萊迪思CrossLink 視頻接口橋接方案

　　如果請嵌入式視頻系統(tǒng)設(shè)計工程師談?wù)劗a(chǎn)品設(shè)計過程中有哪些很難對付的挑戰(zhàn)的話，可能大多數(shù)都會認為是快速且不斷發(fā)展的 I/O 接口。移動應(yīng)用處理器的巨大進步、低成本圖像傳感器和顯示屏的快速普及以及 MIPI 標準接口的廣泛采用在過去幾年里徹底改變了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計?，F(xiàn)在，移動平臺是創(chuàng)新的主戰(zhàn)場，不僅是在智能手機和平板電腦領(lǐng)域，數(shù)碼單反相機、無人機、虛擬現(xiàn)實(VR)系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)顯示領(lǐng)域也是如此。理想的情況是系統(tǒng)中的每個器件都可以直接連接到應(yīng)用處理器，但對于目前新興的視頻市場來說 并非總能如愿。經(jīng)常發(fā)生的情況是處理器接口的類型或數(shù)量不適配系統(tǒng)中的圖像傳感器或顯示屏。

　　VR 和 3D 視頻應(yīng)用設(shè)計工程師不斷尋求更高的性能。例如，怎樣才能快速又經(jīng)濟地從單個輸入接收信號，然后傳輸?shù)絻蓚€顯示屏?亦或是無人機設(shè)計工程師在思考如何實現(xiàn)接收多個攝像頭的輸入，并以精確同步的方式將各幅畫面合并為尺寸更大的單幅圖像幀?可惜的是選擇余地非常有限，并且現(xiàn)有的方案也是性能有限，功耗高，尺寸大。

　　對于目前的嵌入式視頻系統(tǒng)，設(shè)計工程師需要的是高性能、低功耗、緊湊的接口橋接解決方案，能夠最大限度地提高設(shè)計靈活性和實現(xiàn)設(shè)計創(chuàng)新，解決上文中提到的連接問題。理想的橋接解決方案要能夠轉(zhuǎn)換攝像頭、顯示屏和處理器之間不兼容的接口，將多個視頻流輸入合并成單個接口輸出，或是將視頻流拆分為多個輸出。并且，還要能夠支持各種新的和傳統(tǒng)的接口。最后，該解決方案還要在不違反嚴格的功耗和尺寸預(yù)算的情況下提供高水平的性能。

　　全新的 CrossLink™解決方案——建起互連的橋梁

　　為了解決上述日趨嚴重的問題，萊迪思半導體推出了業(yè)界首款可編程專用標準產(chǎn)品(pASSP™)接口橋接解決方案——CrossLink™，支持移動圖像傳感器和顯示屏采用的主流協(xié)議。CrossLink 器件結(jié)合了 FPGA 的靈活性和快速的產(chǎn)品上市進程以及 ASSP 的功耗和功能優(yōu)化特性，定義了全新類別的 pASSP 器件，可為用戶提供 FPGA 和 ASSP 的突出優(yōu)點。作為該類產(chǎn)品中的首款解決方案，CrossLink 器件可實現(xiàn)低成本視頻接口橋接應(yīng)用，提供超高的帶寬、超低的功耗以及超小的尺寸。上述優(yōu)勢使其成為虛擬現(xiàn)實(VR) 頭盔、無人機、數(shù)碼單反相機、智能手機、平板電腦以及可穿戴設(shè)備等應(yīng)用的理想選擇。

　　CrossLink 器件的潛力所在是其全面的功能。這款器件在性能方面樹立了全新的標桿——業(yè)界超快的 MIPI D-PHY 橋接解決方案，支持高達 12 Gbps 的速率。為了向設(shè)計工程師提供盡可能大的靈活性，這款革命性的全新器件還支持多種接口和協(xié)議，包括 MIPI D- PHY、MIPI CSI-2、MIPI DSI 以及大量的傳統(tǒng)接口和協(xié)議，如 CMOS 、RGB、MIPI DPI、MIPI DBI、SubLVDS、SLVS、LVDS 和 OpenLDI。

