基于Intel(Altera)MAX10系列FPGA的設(shè)計(jì)案例描述

基于Intel(Altera)MAX10系列FPGA的設(shè)計(jì)案例描述

                                   本文作者：Hello，Panda

書(shū)接前回，不知大家是否還記得2015年公歷最后一天，熊貓君給大家推薦了Altera（當(dāng)時(shí)的Altera還是Altera）的MAX10系列FPGA呢？三年后的今天，熊貓君想繼續(xù)展開(kāi)聊聊，分享分享這三年里實(shí)施過(guò)的或看到別人實(shí)施過(guò)的基于MAX10系列FPGA的應(yīng)用方案，當(dāng)然啦，這些應(yīng)用還是主要集中在控制類(lèi)、接口類(lèi)領(lǐng)域，畢竟能力和定位在那里。

    案例一：工業(yè)相機(jī)系統(tǒng)

對(duì)一部分工業(yè)相機(jī)而言，前端最多的是實(shí)現(xiàn)Sensor采集（或許還有一些簡(jiǎn)單預(yù)處理）和傳輸，算法應(yīng)用處理大多在計(jì)算機(jī)上，一般的方案架構(gòu)如下：

圖1  部分工業(yè)相機(jī)的架構(gòu)圖

   （1）如圖1所示，核心是個(gè)FPGA（需要做預(yù)處理的可能會(huì)掛一片SRAM或者DDR），主要擔(dān)負(fù)Sensor的配置與數(shù)據(jù)采集、與工控機(jī)的控制交互和圖像數(shù)據(jù)上傳等工作；

   （2）Sensor通常分辨率不會(huì)太大，也有可能是Mono的，也有可能幀率較高，輸出接口則是五花八門(mén)，有可能是LVDS、Hispi、BT601/656/1120等等各種；配置總線(xiàn)接口則基本是SPI或IIC;通過(guò)FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和配置總線(xiàn)接口；

   （3）控制接口與計(jì)算機(jī)交互控制命令或狀態(tài)，控制命令有可能是設(shè)置相機(jī)、同步觸發(fā)等，物理層可能通過(guò)RS-232/422/485或者CAN總線(xiàn)等；通過(guò)FPGA IP資源實(shí)現(xiàn)控制接口；

   （4）這里的數(shù)據(jù)接口輸出相機(jī)前端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)到工業(yè)相機(jī)，物理層常用的有a)USB3.0，通常采用Cypress的轉(zhuǎn)接橋片，FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè)并行存儲(chǔ)總線(xiàn)邏輯；b）以太網(wǎng)，一般會(huì)用UDP傳輸，要求高一些的會(huì)走一些握手協(xié)議，GigE Vision目前用的比較多，會(huì)利用FPGA IP資源來(lái)實(shí)現(xiàn)（當(dāng)然GigE Vison IP并不免費(fèi)，有人選擇花錢(qián)買(mǎi)第三方的，也有公司選擇自主開(kāi)發(fā)）; c)CameraLink,這個(gè)大家都熟悉，工業(yè)相機(jī)用了好些年了；

  （5）有一些簡(jiǎn)單預(yù)處理的，會(huì)選擇掛SRAM或DDR來(lái)緩存，做一些類(lèi)似于幾何拼接、壞點(diǎn)校正、簡(jiǎn)單的降噪、增強(qiáng)或者Gamma之類(lèi)的（有的用到18*18乘法器，看具體算法）；

    實(shí)際上這里選哪家的FPGA并沒(méi)有什么特殊的優(yōu)勢(shì)或者門(mén)檻，有用Xilinx或Altera Cyclon的，也有用Lattice的。我這里想說(shuō)的是，這幾年用MAX10的越來(lái)越多了。大家或許是基于下面的一些原因考慮的吧：

  （1）性?xún)r(jià)比因素：比Xilinx的便宜得多，就算是MAX10系列的器件和Lattice同規(guī)模的相比較價(jià)格也在同一個(gè)水平上，但是用起來(lái)會(huì)更方便、IP資源也多、社區(qū)生態(tài)也更豐富；

  （2）單電源3.3V或者雙電源（2.5V和1.2V）供電：這樣能極大的簡(jiǎn)化電源方案，如果選用單電源3.3V的，基本上只要一個(gè)電軌就夠了；

  （3）內(nèi)置Flash：無(wú)需再外接程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的Flash；

  （4）汽車(chē)認(rèn)證：AEC-Q100認(rèn)證，這對(duì)有些應(yīng)用來(lái)說(shuō)很重要。

   綜合來(lái)講，用MAX10系列器件能夠大幅的減少電路尺寸、節(jié)省BOM成本，但是也有一些缺點(diǎn)，主要集中在單電源供電的器件發(fā)熱稍大、部分器件的交期較長(zhǎng)。

   案例二：電源控制

   在復(fù)雜的系統(tǒng)中往往有多個(gè)處理器或處理單元、模組，對(duì)掉電、上電和電源調(diào)節(jié)有特殊的要求，主要體現(xiàn)在時(shí)序和反饋調(diào)節(jié)上。在這里使用CPLD太弱、使用其它FPGA太費(fèi)，熊貓君看到用得比較多的是單電源供電的10M02（或者10M04，畢竟還是有一些邏輯需求在里面），封裝一般用M153的（8mm*8mm）。主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

