FPGA橋接解決方案可應(yīng)用于汽車各個領(lǐng)域

在過去十年里，隨著智能手機(jī)及其應(yīng)用生態(tài)體系的不斷發(fā)展，汽車電子領(lǐng)域中移動相關(guān)應(yīng)用的創(chuàng)新技術(shù)也深受其影響。汽車制造商已經(jīng)開始將用于智能手機(jī)的相同處理器平臺應(yīng)用到新一代汽車中，使得駕駛體驗獲得了質(zhì)的提升的同時讓汽車變得更加安全和便宜。除此之外，汽車制造商還希望能夠充分利用當(dāng)今移動產(chǎn)業(yè)規(guī)?；蛻?yīng)用支持的優(yōu)勢。雖然很多處理器制造商現(xiàn)在能夠提供汽車級移動平臺，但處理器仍然是按照智能手機(jī)的思路設(shè)計的。在很多案例中，這樣的平臺需要進(jìn)行一定的調(diào)整以滿足汽車制造商的需求。而使用FPGA可以快速實現(xiàn)低成本橋接解決方案，使得現(xiàn)有平臺能夠完美應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。

每當(dāng)設(shè)計工程師試著將現(xiàn)有平臺應(yīng)用于全新領(lǐng)域時總會面臨很多挑戰(zhàn)。汽車行業(yè)也不例外。FPGA橋接解決方案能夠解決許多問題。

汽車平臺常見的挑戰(zhàn)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計、具體的理念和需求，汽車制造商可能需要多個部件來實現(xiàn)合適的解決方案。萊迪思半導(dǎo)體提供的多款FPGA能夠?qū)崿F(xiàn)各類滿足上述要求的解決方案。

·CrossLink™器件 – 低功耗、低成本的傳感器和攝像頭接口橋接解決方案，可用于對來自多個攝像頭接口(視覺或雷達(dá))的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合以及多路復(fù)用，然后發(fā)送至SoC。

·ECP5™ – 優(yōu)秀、全面的汽車應(yīng)用橋接芯片。ECP5是一款低功耗、低成本的器件，使用SERDES通過以太網(wǎng)或光纖方便地連接設(shè)備。DSP塊能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)處理和后處理，或是將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為各種標(biāo)準(zhǔn)顯示格式。

·MachXO™ – 擁有最高每LUT I/O數(shù)量的小尺寸FPGA，能夠很方便擴(kuò)展I/O以及實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的簡單轉(zhuǎn)換。

以下是橋接解決方案在特定領(lǐng)域中的應(yīng)用。

嵌入式視覺

雖然嵌入式視覺聽起來有點科幻的感覺，但實際上它是當(dāng)今最激動人心的應(yīng)用發(fā)展趨勢之一。 顧名思義，它是指機(jī)器查看和收集周圍環(huán)境視覺數(shù)據(jù)的能力。該技術(shù)使制得造商能夠?qū)崿F(xiàn)可以“看見”的機(jī)器和汽車，可以感知的傳感器以及可以自主做出通知決策的計算機(jī)。

嵌入式視覺系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)能夠幫助機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)變得更加智能，能力更強(qiáng)。人機(jī)界面(HMI)支持機(jī)器實現(xiàn)更智能的操作和控制，同時機(jī)器反饋信息以幫助決策。計算機(jī)視覺的一個重點是在目標(biāo)識別和立體視覺應(yīng)用中使用多維圖像來測量距離和深度。使用傳感器融合技術(shù)，這些系統(tǒng)能夠?qū)碜圆煌瑐鞲衅鞯臄?shù)據(jù)組合成有意義、有用的信息進(jìn)行處理。同時，這些系統(tǒng)可以通過高速連接進(jìn)行安全的通信，從而實現(xiàn)智慧城市、智能工廠和智能汽車。

