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澳门新萄京娱乐可编程逻辑在消费电子中的应用

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原标题:全新CrossLinkPlus
FPGA,简化基于MIPI的视觉系统开发如今,嵌入式视觉系统设计师需要迎合众多市场趋势。例如,现在的设计使用的传感器越来越多,便于收集更多数据或实现新的功能。比如在汽车市场,几十年前,汽车厂商在车辆上安装一个备份摄像头就算是创新之举了,而现在他们已经开始将摄像头用于道路偏离监控、速度标志牌识别和其他众多智能驾驶应用。本文引用地址:
MIPI起初是为移动市场开发的,它定义了移动设备的设计人员在在构建高性能、高成本效益、可靠的移动解决方案时所需的硬件和软件接口标准。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移动组件高性能和规模经济的优势。缩短上市时间带来的压力也推动了对易于使用的嵌入式视觉解决方案的需求。只提供芯片的做法已经远远不够了。这些压力让设计人员迫切需要能够提供所有硬件、软件、IP和参考设计的嵌入式视觉设计环境,从而快速设计和开发终端产品。与此同时,如今的用户希望他们的嵌入式显示屏能够像消费电子产品那样反应迅捷。启动很慢的嵌入式显示屏会带来伪像,破坏用户体验。新的挑战这些快速发展的趋势在创造机遇的同时,也为嵌入式视觉设计师带来了严峻的挑战。首先,许多嵌入式系统中使用的摄像头和显示屏与当今的应用处理器(AP)的接口类型或数量不匹配。AP上用于传感器的I/O很有限,却又要支持各类显示屏和传感器,更为棘手的是,各种应用的显示大小和分辨率也不尽相同。此外,工业显示屏使用寿命较长,许多尚在使用的显示屏最初是通过传统接口连接的。那么,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屏和传感器时,如何利用好MIPI组件市场的优势呢?为了支持使用更多传感器和更有效地管理I/O资源,设计人员需要可编程的解决方案来弥补I/O不足的缺陷。理想状况下,这样的解决方案需要聚合传感器输入,并且让设计师对数据进行预处理,减少处理器的负载。理想的解决方案还需要是可编程的,能够轻松地适应定制化的显示屏设计。以前,设计师只能通过为每种显示类型开发专门的ASIC来支持不同的显示尺寸和分辨率。而可编程的解决方案能够使用单个器件实现不同的显示要求。2016年,随着CrossLinkTM系列FPGA的推出,莱迪思半导体成为这一领域的领先供应商。这是一款可编程的视频桥接器件,支持连接移动图像传感器和显示屏的各类协议和接口。为了满足嵌入式视频市场不断增长的需求,莱迪思又推出了CrossLink的增强版本——CrossLinkPlusTM。CrossLinkPlus新增了2
Mbit的嵌入式闪存作为配置存储器,满足用户对显示屏无缝启动的需求。有了片上闪存,CrossLinkPlus能够在10
ms内瞬时启动,而人脑一般无法在15
ms内感知图像,因此不会产生伪像干扰用户体验。片上闪存可支持现场重新编程。图1:莱迪思半导体的CrossLinkPlus
FPGACrossLinkPlus拥有同尺寸FPGA中速度最快的MIPI
D-PHY,同时功耗非常低。此款FPGA封装尺寸仅为3.5 mm x 3.5 mm,共支持12
Gbps D-PHY。除了高速MIPI D-PHY外,CrossLinkPlus还拥有6K
LUT可编程FPGA架构和灵活的高速I/O,支持MIPI CSI-2、MIPI
DSI、LVDS、SLVS200、CMOS和Sub-LVDS等接口的视频桥接。由于CrossLinkPlus能够连接这类显示屏和传感器,为设计团队提供了极大的设计灵活性。全新器件能够帮助开发团队提升设计效率,从而应对产品快速上市的压力。例如,针对接收器、转换器和发送器等功能提供的即时可用的预验证IP库能让设计人员专注于开发其设计的高价值特性,让他们的产品在竞争中脱颖而出。预验证的视频IP模块和参考设计不仅能缩短设计周期,还能免费立即获得。此外,这些IP模块在CrossLink和CrossLinkplus产品系列均可复用。莱迪思还提供易于使用的硬件和软件工具来模拟功能表现、验证系统级功能、加速产品开发。器件上的嵌入式闪存让设计人员可以在现场更新位流,满足不断变化的市场需求。全新CrossLinkPlus还能帮助工程师解决严格的尺寸和功耗限制问题,同时避免了使用外部闪存产生更多功耗。从竞争力角度而言,该器件的单位尺寸硬核MIPI
