全新CrossLinkPlus FPGA 簡化基于MIPI的視覺系統(tǒng)開發(fā)

萊迪思半導(dǎo)體白皮書

2019年11月

如今，嵌入式視覺系統(tǒng)設(shè)計師需要迎合眾多市場趨勢。例如，現(xiàn)在的設(shè)計使用的傳感器越來越多，便于收集更多數(shù)據(jù)或?qū)崿F(xiàn)新的功能。比如在汽車市場，幾十年前，汽車廠商在車輛上安裝一個備份攝像頭就算是創(chuàng)新之舉了，而現(xiàn)在他們已經(jīng)開始將攝像頭用于道路偏離監(jiān)控、速度標志牌識別和其他眾多智能駕駛應(yīng)用。

同時，嵌入式視覺系統(tǒng)設(shè)計師正逐漸采用符合移動產(chǎn)業(yè)處理器接口（MIPI）聯(lián)盟標準的組件。 MIPI起初是為移動市場開發(fā)的，它定義了移動設(shè)備的設(shè)計人員在在構(gòu)建高性能、高成本效益、可靠的移動解決方案時所需的硬件和軟件接口標準。在過去幾年中MIPI已經(jīng)成為開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的主流標準。包括工業(yè)和汽車等領(lǐng)域的各類應(yīng)用的設(shè)計人員都已經(jīng)意識到這一點，并且開始尋找方法來利用移動組件高性能和規(guī)模經(jīng)濟的優(yōu)勢。

縮短上市時間帶來的壓力也推動了對易于使用的嵌入式視覺解決方案的需求。只提供芯片的做法已經(jīng)遠遠不夠了。這些壓力讓設(shè)計人員迫切需要能夠提供所有硬件、軟件、IP和參考設(shè)計的嵌入式視覺設(shè)計環(huán)境，從而快速設(shè)計和開發(fā)終端產(chǎn)品。與此同時，如今的用戶希望他們的嵌入式顯示屏能夠像消費電子產(chǎn)品那樣反應(yīng)迅捷。啟動很慢的嵌入式顯示屏?xí)韨蜗?，破壞用戶體驗。

新的挑戰(zhàn)

這些快速發(fā)展的趨勢在創(chuàng)造機遇的同時，也為嵌入式視覺設(shè)計師帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。首先，許多嵌入式系統(tǒng)中使用的攝像頭和顯示屏與當今的應(yīng)用處理器（AP）的接口類型或數(shù)量不匹配。AP上用于傳感器的I/O很有限，卻又要支持各類顯示屏和傳感器，更為棘手的是，各種應(yīng)用的顯示大小和分辨率也不盡相同。此外，工業(yè)顯示屏使用壽命較長，許多尚在使用的顯示屏最初是通過傳統(tǒng)接口連接的。那么，當嵌入式應(yīng)用的設(shè)計人員在設(shè)計中不得不使用傳統(tǒng)或?qū)Ｓ玫娘@示屏和傳感器時，如何利用好MIPI組件市場的優(yōu)勢呢？

為了支持使用更多傳感器和更有效地管理I/O資源，設(shè)計人員需要可編程的解決方案來彌補I/O不足的缺陷。理想狀況下，這樣的解決方案需要聚合傳感器輸入，并且讓設(shè)計師對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，減少處理器的負載。理想的解決方案還需要是可編程的，能夠輕松地適應(yīng)定制化的顯示屏設(shè)計。以前，設(shè)計師只能通過為每種顯示類型開發(fā)專門的ASIC來支持不同的顯示尺寸和分辨率。而可編程的解決方案能夠使用單個器件實現(xiàn)不同的顯示要求。

2016年，隨著CrossLinkTM系列FPGA的推出，萊迪思半導(dǎo)體成為這一領(lǐng)域的領(lǐng)先供應(yīng)商。這是一款可編程的視頻橋接器件，支持連接移動圖像傳感器和顯示屏的各類協(xié)議和接口。為了滿足嵌入式視頻市場不斷增長的需求，萊迪思又推出了CrossLink的增強版本——CrossLinkPlusTM。CrossLinkPlus新增了2 Mbit的嵌入式閃存作為配置存儲器，滿足用戶對顯示屏無縫啟動的需求。有了片上閃存，CrossLinkPlus能夠在10 ms內(nèi)瞬時啟動，而人腦一般無法在15 ms內(nèi)感知圖像，因此不會產(chǎn)生偽像干擾用戶體驗。片上閃存可支持現(xiàn)場重新編程。

圖1：萊迪思半導(dǎo)體的CrossLinkPlus FPGA

CrossLinkPlus擁有同尺寸FPGA中速度最快的MIPI D-PHY，同時功耗非常低。此款FPGA封裝尺寸僅為3.5 mm x 3.5 mm，共支持12 Gbps D-PHY。除了高速MIPI D-PHY外，CrossLinkPlus還擁有6K LUT可編程FPGA架構(gòu)和靈活的高速I/O，支持MIPI CSI-2、MIPI DSI、LVDS、SLVS200、CMOS和Sub-LVDS等接口的視頻橋接。由于CrossLinkPlus能夠連接這類顯示屏和傳感器，為設(shè)計團隊提供了極大的設(shè)計靈活性。

全新器件能夠幫助開發(fā)團隊提升設(shè)計效率，從而應(yīng)對產(chǎn)品快速上市的壓力。例如，針對接收器、轉(zhuǎn)換器和發(fā)送器等功能提供的即時可用的預(yù)驗證IP庫能讓設(shè)計人員專注于開發(fā)其設(shè)計的高價值特性，讓他們的產(chǎn)品在競爭中脫穎而出。預(yù)驗證的視頻IP模塊和參考設(shè)計不僅能縮短設(shè)計周期，還能免費立即獲得。此外，這些IP模塊在CrossLink和CrossLinkplus產(chǎn)品系列均可復(fù)用。

