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CrossLinkPlus FPGA 简化基於MIPI的视觉系统开发
[作者 萊迪思半導體]   2020年06月16日 星期二 浏览人次: [2088]

现今嵌入式视觉系统设计人员需要迎合众多市场趋势。例如,现在使用感测器设计的数量不断增加,以便於收集更多资料或实现新的功能。比如在汽车市场,几十年前汽车厂商在车辆上安装一个备用摄影镜头就算是创新之举,而现在已经开始将摄影镜头用於车道偏离监控、速度标志牌辨别和许多其他智慧驾驶的应用。


同时,嵌入式视觉系统设计师正逐渐采用符合行动产业处理器介面(MIPI)联盟标准的元件。MIPI起初是为行动市场开发的,定义了行动装置的设计人员在建构高效能、高成本效益、可靠的行动解决方案时所需的硬体和软体介面标准。在过去几年中,MIPI已经成为开发嵌入式系统的主流标准。包括工业和汽车等领域的各类应用的设计人员都已经意识到这一点,并且开始寻找方法来利用行动元件提供高效能和规模经济的优势。


缩短上市时间带来的压力也提高对便於使用的嵌入式视觉解决方案的需求,只提供晶片的做法已经远远不够了。这些压力让设计人员迫切地需要一个嵌入式视觉设计环境,能够提供所有硬体、软体、IP和叁考设计,从而快速设计和开发终端产品。同时,当前的使用者希??他们的嵌入式显示萤幕能够提供如消费性电子产品般反应迅捷的体验。启动缓慢的嵌入式显示萤幕会带来视觉伪像,破坏使用者体验。


全新的挑战

这些快速发展的趋势在创造机会的同时,也为嵌入式视觉设计师带来严峻的挑战。首先,许多嵌入式系统中使用的摄影镜头和显示萤幕与当今的应用处理器(AP)的介面类型或数量不匹配。AP上为感测器提供的I/O很有限,却又要支援各类显示萤幕和感测器,更为棘手的是,各种应用的显示大小和解析度也不尽相同。此外,由於工业显示萤幕使用寿命较长,许多尚在使用的显示萤幕最初是通过传统介面连接的。因此当嵌入式应用的设计人员在设计中不得不使用传统或专用的显示萤幕和感测器时,如何有效利用MIPI元件市场的优势?


为了支援使用更多感测器和更有效地管理I/O资源,设计人员需要可程式设计的解决方案来弥补I/O限制性。理想状况下,此解决方案具有整合感测器输入能力,并且让设计人员对资料进行预处理以减少处理器的负载。理想的解决方案还需要是可程式化设计的,能够轻松地适应客制化的显示萤幕设计。以往设计师只能透过为每种显示萤幕类型开发专门的ASIC来支援不同的显示萤幕尺寸和解析度,然而可程式化设计的解决方案,让设计人员能够使用单个元件实现不同的显示萤幕要求。


CrossLink系列FPGA这款可程式化设计的影像桥接元件,支援连接行动图像感测器和显示萤幕的各类协定和介面。为了满足嵌入式影像市场不断增长的需求,CrossLinkPlus为CrossLink的增强版本。为了满足使用者对显示萤幕无缝启动的需求,CrossLinkPlus新增2 Mbit的嵌入式快闪记忆体作为配置储存体。搭载片上快闪记忆体的CrossLinkPlus能够在10 ms内瞬时启动,而人脑一般无法在15 ms内察觉图像,因此不会产生伪像干扰使用者体验。片上快闪记忆体可支援现场重新程式设计。



图一 : CrossLinkPlus FPGA(source:莱迪思)
图一 : CrossLinkPlus FPGA(source:莱迪思)

CrossLinkPlus拥有同尺寸FPGA中速度最快、功耗非常低的MIPI D-PHY。此款FPGA封装尺寸仅为3.5 mm x 3.5 mm,一共支援12 Gbps D-PHY。除了高速MIPI D-PHY外,CrossLinkPlus还拥有6K LUT可程式化设计FPGA架构和灵活的高速I/O,支援MIPI CSI-2、MIPI DSI、LVDS、SLVS200、CMOS和Sub-LVDS等介面的影像桥接。CrossLinkPlus能够连接这类显示萤幕和感测器,为设计团队提供极大的设计灵活性。


为了解决产品快速上市的压力,全新元件旨在协助开发团队提升设计效率。例如针对接收器、转换器和发送器等功能提供即时可用的预先验证IP,使设计人员能专注於开发其设计的高附加价值特性。预先验证的影像IP和叁考设计不仅缩短设计周期,还能免费立即获得。此外,这些IP在CrossLink和CrossLinkPlus产品系列均可重复使用。