D-PHY速率为业界最快。莱迪思CrossLinkPlus与相似的竞品相比不仅尺寸更小,D-PHY性能更强,功耗也更低。图2:莱迪思CrossLinkPlus
FPGA不仅提供高性能的MIPI
D-PHY,而且功耗极低莱迪思为加速产品开发提供了大量支持。例如,莱迪思会定期推出基于CrossLink和CrossLinkPlus的新参考设计。这些参考设计都是为在新的或现有产品设计上实现流行的视频桥接特性而定制的。新的应用CrossLinkPlus的常见用例表明它可以赋予设计人员高度的设计灵活性。下列图3描述了如何使用该器件桥接不同接口的传感器和处理器。这此案例中,设计人员面临这样一个问题:一方面它们希望利用MIPI处理器的成本、性能和尺寸的优势;另一方面,他们希望保留采用行业标准的现有摄像头。在图3的机器视觉应用中,设计人员采用CrossLinkPlus来桥接Sub-LVDS接口的摄像头和D-PHY接口的MIPI处理器。图3:在此应用示例中,莱迪思CrossLinkPlus
FPGA在Sub-LVDS摄像头与机器视觉处理器的MIPI
I/O之间起到桥接的作用.莱迪思CrossLinkPlus的第二个潜在应用是聚合多个传感器的输入,并将其发送至应用处理器。例如,在图4中,三个图像传感器通过三个D-PHY端口与CrossLinkPlus器件连接。CrossLinkPlus将传感器数据聚合,通过单个D-PHY输出至处理器。设计人员可以通过这种聚合功能优化使用处理器有限的I/O资源。图4:莱迪思CrossLinkPlus可以在一个端口上聚合多个传感器信号,节约处理器的I/O设计人员还可以使用CrossLinkPlus来实现MIPI信号分离或复制。在图5中,设计人员将来自传感器的信号馈送到CrossLinkPlus器件中,然后将输出拆分或将其复制到两个单独的输出中。莱迪思认为这种方法将越来越多地应用于智能汽车的ADAS或注重数据冗余备份的应用中。在此案例中,来自摄像头的信号进入莱迪思CrossLinkPlus器件,并被复制到两个输出流中。一个被发送到实时处理数据的应用处理器。第二个被存档到本地或云端进行数据记录和备份,类似飞机的黑匣子。若发生故障或交通事故,调查人员可以查看数据备份,确定事故原因。图5:在该ADAS视觉系统中,CrossLinkPlus
FPGA复制摄像头信号输出,发送至应用处理器和数据备份处下图6展示了设计人员如何使用CrossLinkPlus将传统显示器连接到新的高性能AP。许多工业控制应用在连接OpenLDI接口的传统显示屏和AP时,需要采用桥接器件,因为OpenLDI显示屏通常比MIPI显示屏大很多。新的MIPI应用处理器通过D-PHY将数据传送到CrossLinkPlus。然后,该器件使用OpenLDI桥接,将数据发
送到传统显示屏。同样,CrossLinkPlus可用于桥接非MIPI接口的图像传感器和MIPI
AP。图6:在该应用示例中,莱迪思CrossLinkPlus实现了传统显示器和现代应用处理器之间的连接结论如今,有了莱迪思CrossLinkPlus,那些希望加快嵌入式视觉开发的设计师们就无需苦苦寻找了。通过将FPGA的可重编程性引入嵌入式视觉系统,CrossLinkPlus让设计人员可以利用MIPI组件提供的成本和性能优势。其硬核D-PHY接口可提供行业领先的性能,嵌入式闪存可实现瞬时显示。该器件的运行功耗极低,尺寸小,有助于简化散热管理,对各类常用接口和传统接口的支持最大限度地提高了设计灵活性。最后,
CrossLinkPlus全面的、预先验证且免费的IP库进一步加快了开发速度,让设计人员将更多时间用于设计的  
核心部分——提升竞争优势。