萊迪思還提供易于使用的硬件和軟件工具來模擬功能表現(xiàn)、驗證系統(tǒng)級功能、加速產(chǎn)品開發(fā)。器件上的嵌入式閃存讓設(shè)計人員可以在現(xiàn)場更新位流，滿足不斷變化的市場需求。全新CrossLinkPlus還能幫助工程師解決嚴格的尺寸和功耗限制問題，同時避免了使用外部閃存產(chǎn)生更多功耗。

從競爭力角度而言，該器件的單位尺寸硬核MIPI D-PHY速率為業(yè)界最快。萊迪思CrossLinkPlus與相似的競品相比不僅尺寸更小，D-PHY性能更強，功耗也更低。

圖2：萊迪思CrossLinkPlus FPGA不僅提供高性能的MIPI D-PHY，而且功耗極低

萊迪思為加速產(chǎn)品開發(fā)提供了大量支持。例如，萊迪思會定期推出基于CrossLink和CrossLinkPlus的新參考設(shè)計。這些參考設(shè)計都是為在新的或現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計上實現(xiàn)流行的視頻橋接特性而定制的。

新的應(yīng)用

CrossLinkPlus的常見用例表明它可以賦予設(shè)計人員高度的設(shè)計靈活性。下列圖3描述了如何使用該器件橋接不同接口的傳感器和處理器。這此案例中，設(shè)計人員面臨這樣一個問題：一方面它們希望利用MIPI處理器的成本、性能和尺寸的優(yōu)勢；另一方面，他們希望保留采用行業(yè)標準的現(xiàn)有攝像頭。在圖3的機器視覺應(yīng)用中，設(shè)計人員采用CrossLinkPlus來橋接Sub-LVDS接口的攝像頭和D-PHY接口的MIPI處理器。

圖3：在此應(yīng)用示例中，萊迪思CrossLinkPlus FPGA在Sub-LVDS攝像頭與機器視覺處理器的MIPI I/O之間起到橋接的作用。

萊迪思CrossLinkPlus的第二個潛在應(yīng)用是聚合多個傳感器的輸入，并將其發(fā)送至應(yīng)用處理器。例如，在圖4中，三個圖像傳感器通過三個D-PHY端口與CrossLinkPlus器件連接。CrossLinkPlus將傳感器數(shù)據(jù)聚合，通過單個D-PHY輸出至處理器。設(shè)計人員可以通過這種聚合功能優(yōu)化使用處理器有限的I/O資源。

圖4：萊迪思CrossLinkPlus可以在一個端口上聚合多個傳感器信號，節(jié)約處理器的I/O

設(shè)計人員還可以使用CrossLinkPlus來實現(xiàn)MIPI信號分離或復(fù)制。在圖5中，設(shè)計人員將來自傳感器的信號饋送到CrossLinkPlus器件中，然后將輸出拆分或?qū)⑵鋸?fù)制到兩個單獨的輸出中。萊迪思認為這種方法將越來越多地應(yīng)用于智能汽車的ADAS或注重數(shù)據(jù)冗余備份的應(yīng)用中。在此案例中，來自攝像頭的信號進入萊迪思CrossLinkPlus器件，并被復(fù)制到兩個輸出流中。一個被發(fā)送到實時處理數(shù)據(jù)的應(yīng)用處理器。第二個被存檔到本地或云端進行數(shù)據(jù)記錄和備份，類似飛機的黑匣子。若發(fā)生故障或交通事故，調(diào)查人員可以查看數(shù)據(jù)備份，確定事故原因。

圖5：在該ADAS視覺系統(tǒng)中，CrossLinkPlus FPGA復(fù)制攝像頭信號輸出，發(fā)送至應(yīng)用處理器和數(shù)據(jù)備份處

下圖6展示了設(shè)計人員如何使用CrossLinkPlus將傳統(tǒng)顯示器連接到新的高性能AP。許多工業(yè)控制應(yīng)用在連接OpenLDI接口的傳統(tǒng)顯示屏和AP時，需要采用橋接器件，因為OpenLDI顯示屏通常比MIPI顯示屏大很多。新的MIPI應(yīng)用處理器通過D-PHY將數(shù)據(jù)傳送到CrossLinkPlus。然后，該器件使用OpenLDI橋接，將數(shù)據(jù)發(fā) 送到傳統(tǒng)顯示屏。同樣，CrossLinkPlus可用于橋接非MIPI接口的圖像傳感器和MIPI AP。

圖6：在該應(yīng)用示例中，萊迪思CrossLinkPlus實現(xiàn)了傳統(tǒng)顯示器和現(xiàn)代應(yīng)用處理器之間的連接

結(jié)論

如今，有了萊迪思CrossLinkPlus，那些希望加快嵌入式視覺開發(fā)的設(shè)計師們就無需苦苦尋找了。通過將FPGA的可重編程性引入嵌入式視覺系統(tǒng)，CrossLinkPlus讓設(shè)計人員可以利用MIPI組件提供的成本和性能優(yōu)勢。其硬核D-PHY接口可提供行業(yè)領(lǐng)先的性能，嵌入式閃存可實現(xiàn)瞬時顯示。該器件的運行功耗極低，尺寸小，有助于簡化散熱管理，對各類常用接口和傳統(tǒng)接口的支持最大限度地提高了設(shè)計靈活性。最后， CrossLinkPlus全面的、預(yù)先驗證且免費的IP庫進一步加快了開發(fā)速度，讓設(shè)計人員將更多時間用于設(shè)計的 核心部分——提升競爭優(yōu)勢。