　　同時，CrossLink 解決方案專為消費電子應(yīng)用進行了高度優(yōu)化。在多種使用情境下，它的工作功耗小于 100 mW，并且它是首款帶有內(nèi)置睡眠模式的可編程橋接解決方案。這款功能全面的小尺寸器件封裝尺寸小至 6mm2。并且充分結(jié)合了 FPGA 的靈活性和 ASSP 的性能這兩點優(yōu)勢，可為視頻技術(shù)提供最佳支持。

　　為了提供完全可定制的橋接解決方案，CrossLink 器件包含帶有多個物理接口的移動 FPGA。每個CrossLink IC 具備最多 2 個嵌入式 MIPI D-PHY 硬核，每個硬核具備最多 4 條數(shù)據(jù)通道以及 1 條時鐘線，以支持傳輸和接收功能。相鄰的 FPGA 具備 5,936 個 LUT、180 Kbit 的 RAM 以及 47 Kbit 的分布式 RAM。這些 FPGA 資源足以支持各類視頻功能，包括多路復(fù)用、合并、多路解復(fù)用、仲裁、拆分、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及自定義協(xié)議設(shè)計。使用 2 個 D-PHY 時的數(shù)據(jù)速率最高為 1.5 Gbps/條，使用可編程差分 I/O 時的速率最高為 1.2 Gbps/條。CrossLink 器件還添加了 15 個可編程差分 I/O、大量 GPIO 資源、10 KHz 和 48 MHz 振蕩器和 PLL、2 個用于系統(tǒng)功能的用戶 I2C 嵌入式硬核以及 I2C/SPI 器件配置。

　　開發(fā)支持

　　為了幫助客戶加速開發(fā)進度和產(chǎn)品上市進程，萊迪思提供 CrossLink 器件的大量開發(fā)資源。作為產(chǎn)品支持的一部分，萊迪思為開發(fā)工程師提供 Lattice Diamond，F(xiàn)PGA 設(shè)計和驗證軟件，以及 Power Estimator 工具和產(chǎn)品手冊。公司還提供來自 Clarity Design 的免 費 IP，支持實現(xiàn)各類顯示和攝像應(yīng)用接口：

　　基礎(chǔ)的 CrossLink 開發(fā)套件包含 1 塊 SMA 子板和孔徑為 0.1 英寸的子板，便于連接各種圖像傳感器、顯示屏和應(yīng)用處理器。用戶還可以購買額外的子板。Raspberry Pi 子板支持兩個攝像頭連接到 Raspberry Pi 電路板。

　　典型的 CrossLink 應(yīng)用

　　一、MIPI CSI-2 圖像傳感器擴展

　　在這個市場上激動人心的全新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，其中許多都需要一個攝像頭聚合器作為中心來管理多個 MIPI CSI-2 圖像傳感器。針對這些應(yīng)用，設(shè)計工程師可能需要將多個圖像傳感器輸入合并成單幅更大的圖像幀，以及在多個圖像傳感器之間多路復(fù)用或是在虛擬通道的圖像傳感器之間進行仲裁。舉個例子，為了創(chuàng)造景深感覺或者是增強現(xiàn)實系統(tǒng)，就必須使用橋接解決方案以合并多個 MIPI CSI-2 攝像頭輸入為單個更大的圖像幀輸出。 CrossLink 解決方案能夠使得設(shè)計工程師同時連接到多個 MIPI CSI-2 圖像傳感器。

　　然而，要建立能夠?qū)⒍鄠€ CSI-2 攝像頭輸入合并為單個更大的圖像幀輸出的橋接需要解決一些不常見的挑戰(zhàn)。該橋接必須以最小的延遲在同一時刻精確捕捉到每個圖像傳感器。 隨后它必須將各個傳感器輸入的圖像合并成單幅更大的圖像幀，并以更快的視頻流發(fā)送出去。傳感器不僅必須以最小的延遲保持同步——需要通用引腳控制，還需要共享時鐘域。在許多情況下，各圖像傳感器也需要獨立的上電時序。上文中提到的每個功能都需要額外的 I/O 用于針對特定應(yīng)用進行定制。