构建更好的视频桥接解决方案

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投稿人:Digi-Key’s North American Editors
2017-01-24
嵌入式系统开发人员正在利用移动处理器的创新、广泛接纳的 MIPI
标准接口,以及新一代低成本图像传感器和显示器,构建高性能低成本的产品,
但仍然需要解决许多挑战。
随着性能的快速提升,如何预测所需的接口类型和数量?
如何在利用这些处理器具备的创新特点的同时,又保留对传统显示器和/或图像传感器巨大投入的价值?
如何快速、低成本地桥接不同接口类型,确保设计成功?
本文将介绍与迁移到新接口和桥接新旧设备相关的影响和设计问题,并介绍一些可行的解决方案和应用方法。
桥接新旧视频接口
人们对创新的低成本视频桥接解决方案的需求正与日俱增。
例如,构建监控系统、无人机或 DSLR
摄像头的设计人员想要利用上热门移动应用处理器 (AP) 的最新创新。
为此,他们通常必须将信号从专有的传统图像传感器接口转换到大多数 AP
上采用的移动 MIPI CSI-2 图像传感器接口。
如果设计人员构建的是下一代虚拟现实 (VR) 耳机,则需要对来自单个 MIPI DSI
接口的视频进行转换并拆分到两个 MIPI DSI 显示器上。
这样不仅提升了系统性能,同时产品沉浸效果更强(图 1)。 如果 AP
仅提供单个 DSI
接口或其中一个可用接口已经专门用于其他功能,如何向这些新兴应用提供支持呢?

在有限的产品面市的时间内,应对不断变化的市场标准使得可编程逻辑器件广泛地用于消费电子产品之中。而专用集成电路和专用特定标准器件的开发需要昂贵的非重复性工程费用,PLD是标准的现成器件,可针对各种应用使用灵活的软件工具进行定制。降低功耗预算降低静态功耗一直是消费电子产品设计人员面临的挑战。许多电池供电的产品,如智能电话、GPS设备、移动计算和数码相机,延长电池寿命是最重要的差异化特征之一。由于设计人员力求符合最新的能源之星和欧盟管理守则的规定,对于许多通过墙上插座供电的电子设备而言,低功耗也越来越重要。在许多消费电子系统中,通过提供先进的总线接口和桥接功能,PLD可扩展当前一代的应用处理器或CPU的使用率。这些总线接口和桥接功能通常不会有非常高的性能要求。图1展示了这样一个应用实例。

Lattice Semiconductor CrosslLink MIPI DSI displays

图1:在手机中使用PLD


1:视频桥接解决方案可用于在传统应用处理器上扩展端口数量,或提高带宽及整体性能。
(来源:Lattice Semiconductor)

同样,人机接口 (HMI)
解决方案或智能显示器的开发人员可能也希望保留对工业级显示器巨大投入的价值。
但要做到这一点,他们必须从 OpenLDI/LVDS 或专用接口桥接到移动 AP 上的
CSI-2 接口。
有时候,可能需要将多个视频流汇总到一个更大的帧输出,从而创建深度感知或增强现实系统。
这时候,就需要一个位于摄像头传感器和图像处理器之间的桥接解决方案,可及时地在同一个点捕捉多个
CSI-2 输出并实现最小延时。 这就需要通用引脚控制。
多个合成的视频流也需要共享同一个时钟,且在某些情况下,可能需要单独的上电程序。
要实现每个功能,就需要可轻松定制的 I/O。
MIPI 移动处理器的应用甚至已经深入到了传统工业应用,例如汽车制造业。
随着汽车电子设备和摄像头数量的不断增长,汽车的高级辅助驾驶系统 (ADAS)
和信息娱乐子系统需要更多的视频桥接功能。
摄像头最初开发用于帮助驾驶员在倒车时进行观察,现在制造商利用摄像头可提供车辆的全方位视角。
例如,一些汽车制造商正在用摄像头取代后侧镜,从而减少空气阻力并提高燃料效率。
设计人员构建的视频桥接解决方案使制造商能够汇总多个图像传感器的数据并将其通过单个
CSI-2 接口传输到 AP。
通用开关
为了解决基础桥接解决方案的需求,设计人员一般会使用通用型开关。 Texas
Instruments 的 HD3SS3212 是通用 2
通道多路复用器/解复用器无源开关的典型实例,用于在电路板上两个位置之间发送信号(图
2)。 该器件兼容 MIPI DSI/CSI、FPDLinkII、LVDS 和 PCIE Gen IIII
标准,支持高达 10 Gbps 的数据速率。