萊迪思的多款可編程產(chǎn)品可提供協(xié)處理、橋接和互連解決方案，為網(wǎng)絡(luò)邊緣應(yīng)用實現(xiàn)智能功能。FPGA的靈活性有助于加速產(chǎn)品上市進(jìn)程、降低成本和功耗并最大限度地縮減工業(yè)和汽車級設(shè)備的尺寸。

高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)鳥瞰全景視野

現(xiàn)代處理器通常只有2個攝像頭接口，但是許多ADAS系統(tǒng)需要至少4個接口，在某些情況下甚至需要多達(dá)8個攝像頭來精確感知汽車周圍情況。設(shè)計工程師面臨的另一個挑戰(zhàn)是如何處理這些攝像頭收集的圖像數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)需求通常需要一個大尺寸ISP(圖像信號處理器)連接到處理器。萊迪思ECP5 FPGA專為實現(xiàn)并行處理而設(shè)計，可加速處理過程。該器件提供大量的I / O，可以輕松地連接多個攝像頭。此外，它們的協(xié)處理能力可以提高處理器的效率。

ECP5可以連接多個攝像頭并執(zhí)行基本或高級圖像處理任務(wù)，為處理器提供質(zhì)量最高的圖像以便進(jìn)行決策?，F(xiàn)代汽車的鳥瞰全景攝像頭以及前視和后視側(cè)視系統(tǒng)就是一個實例。鳥瞰全景系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)從汽車上方20英尺往下俯視的全景視野。這是通過將4個(或更多)廣角(FoV)攝像頭的數(shù)據(jù)拼接在一起來實現(xiàn)的。ECP5可以聚合所有攝像頭輸入，將圖像拼接在一起，進(jìn)行魚眼校正(這是FoV廣角鏡頭導(dǎo)致的)，執(zhí)行白平衡，使用HDR最大化圖像質(zhì)量等操作，然后將質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)的圖像發(fā)送至處理器。

在上述應(yīng)用中，一片ECP5器件即可代替多個攝像頭接口有限的處理器。這樣就為設(shè)計工程師提供了降低系統(tǒng)成本和功耗的途徑。

在設(shè)計上述類型的系統(tǒng)時必須將以下因素納入考慮范圍之內(nèi)：

·所需的視頻通道數(shù)和分辨率

·快速和穩(wěn)定可靠的傳輸

·預(yù)處理圖像以降低主ADAS處理器的負(fù)載

視頻通道和分辨率

萊迪思CrossLink器件使得設(shè)計工程師能夠聚合多個圖像傳感器的數(shù)據(jù)，并通過單個CSI-2接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用處理器。CrossLink的尺寸很小，可以放在傳感器附近以提升設(shè)計靈活性。

萊迪思還為CrossLink器件提供了多款現(xiàn)成的IP，可實現(xiàn)MIPI D-PHY和其他攝像頭或顯示屏接口標(biāo)準(zhǔn)之間的橋接和聚合。這樣設(shè)計工程師就可以使用帶有OpenLDI、CMOS、LVDS等傳統(tǒng)接口以及現(xiàn)代MIPI CSI-2或DSI接口的攝像頭或顯示屏。

DisplayPort是另一個在汽車行業(yè)越來越受歡迎的開放標(biāo)準(zhǔn)。由于自帶嵌入式時鐘，所需的通道數(shù)量減少，它的電磁干擾(EMI)也更低。它使用微包協(xié)議，可輕松擴(kuò)展以支持更高的分辨率和更長的距離。使用ECP5提供的專用SERDES通道，DisplayPort(DP)或嵌入式DisplayPort(eDP)能夠用于實現(xiàn)儀表系統(tǒng)、儀表板/導(dǎo)航顯示屏、后座娛樂系統(tǒng)等應(yīng)用。

結(jié)合萊迪思汽車級MHL/HDMI ASSP解決方案，可輕松實現(xiàn)到智能手機(jī)和平板電腦等現(xiàn)代智能設(shè)備的連接應(yīng)用。

