萊迪思CrossLink 視頻接口橋接方案

　　如果請(qǐng)嵌入式視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師談?wù)劗a(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中有哪些很難對(duì)付的挑戰(zhàn)的話，可能大多數(shù)都會(huì)認(rèn)為是快速且不斷發(fā)展的 I/O 接口。移動(dòng)應(yīng)用處理器的巨大進(jìn)步、低成本圖像傳感器和顯示屏的快速普及以及 MIPI 標(biāo)準(zhǔn)接口的廣泛采用在過(guò)去幾年里徹底改變了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在，移動(dòng)平臺(tái)是創(chuàng)新的主戰(zhàn)場(chǎng)，不僅是在智能手機(jī)和平板電腦領(lǐng)域，數(shù)碼單反相機(jī)、無(wú)人機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)(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(gè)器件都可以直接連接到應(yīng)用處理器，但對(duì)于目前新興的視頻市場(chǎng)來(lái)說(shuō) 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(jì)工程師不斷尋求更高的性能。例如，怎樣才能快速又經(jīng)濟(jì)地從單個(gè)輸入接收信號(hào)，然后傳輸?shù)絻蓚€(gè)顯示屏?亦或是無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)工程師在思考如何實(shí)現(xiàn)接收多個(gè)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(duì)于目前的嵌入式視頻系統(tǒng)，設(shè)計(jì)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(jì)靈活性和實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，解決上文中提到的連接問(wèn)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(gè)視頻流輸入合并成單個(gè)接口輸出，或是將視頻流拆分為多個(gè)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(yán)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(yán)重的問(wèn)題，萊迪思半導(dǎo)體推出了業(yè)界首款可編程專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(pASSP™)接口橋接解決方案——CrossLink™，支持移動(dòng)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(jìn)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(diǎn)。作為該類產(chǎn)品中的首款解決方案，CrossLink 器件可實(shí)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(shì)使其成為虛擬現(xiàn)實(shí)(VR) 頭盔、無(wú)人機(jī)、數(shù)碼單反相機(jī)、智能手機(jī)、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(shù)立了全新的標(biāo)桿——業(yè)界超快的 MIPI D-PHY 橋接解決方案，支持高達(dá) 12 Gbps 的速率。為了向設(shè)計(jì)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(shí)，CrossLink 解決方案專為消費(fèi)電子應(yīng)用進(jìn)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(diǎn)優(yōu)勢(shì)，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(gè)物理接口的移動(dòng) FPGA。每個(gè)CrossLink IC 具備最多 2 個(gè)嵌入式 MIPI D-PHY 硬核，每個(gè)硬核具備最多 4 條數(shù)據(jù)通道以及 1 條時(shí)鐘線，以支持傳輸和接收功能。相鄰的 FPGA 具備 5,936 個(gè) 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(jì)。使用 2 個(gè) D-PHY 時(shí)的數(shù)據(jù)速率最高為 1.5 Gbps/條，使用可編程差分 I/O 時(shí)的速率最高為 1.2 Gbps/條。CrossLink 器件還添加了 15 個(gè)可編程差分 I/O、大量 GPIO 資源、10 KHz 和 48 MHz 振蕩器和 PLL、2 個(gè)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(kāi)發(fā)支持

　　為了幫助客戶加速開(kāi)發(fā)進(jìn)度和產(chǎn)品上市進(jìn)程，萊迪思提供 CrossLink 器件的大量開(kāi)發(fā)資源。作為產(chǎn)品支持的一部分，萊迪思為開(kāi)發(fā)工程師提供 Lattice Diamond，F(xiàn)PGA 設(shè)計(jì)和驗(yàn)證軟件，以及 Power Estimator 工具和產(chǎn)品手冊(cè)。公司還提供來(lái)自 Clarity Design 的免 費(fèi) IP，支持實(shí)現(xiàn)各類顯示和攝像應(yīng)用接口：

　　基礎(chǔ)的 CrossLink 開(kāi)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(gòu)買額外的子板。Raspberry Pi 子板支持兩個(gè)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(kuò)展

　　在這個(gè)市場(chǎng)上激動(dòng)人心的全新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，其中許多都需要一個(gè)攝像頭聚合器作為中心來(lái)管理多個(gè) MIPI CSI-2 圖像傳感器。針對(duì)這些應(yīng)用，設(shè)計(jì)工程師可能需要將多個(gè)圖像傳感器輸入合并成單幅更大的圖像幀，以及在多個(gè)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(jìn)行仲裁。舉個(gè)例子，為了創(chuàng)造景深感覺(jué)或者是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，就必須使用橋接解決方案以合并多個(gè) MIPI CSI-2 攝像頭輸入為單個(gè)更大的圖像幀輸出。 CrossLink 解決方案能夠使得設(shè)計(jì)工程師同時(shí)連接到多個(gè) MIPI CSI-2 圖像傳感器。

　　然而，要建立能夠?qū)⒍鄠€(gè) CSI-2 攝像頭輸入合并為單個(gè)更大的圖像幀輸出的橋接需要解決一些不常見(jiàn)的挑戰(zhàn)。該橋接必須以最小的延遲在同一時(shí)刻精確捕捉到每個(gè)圖像傳感器。 隨后它必須將各個(gè)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(shí)鐘域。在許多情況下，各圖像傳感器也需要獨(dú)立的上電時(shí)序。上文中提到的每個(gè)功能都需要額外的 I/O 用于針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行定制。

　　二、工業(yè)傳感器到移動(dòng)處理器

　　在數(shù)碼單反相機(jī)、監(jiān)控和無(wú)人機(jī)等應(yīng)用中，設(shè)計(jì)工程師將工業(yè)圖像傳感器橋接到移動(dòng)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(kāi)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(jì)工程師通常需要利用主流移動(dòng)應(yīng)用處理器提供的大量創(chuàng)新技術(shù)。為了做到這一點(diǎn)，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(dòng)應(yīng)用處理器采用的移動(dòng) MIPI CSI-2 圖像傳感器接口。憑借 CrossLink 器件的可編程架構(gòu)，開(kāi)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(kuò)展

　　第三類主要的 CrossLink 應(yīng)用是 MIPI DSI 接口擴(kuò)展。目前，VR 頭盔和移動(dòng)機(jī)頂盒設(shè)計(jì)工程師常常需要將來(lái)自單個(gè) 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(guò)兩個(gè) MIPI DSI 接口輸出。如果應(yīng)用處理器僅有一個(gè) DSI 接口或其中一個(gè) DSI 接口正用于其他功能，這時(shí)設(shè)計(jì)工程師該如何實(shí)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(gè)高清顯示屏或一個(gè) 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(dòng)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(dòng)應(yīng)用處理器非常困難。典型的應(yīng)用涵蓋人機(jī)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(dòng)應(yīng)用處理器提供的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)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(kāi)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(chǎng)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(jí)醫(yī)療設(shè)備以及工業(yè)系統(tǒng)，各種激動(dòng)人心的全新應(yīng)用不斷在這個(gè)市場(chǎng)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(jìn)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(jì)工程師提供獨(dú)家的支持以最大化設(shè)計(jì)靈活性，并且實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。