PLD还经常用来实现人机接口控制器、显示控制器、外部存储器接口控制器和PWM控制器。表1展示了在消费电子市场中一些常见的PLD的应用。

Texas instruments’ HD3SS3212 2-channel mux/demux passive switch

表1:消费电子应用中常用的PLD的功能

图 2:Texas instruments HD3SS3212 2
通道多路复用器/解复用器无源开关功能框图,可用于在电路板上发送信号,速率高达
10 Gbps。 (来源:Texas Instruments)

设计人员可将该器件用于任何需要 0 至 2 V 共模电压范围和 1800 mVPP
差分幅值的接口应用。
自适应跟踪可确保通道在整个共模电压范围内保持不变。
HD3SS3212 附带多种工具和支持软件,包括用于 USB Type-C Minidock
板的评估模块和评估板,以及带视频和充电支持的参考设计。
可编程解决方案
解决该问题的另一个方法是使用半定制或定制视频桥接解决方案。
但这些解决方案通常专注于适用范围相对狭窄的应用,有着较长的开发周期和较高的非经常性工程
(NRE) 成本,ASIC 就是一个典型。
为了弥补通用和定制视频桥接解决方案之间的差距,视频桥接器件需要结合设计灵活性和较短
FPGA 开发周期,以及特定应用型标准产品 (ASSP) 的功能性能。
针对这些特性,我们不妨了解下 Lattice Semiconductor CrossLink LIF-MD6000
Master Link 评估板及其可编程 ASSP (pASSP)(图 3)。 CrossLinkIF-MD6000
随该评估板提供,在 Lattice 的 Diamond
设计软件中充当空闲
IP。 每个 pASSP 通过移动 FPGA 结构包围着两个 MIPI D-PHY 硬块。
器件上每个 MIPI D-PHY
块均具有多达四个数据通道和一个时钟,用于支持传输和接收(Tx 和 Rx)。
D-PHY 传输高达 4K 超高清分辨率,速率为12 Gb/s。 两组可编程 I/O
支持多种接口和协议,包括 MIPI D-PHY、MIPI CSI-2 和 MIPI DSI,以及
CMOS、RGB、MIPI DPI、MIPI DBI、subLVDS、SLVS、LVDS 和 OpenLDI。
相邻的 FPGA 结构包含 5,936 LUT、180 Kb 的块 RAM,以及 47 Kb 的分布式
RAM。 LUT 沿可编程功能单元 (PFU) 中的专用寄存器分布,用作逻辑、算
术、RAM 和 ROM 功能的基础构件。 可编程路由网络连接 PFU 块。

像高端FPGA一样,现在低密度的PLD有先进的I/O功能,包括支持不同的I/O标准、多个I/O
bank,以及多种电压。这些特性允许使用PLD来实现ASIC/
ASSP、存储器、处理器,以及通常有不匹配的电压和I/O标准的其他器件之间的互连逻辑。如图2所示,对于将低成本、低密度PLD用于先进的互连逻辑,图形复用器是一个理想的例子。笔记本电脑和便携式电源管理的最新趋势是英特尔可切换显卡倡议。图形多路复用器选择基于应用需求的图形控制器。低功耗集成GPU用于诸如文字处理,电子邮件和互联网浏览的常规应用。高性能的独立GPU用于高性能的应用,诸如游戏、视频编辑和播放高清视频。PLD支持低摆幅差分I/O标准和内置的齿轮箱和PLL,能够与图形处理器接口,实现智能多路算法,以减少或消除切换时的视觉效果并直接驱动液晶显示屏。