適用于在智能設(shè)備與汽車之間實現(xiàn)互連的萊迪思MHL/ HDMI ASSP

車內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸

當(dāng)汽車中有很多傳感器需要管理時，點到點布線的復(fù)雜程度和成本就會大大提升。將多個傳感器連接到位于汽車后部的ECP5，可以使用單根電纜將數(shù)據(jù)快速高效地發(fā)送到汽車前部，從而降低重量和成本，并簡化維修工作。

ECP5的3.2Gbps SERDES為許多網(wǎng)絡(luò)和傳輸應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支持。該器件可用于驅(qū)動車載網(wǎng)絡(luò)，如BroadR-Reach或以太網(wǎng)，用于連接PHY芯片或收集用于車內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)。ECP5還支持仿真CSI-2接口，可用于連接多個攝像頭或雷達(dá)設(shè)備。

使用ECP5實現(xiàn)車內(nèi)傳感器聚合以及網(wǎng)絡(luò)連接

視頻預(yù)處理

ECP5也可用于預(yù)處理視頻。隨著汽車行業(yè)開始采用移動處理器，設(shè)計工程師不得不面對各種新的接口。舉個例子，雖然手機(jī)處理器通常具有連接顯示屏的單個DSI輸出，但汽車市場上的主流顯示屏都使用LVDS。FPGA可以實現(xiàn)不同分辨率的視頻信號的預(yù)處理和不同接口之間的橋接。ECP5可用于構(gòu)建應(yīng)用處理器DSI或FPD-Link輸出與大多數(shù)汽車顯示屏LVDS輸入之間的視頻橋接解決方案。此外，ECP5還可用于車載信息娛樂應(yīng)用，將一路視頻輸出分割為兩路用于后座顯示屏的輸出，或按照特定視頻分辨率要求對單個視頻輸出進(jìn)行裁剪和格式化。

帶有雷達(dá)/激光雷達(dá)的高級駕駛輔助系統(tǒng)

雷達(dá)和激光雷達(dá)不僅適用于自動駕駛汽車，還可以作為駕駛輔助工具。具體來說就是用于檢測危險目標(biāo)和條件，讓汽車通知駕駛員或者在必要時自動采取措施以保護(hù)乘客的安全。雖然這些系統(tǒng)仍在發(fā)展之中，但可以預(yù)見未來的汽車將不僅限于對攝像頭接收到的圖像進(jìn)行圖像信號處理，還將采用基于雷達(dá)的接近傳感器和基于激光雷達(dá)的地形傳感器。雷達(dá)和激光雷達(dá)系統(tǒng)充分利用了高速MIPI接口，并使用CSI-2輸出數(shù)據(jù)。將上述情況與處理器的資源綜合考慮之后，設(shè)計工程師將再一次面臨MIPI CSI-2接口數(shù)量有限或接口類型不同的挑戰(zhàn)。汽車級CrossLink器件可用于聚合來自多個傳感器的數(shù)據(jù)，或者簡單地用作橋接解決方案，將CSI-2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)用處理器接口能夠接受的格式。

舉個例子，許多現(xiàn)代的77 GHz雷達(dá)使用CSI-2與ADAS MCU進(jìn)行互連。使用下方圖示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ADAS系統(tǒng)可以通過多個CrossLink橋連接到多個雷達(dá)設(shè)備來收集汽車周圍所有方向上的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過并行接口發(fā)送至應(yīng)用處理器。

ADAS系統(tǒng)中CrossLink用于雷達(dá)的橋接應(yīng)用

ADAS還需要昂貴的圖像信號處理(ISP)資源來識別對象或?qū)Ｗ⒂谔囟▽ο蠖皇瞧胀▓D像。隨著用于決策的機(jī)器學(xué)習(xí)算法不斷發(fā)展，汽車的自動化程度也越來越高，F(xiàn)PGA可為設(shè)計工程師提供所需的靈活性。當(dāng)決策權(quán)歸于計算機(jī)時，它必須決定如何處理道路狀況、道路上的對象，并在在任何情況下都要保證駕駛員的安全。

