到这些空间受限的系统中。因此在工业HMI和用于消费类电子产品的HMI中，都强烈要求通过使用小尺寸，低引脚数的半导体组件来缩小PCB尺寸。此外，由于启用HMI的消费电子产品通常由电池供电，因此需要所有组件来帮助最大限度地延长系统电池寿命。

HMI系统挑战
传统上，HMI由MCU，MPU或FPGA控制，并使用SDRAM或PSRAM用于代码执行和图形缓冲。但是，这种方法极大地损害了HMI系统的设计简便性，功耗和占地面积。

考虑一个典型的128MB SDR SDRAM或PSRAM，它需要32个设备引脚来进行数据传输。这些存储器迫使使用具有高I/O引脚数的控制器，并通过增加布线拥塞使PCB设计复杂化。此外，使用SDRAM时，PCB设计人员必须经常使用电源管理IC（PMIC）在PCB周围分布多个电源轨。这需要更多的PCB空间，并消耗更多的功率，这加剧了PCB设计的挑战。

图1：通用工业和消费者HMI框图。（来源：赛普拉斯半导体）

优化系统设计的另一种方法是使用HyperRAM代替SDRAM和PSRAM在工业和消费类HMI应用中执行代码执行和图形缓冲（参见图1）。工业和消费类HMI系统通常不渲染视频，并且所使用的图像具有中低分辨率。这意味着具有400MBps带宽的64MB或128MB RAM通常足以用于图形缓冲。但是，在许多传统的HMI设计中，由于密度低于1GB的SDRAM已过时，因此必须使用超额配置的SDRAM。

HyperRAM提供400MBps的高带宽，与SDR SDRAM或DDR SDRAM或并行ADMUXP SRAM相当。但是，它可以采用更小的占位面积（48mm 2），低引脚数（用于数据传输的12引脚）封装。

扩充RAM需求
内部和扩展RAM的组合大小是确定如何执行复杂算法或使用控制器或FPGA/SoC显示高分辨率图形时最重要的因素之一。

足够的RAM或系统内存可以实现快速的读写操作，从而在启动过程的早期阶段就可以快速交付图形。此外，RAM还可以兼作堆栈/堆存储，以供应用程序代码用来实现需要上下文和状态存储空间的多层服务中例程（ISR）。在图2中估算了HMI系统中图像缓冲所需的RAM密度，它是帧数，分辨率和色深的函数。

图2：工业HMI所需的RAM与帧数和色深的关系。资料来源：赛普拉斯半导体

宇芯电子

传统上，HMI由MCU，MPU或FPGA控制，并使用SDRAM或PSRAM用于代码执行和图形缓冲。但是，这种方法极大地损害了HMI系统的设计简便性，功耗和占地面积。