Lattice Semiconductor CrossLink LIF-MD6000 Master Link board

图2:基于PLD的图形复用器

图 3:CrossLink LIF-MD6000 Master Link
评估板能让您快速开发定制视频接口解决方案并通过 Lattice 的 Diamond
软件配置 CrossLink IP。 (来源:Lattice Semiconductor)

各列带可编程 I/O 组的 sysMEM 嵌入式块 RAM (EBR)、嵌入式 I2
C 和嵌入式 MIPI D-PHY 散布在 PFU 列之间。 通过 Lattice 的 Diamond
设计软件可配置 PFU 块并对每个设计进行布线。
配置和设置过程有多种支持工具和软件供选择。 除了桥接器件,LIF-MD6000
Master Link 评估板还向 FTDI 添加了 Mini USB B 型连接器,使用 SPI 将 FTDI
添加至 CrossLink 电路,使用 JTAG 和 GPIO 资源将 FTDI 添加至 X03LF 器件
。 同时您还可以浏览多个演示、可选 Tx/Rx 链路板的信息和其他说明文档。
套件还包括两个接口板、LIFMD-IOL-EVN SMA IO 连接接口板和一个分线 IO
链路板。 此外,LIF-MD6000 Raspberry Pi 开发板包括了一个参考设计和
CrossLink 软 IP,以便将两个 Raspberry Pi 图像传感器连接到一个 Raspberry
Pi 处理器板。
为简化和加快开发,Lattice Semiconductor
为四种常见的视频桥接解决方案提供预先设计好的软 IP 模块。
第一种解决方案展示的是如何桥接多个 CSI-2 图像传感器到单个 CSI-2 输出(图
4)。 这种解决方案适用的应用包括设计中的 AP
未提供支持图像传感器输入数量的足够接口,或图像传感器和成像数据之间存在处理延时的情况。

莱迪思的MachXO2
PLD系列对如前所述的消费电子应用中的各种功能是理想的选择。采用优化的查找表结构与65纳米嵌入式闪存工艺技术相结合,MachXO2器件为消费电子设计提供了一个灵活的“全功能
“的解决方案。
低成本的封装MachXO2器件有各种低成本,无卤素的封装。可用的封装选择包括低成本的BGA和TQFP,以及先进的晶圆级芯片级封装和微型芯片级封装。
BGA封装包括尽可能少的信号布线层,以降低整个封装的成本。这些封装的设计使得所有的I/O和电源连接从PCB布线的2至4层引出。这样做避免了使用较高成本的制造技术,如埋孔或盲孔,以及激光孔钻。MachXO2封装的I/O分配能够使同一封装实现密度迁移。当设计有变化,需要一个更大或更小的MachXO2器件时,这有助于利用同样的电路板。
更高的集成度图3展示了一个MachXO2集成分立逻辑器件,如I/O扩展器、电平和总线桥接转换器、电压调节器、时钟源和配置器件,所有这些都在单个器件之中。

Two Lattice MIPI CSI-2 image sensors used to create depth perception

图3:MachXO2功能整合

图 4:预配置软 IP
为设计人员提供了一个简化的解决方案,用于将创建深度感知的两个 MIPI CSI-2
图像传感器的输入转换为图像处理器上的单个 MIPI CSI-2 接口。
(来源:Lattice Semiconductor)