萊迪思ECP5擁有來自Helion Vision，GmbH的全套HDR ISP，可用于提高拍攝的圖像質(zhì)量?；谳^高質(zhì)量的圖像，使用微處理器軟核即可輕松實現(xiàn)目標(biāo)識別功能。

車載信息娛樂系統(tǒng)(AIS)多屏視頻顯示

如果汽車制造商想要實現(xiàn)一套AIS系統(tǒng)為整輛汽車提供信息和娛樂服務(wù)，這就需要支持多個屏幕輸出、一個后屏攝像頭輸入以及支持移動設(shè)備的視頻和數(shù)據(jù)輸入。

移動處理器通常只能驅(qū)動一個DSI顯示屏。而汽車領(lǐng)域使用各類具有LVDS、DSI或DisplayPort等接口的顯示屏。對于像LVDS這樣的傳統(tǒng)顯示接口，ECP5可以將DSI轉(zhuǎn)換為LVDS，并確保輸出分辨率與顯示屏兼容。ECP5還支持DisplayPort(DP)和Embedded DisplayPort(eDP)接口的顯示屏。對于不支持DSI的處理器，CrossLink可以通過橋接來驅(qū)動DSI顯示屏。設(shè)計工程師還可以使用MachXO器件支持多個顯示屏，并且使用HDMI汽車ASSP從移動設(shè)備輸入視頻。

客戶應(yīng)用實例研究

萊迪思的客戶使用ECP5 FPGA實現(xiàn)了類似的解決方案?？蛻舻漠a(chǎn)品提供鳥瞰全景視野解決方案，同時處理圖像數(shù)據(jù)并提供硬件加速。該解決方案使用安裝于車身上的4個攝像頭(前、后和兩側(cè))。視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和無縫拼接可提供汽車周圍的全景圖像。

基于ECP5的環(huán)繞式視野應(yīng)用框圖

如上圖所示，一片ECP5即可代替多個ARM處理器實現(xiàn)的鳥瞰全景視野功能。所有4個攝像頭捕獲的圖像都經(jīng)過處理與合并，在ISP的幫助下，如白平衡、魚眼校正和除霧功能，可實現(xiàn)一整套的360度全景環(huán)繞視野功能。這款解決方案可以在汽車制造階段安裝或作為后裝市場產(chǎn)品添加。

每個攝像頭提供720p模擬高清圖像。最終的環(huán)繞式全景視野解決方案的清晰度是1080p 60 fps。設(shè)計工程師使用一片低成本、低功耗ECP5 FPGA替代了多個ARM處理器。同時需要一個低端ARM處理器進(jìn)行初始校準(zhǔn)和視頻編碼。

總結(jié)

在許多行業(yè)中，F(xiàn)PGA的靈活性已被證明是非常有價值的。在汽車市場，F(xiàn)PGA可以幫助解決先進(jìn)的娛樂和安全系統(tǒng)與移動處理器之間的不匹配問題。這種商業(yè)模式具有明顯的優(yōu)勢，讓汽車制造商能夠使用來自智能手機(jī)領(lǐng)域經(jīng)過大量市場驗證的產(chǎn)品，并迅速適應(yīng)汽車領(lǐng)域不斷變化的需求。

FPGA在其他領(lǐng)域也能發(fā)揮作用。FPGA已經(jīng)開始出現(xiàn)在電機(jī)控制等應(yīng)用中，證明對于汽車行業(yè)也是有用的。可以肯定的是，只要汽車的電子系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展，ADAS等系統(tǒng)繼續(xù)推動無人駕駛汽車進(jìn)步，設(shè)計工程師就需要將更多的傳感器集成到這些系統(tǒng)中。這將推動不斷變化的市場對能夠?qū)崿F(xiàn)攝像頭、傳感器、視頻和更高速連接的FPGA的需求。