莱迪思还提供便於使用的硬体和软体工具来模拟功能表现、验证系统级功能、加速产品开发。元件上的嵌入式快闪记忆体让设计人员可以在现场更新位元流,满足不断变化的市场需求。优化的CrossLinkPlus能协助工程师解决严格的尺寸和功耗限制问题,同时避免使用外部快闪记忆体产生更多功耗。



图二 : CrossLinkPlus FPGA不仅提供高效能的MIPI D-PHY,而且功耗极低(source:莱迪思)
图二 : CrossLinkPlus FPGA不仅提供高效能的MIPI D-PHY,而且功耗极低(source:莱迪思)

莱迪思为加速产品开发提供了大量支援。例如定期推出基於CrossLink和CrossLinkPlus的全新叁考设计。这些叁考设计都是为在全新或现有产品设计上实现具有高需求的影像桥接特性而定制的。


全新应用

CrossLinkPlus的常见使用案例,显示出它可以赋予设计人员高度的设计灵活性。图三描述如何使用该元件桥接不同介面的感测器和处理器。此案例中,设计人员面临到一个问题:一方面他们希??利用MIPI处理器的成本、效能和尺寸的优势,但同时希??保留采用行业标准的现有摄影镜头。在图三的机器视觉应用中,设计人员采用CrossLinkPlus来桥接Sub-LVDS介面的摄影镜头和D-PHY介面的MIPI处理器。



图三 : 在此应用范例中,CrossLinkPlus FPGA在Sub-LVDS摄影镜头与机器视觉处理器的MIPI I/O之间起到桥接的作用(source:莱迪思)
图三 : 在此应用范例中,CrossLinkPlus FPGA在Sub-LVDS摄影镜头与机器视觉处理器的MIPI I/O之间起到桥接的作用(source:莱迪思)

CrossLinkPlus的第二个潜在应用是整合多个感测器的输入,并将其发送至应用处理器。例如,在图四中,三个图像感测器通过三个D-PHY埠与CrossLinkPlus元件连接。CrossLinkPlus将感测器资料整合,通过单个D-PHY输出至处理器。设计人员可以透过这种整合功能优化使用处理器有限的I/O资源。



图四 : CrossLinkPlus可以在一个埠上整合多个感测器讯号,节省处理器的I/O(source:莱迪思)
图四 : CrossLinkPlus可以在一个埠上整合多个感测器讯号,节省处理器的I/O(source:莱迪思)

设计人员还可以使用CrossLinkPlus来实现MIPI分离讯号或复制。在图五中,设计人员将来自感测器的讯号??送到CrossLinkPlus元件中,然後将其输出拆分或复制到两个单独的输出中。莱迪思认为此方法应用於智慧汽车的ADAS或注重资料重复将会越来越多。


在此案例中,来自摄影镜头的讯号进入CrossLinkPlus元件,并被复制到两个输出流中。一个被发送到即时处理资料的应用处理器,另一个被存档到本地或云端进行资料记录和备份,类似飞机的黑盒子。若发生故障或交通事故,调查人员可以查看资料备份,确定事故原因。



图五 : 该ADAS视觉系统中,CrossLinkPlus FPGA复制摄影镜头讯号输出,发送至应用处理器和资料备份处(source:莱迪思)
图五 : 该ADAS视觉系统中,CrossLinkPlus FPGA复制摄影镜头讯号输出,发送至应用处理器和资料备份处(source:莱迪思)

图六展示设计人员如何使用CrossLinkPlus将传统显示器连接到全新高效能AP。由於OpenLDI显示萤幕通常比MIPI显示萤幕大很多,因此许多工业控制应用在连接OpenLDI介面的传统显示萤幕和AP时,需要采用桥接元件。全新MIPI应用处理器透过D-PHY将资料传送到CrossLinkPlus後,该元件使用OpenLDI桥接,将资料发送到传统显示萤幕。此外,CrossLinkPlus可用於桥接非MIPI介面的图像感测器和MIPI AP。



图六 : 在该应用范例中,莱迪思CrossLinkPlus实现传统显示器和现代应用处理器之间的连接(source:莱迪思)
图六 : 在该应用范例中,莱迪思CrossLinkPlus实现传统显示器和现代应用处理器之间的连接(source:莱迪思)

CrossLinkPlus让设计人员加速嵌入式视觉开发。透过将FPGA的可重复程式化设计特性引入嵌入式视觉系统,CrossLinkPlus让设计人员可以利用MIPI元件提供的成本和效能优势。其硬核D-PHY介面可提供先进的效能,而其嵌入式快闪记忆体可实现瞬时显示的效能。


该元件的运行功耗极低且尺寸小,有助於简化散热管理,对各类常用介面和传统介面提供最大限度的设计灵活性。最後,全面、预先验证并且拥有免费IP的CrossLinkPlus进一步加快开发速度,让设计人员将更多时间用於设计最核心的部分提升竞争优势。


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