第二种解决方案专注于 1:2 和 1:1 DSI 显示接口桥接。 这种 IP
目标针对上升的带宽要求超出显示能力,而处理器持续提供高性能接口功能的应用环境。
通过将旧显示器替换为新显示器,您可以在升级设计的同时保留巨大的 AP 投入。
这种桥接方式还可将单个源的输出扩展为两个 DSI 显示器,而非一个。
第三种示例解决方案提供了使用 LIF-MD6000 器件时 CMOS 到 MIPI D-PHY
接口桥接的关键 IP。 虽然 MIPI D-PHY
最初是开发用于解决智能手机中摄像头和显示器的互连问题,但是现在许多处理器和显示器仍然使用
RGB、CMOS 或 MIPI D-PHY 接口。 在带有 RGB 接口的处理器和带有 MIPI DSI
接口的显示器之间,或 者是带有 MOS 接口的摄像头和带 CSI-2
接口的处理器之间,该解决方案可充当桥接器。
第四种摄像头接口桥接器解决了 AP 和早期图像传感器之间不匹配的问题。
虽然现在许多 AP 使用 MIPI CSI-2
接口,一些高分辨率的图像传感器则使用专用的次 LVDS 输出格式。
这种桥接器解决了这两种接口类型之间不兼容的问题。 该桥接器还可用于
LVDS、CSI-2、HiSPi 以及其它格式的相互转换。
总结
随着设计人员越来越多地将最初为移动手持设备开发的元器件用于更多的应用,他们常常遇到系统中的设备无法直接相连的情况。
有时,AP 上的接口类型或数量与系统的图像传感器或显示器不匹配。
对于一些基础的多路复用器/解复用器应用,现成的标准模拟开关可能就能满足需求。
但随着设计人员执行一些更加复杂的桥接任务,如转换不兼容的接口、组合多个视频流、或将视频流拆分至多个接口,基于
FPGA 的可编程桥接解决方案则具有多项优势。
首先,这些解决方案能够让您利用旧有设备的现有投入,即使您将设计迁移到新的
AP 以及 MIPI 接口的图像传感器和显示器时仍然适用。
其次,通过实现不同接口的多种设备之间的桥接,这些桥接解决方案使您可以选择更多种类的元器件。
最终,您可以实现更大的设计灵活性。

MachXO2器件内含多达256Kbit的嵌入式闪存。这些片上用户闪存使MachXO2器件能够集成外部非易失性存储器,可用于各种应用,包括存储配置文件部分、储存PROM数据,或作为通用用户闪存。
MachXO2器件还具有标称精度为+/-
5%的内部振荡器,可以用来作为设计的时钟源,因此无需外部振荡器。固化的SPI、I2C、定时器/计数器
SPI和I2C控制器和定时器/计数器是消费电子设计中最常用的功能。设计人员经常用PLD实现SPI或I2C总线扩展。定时器/计数器也经常被用来生成状态信号。所有MachXO2器件拥有这些常用功能的固化实现。有了固化的I2C、SPI和定时器/计数器功能,设计人员可节省高达600LUT,可用于在设计中实现附加的逻辑。
由于非易失性降低了功耗除了静态和动态功耗之外,功耗的额外部分与浪涌和配置有关。这是PLD
/
FPGA进入用户模式之前,上电和配置期间的功耗。功耗是与进入用户模式所需的时间成正比的。电路板设计人员必须考虑这一部分额外的功耗,同时确定电源的要求。许多消费电子系统设计成使得FPGA或PLD频繁开/关循环。由于开/关周期频繁,这个系统的行为加剧了这一额外的功耗。由于其固有的性质,MachXO2器件可以用微秒的时间配置自己,尽量减少浪涌和配置过程中的功耗。图4展示了MachXO2
PLD与基于SRAM的FPGA进入用户模式所需时间之间的比较。

Digi-Key Electronics – Electronic Components Distributor

图4 MachXO2减少了功耗周期

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官方政策。

用免费的设计工具加速创新设计人员可以开始使用Lattice Diamond
v1.2版本软件用MachXO2器件进行设计,该软件可以从莱迪思网站免费下载。
一个为消费电子应用而优化的全套参考设计可以从莱迪思网站免费下载。这些包括LatticeMico8微控制器,外设如UART、I2C主/从,SPI主/从,I2S控制器和各种闪存控制器的。该参考设计源代码,包括HDL和固件,可以根据实际应用的要求进行修改。结论在实现消费电子应用中,使用可编程逻辑器件实现各种功能是一种不错的选择,因为他们克服了ASIC和ASSP的局限性,提供具有成本效益,低功耗和灵活的解决方案。MachXO2
PLD系列是专为低成本,低功耗消费电子应用而设计的,为设计人员提供了更低成本的优势、降低了功耗,并在一个小的封装中增加了系统集成度。此外,MachXO2包含了在消费电子应用中常用的一些最流行的功能的固化实现,例如用户闪存、I2C、SPI和定时器/计数器。(end)

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