  （1）上電和掉電時(shí)序控制，這個(gè)簡(jiǎn)單，GPIO輸出個(gè)高低電平OK；

  （2）反饋調(diào)節(jié)：用片上的SAR ADC采樣電壓或者電流數(shù)據(jù)，通過(guò)SMBUS對(duì)電源管理芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)(也有用DAC調(diào)節(jié)電源FB基準(zhǔn)的)；

  （3）風(fēng)扇控制：采樣溫度、PWM調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的；

  （4）有的還會(huì)和處理器建立一個(gè)通信接口，一般是SPI或者IIC。

    用起來(lái)特別方便，一個(gè)3.3V電源，一片MAX10芯片搞定一切，占的地方小，也便宜。

    案例三、電機(jī)控制

    電機(jī)控制這一塊兒的應(yīng)用有用作控制步進(jìn)電機(jī)的，也有用在BLDC（FOC）控制上的。

   （1）步進(jìn)電機(jī)：比較簡(jiǎn)單，就是一個(gè)根據(jù)輸入命令信號(hào)生成相位脈沖，真的很簡(jiǎn)單，主要還是用10M02的器件；

   （2）用作接口轉(zhuǎn)接的：主要是在BLDC（FOC）控制中采樣編碼器之類(lèi)反饋器件的值，編碼器接口的協(xié)議眾多，FPGA采集到后經(jīng)過(guò)濾波處理（有的用到18×18乘法器，看算法）通過(guò)總線(xiàn)送到主處理器如TI的TMS320F28335/ TMS320F28069之類(lèi)的專(zhuān)用的電機(jī)控制DSP上。對(duì)較為復(fù)雜的如多機(jī)械關(guān)節(jié)的地方，接入的編碼器路數(shù)可能還會(huì)比較多，這一塊兒主要還是用10M02和10M04的器件較多。

     案例四、圖像接口

   一個(gè)是體現(xiàn)在其它接口與MIPI D-PHY之間的轉(zhuǎn)接上，監(jiān)控和顯示領(lǐng)域用得比較多，早期主要是用的Lattice的方案（基本上自己沒(méi)法改動(dòng)），現(xiàn)在也有一些用MAX10方案的：

   （1）監(jiān)控領(lǐng)域：主要是做sensor的采集到主處理器MIPI接口輸入(早幾年TI的方案上也有轉(zhuǎn)并口BT1120的)，監(jiān)控行業(yè)現(xiàn)在主要是和華為海思主處理器的MIPI D-PHY CSI接口對(duì)接；

   （2）顯示領(lǐng)域：主要是MIPI D-PHY DSI轉(zhuǎn)SDI（用第三方收發(fā)器芯片）、HDMI、LVDS用于中大型屏顯示的。

    這兩種應(yīng)用大多會(huì)用10M25和10M40雙電源（單電源的LVDS工作速率要低）的器件。

    二個(gè)是一些特殊的應(yīng)用，比如說(shuō)模擬輸出的圖像在前端又不能用較大面積電路的。如制冷型探測(cè)器的圖像采樣：

   （1）傳統(tǒng)的辦法是分成2級(jí)或者3級(jí)：a）最前端是信號(hào)板，套在探測(cè)器的脖子上（業(yè)內(nèi)人士清楚這種方式）； b）中間是AD板（這一級(jí)也有可能沒(méi)有，直接放到圖像處理板上），主要進(jìn)行ADC采樣，離信號(hào)板的距離相對(duì)近（因模擬信號(hào)不適合遠(yuǎn)距離傳輸，即使轉(zhuǎn)成差分的）；c）圖像板：接收AD板采樣的信號(hào)（或者是板上本來(lái)就有AD采樣電路）和紅外圖像處理。這樣子帶來(lái)的不利影響是模擬信號(hào)需要較長(zhǎng)距離的線(xiàn)上傳輸，可能會(huì)帶來(lái)干擾或衰減，影響圖像質(zhì)量（這對(duì)紅外圖像系統(tǒng)很重要）；電路多且分散，也會(huì)對(duì)可靠性帶來(lái)影響。

    （2）采用MAX10的方案，將低功耗ADC和信號(hào)板合并，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)傳輸路徑最優(yōu)，轉(zhuǎn)成LVDS數(shù)字信號(hào)抗干擾能增強(qiáng)。已知現(xiàn)有的主要是用M153封裝（8*8mm面積）的那顆料。

    另外還有一些其他接口的應(yīng)用，比如說(shuō)子母時(shí)鐘系統(tǒng)，對(duì)時(shí)碼輸出有秒對(duì)齊要求的，會(huì)用它來(lái)做接口板輸出串口、1X9或其他接口的時(shí)碼。

    總之呢，MAX10的器件在性?xún)r(jià)比、資源和易用性上還是很有優(yōu)勢(shì)的。不過(guò)，就目前的國(guó)際形勢(shì)來(lái)看，中國(guó)還是需要有且必須有自己的真正能夠達(dá)到規(guī)模商用水平的FPGA，熊貓君期待那一天盡快到來(lái)。感興趣的同行可加入QQ群：300148644進(jìn)行進(jìn)一步的技術(shù)交流或需求對(duì)接！

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