　　二、工業(yè)傳感器到移動處理器

　　在數(shù)碼單反相機、監(jiān)控和無人機等應(yīng)用中，設(shè)計工程師將工業(yè)圖像傳感器橋接到移動應(yīng)用處理器。這些應(yīng)用中的許多工業(yè)圖像傳感器能夠提供優(yōu)良的性能，但采用的還是最初由傳感器制造商開發(fā)的傳統(tǒng)專用接口。

　　該領(lǐng)域中構(gòu)建嵌入式應(yīng)用的設(shè)計工程師通常需要利用主流移動應(yīng)用處理器提供的大量創(chuàng)新技術(shù)。為了做到這一點，他們需要將圖像傳感器專用接口橋接至目前大多數(shù)移動應(yīng)用處理器采用的移動 MIPI CSI-2 圖像傳感器接口。憑借 CrossLink 器件的可編程架構(gòu)，開發(fā)工程師得以構(gòu)建緊湊、高性能、低功耗的接口橋接，將上述專用接口橋接至 MIPI CSI-2。

　　三、MIPI DSI 接口擴展

　　第三類主要的 CrossLink 應(yīng)用是 MIPI DSI 接口擴展。目前，VR 頭盔和移動機頂盒設(shè)計工程師常常需要將來自單個 MIPI DSI 接口的輸入視頻拆分為兩條視頻流，并以一半的帶寬通過兩個 MIPI DSI 接口輸出。如果應(yīng)用處理器僅有一個 DSI 接口或其中一個 DSI 接口正用于其他功能，這時設(shè)計工程師該如何實現(xiàn)上述類型的應(yīng)用呢?

　　一種方案是使用 CrossLink 器件作為單 MIPI DSI 到雙 MIPI DSI 的橋接。如上方框圖所示，該器件支持兩個高清顯示屏或一個 QHD 顯示屏，I/O 速率最高為 1.5 Gbps/通道。該器件的工作功耗通常比類似的 ASSP 或 ASIC 低 25%至 50%。

　　四、將采用 OpenLDI、LVDS 或?qū)Ｓ媒涌诘墓I(yè)面板連接到移動應(yīng)用處理器

　　許多工業(yè)顯示屏用戶想要節(jié)約投入，但是發(fā)現(xiàn)要將采用 OpenLDI、LVDS 或?qū)Ｓ媒涌诘娘@示屏橋接到移動應(yīng)用處理器非常困難。典型的應(yīng)用涵蓋人機界面(HMI)、智能顯示屏以及智能家居系統(tǒng)等。用戶該如何既能利用最新一代的移動應(yīng)用處理器提供的優(yōu)勢，同時繼續(xù)用原先的顯示屏呢?

　　在這種情況下，HMI 解決方案、智能顯示屏或智能家居應(yīng)用的開發(fā)工程師們可使用CrossLink 解決方案將 OpenLDI、LVDS 或?qū)Ｓ媒涌跇蚪又?MIPI CSI-2，并且支持的速率最高為 6 Gbps/PHY。

　　總結(jié)

　　嵌入式視頻系統(tǒng)市場的前景一片光明。從 VR 和 3D 視頻到全新的監(jiān)控系統(tǒng)、智能家居、高級醫(yī)療設(shè)備以及工業(yè)系統(tǒng)，各種激動人心的全新應(yīng)用不斷在這個市場涌現(xiàn)。而這些應(yīng)用成功的關(guān)鍵之一在于工程師們能夠持續(xù)改進其性能和功能。萊迪思的 CrossLink 器件能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的高性能、低功耗、緊湊的橋接解決方案，為設(shè)計工程師提供獨家的支持以最大化設(shè)計靈活性，并且實現(xiàn)創(chuàng)新。