FPGA橋接解決方案可應用于汽車各個領域

在過去十年里，隨著智能手機及其應用生態(tài)體系的不斷發(fā)展，汽車電子領域中移動相關(guān)應用的創(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的相同處理器平臺應用到新一代汽車中，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今移動產(chǎn)業(yè)規(guī)?；蛻弥С值膬?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的思路設計的。在很多案例中，這樣的平臺需要進行一定的調(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)有平臺能夠完美應用于汽車領域。

每當設計工程師試著將現(xiàn)有平臺應用于全新領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)的數(shù)據(jù)進行聚合以及多路復用，然后發(fā)送至SoC。

·ECP5™ – 優(yōu)秀、全面的汽車應用橋接芯片。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備。DSP塊能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的預處理和后處理，或是將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為各種標準顯示格式。

·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域中的應用。

嵌入式視覺

雖然嵌入式視覺聽起來有點科幻的感覺，但實際上它是當今最激動人心的應用發(fā)展趨勢之一。 顧名思義，它是指機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。

嵌入式視覺系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)能夠幫助機器學習技術(shù)變得更加智能，能力更強。人機界面(HMI)支持機器實現(xiàn)更智能的操作和控制，同時機器反饋信息以幫助決策。計算機視覺的一個重點是在目標識別和立體視覺應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、有用的信息進行處理。同時，這些系統(tǒng)可以通過高速連接進行安全的通信，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)絡邊緣應用實現(xiàn)智能功能。FPGA的靈活性有助于加速產(chǎn)品上市進程、降低成本和功耗并最大限度地縮減工業(yè)和汽車級設備的尺寸。

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8個攝像頭來精確感知汽車周圍情況。設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，為處理器提供質(zhì)量最高的圖像以便進行決策?，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，進行魚眼校正(這是FoV廣角鏡頭導致的)，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)量達到最佳狀態(tài)的圖像發(fā)送至處理器。

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

在設計上述類型的系統(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

·預處理圖像以降低主ADAS處理器的負載

視頻通道和分辨率

萊迪思CrossLink器件使得設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锰幚砥?。CrossLink的尺寸很小，可以放在傳感器附近以提升設計靈活性。

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準之間的橋接和聚合。這樣設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準。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/導航顯示屏、后座娛樂系統(tǒng)等應用。

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

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

車內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸

當汽車中有很多傳感器需要管理時，點到點布線的復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)絡和傳輸應用提供強有力的支持。該器件可用于驅(qū)動車載網(wǎng)絡，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設備。

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

視頻預處理

ECP5也可用于預處理視頻。隨著汽車行業(yè)開始采用移動處理器，設計工程師不得不面對各種新的接口。舉個例子，雖然手機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處理和不同接口之間的橋接。ECP5可用于構(gòu)建應用處理器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行裁剪和格式化。

帶有雷達/激光雷達的高級駕駛輔助系統(tǒng)

雷達和激光雷達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乘客的安全。雖然這些系統(tǒng)仍在發(fā)展之中，但可以預見未來的汽車將不僅限于對攝像頭接收到的圖像進行圖像信號處理，還將采用基于雷達的接近傳感器和基于激光雷達的地形傳感器。雷達和激光雷達系統(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雷達使用CSI-2與ADAS MCU進行互連。使用下方圖示的拓撲結(jié)構(gòu)，ADAS系統(tǒng)可以通過多個CrossLink橋連接到多個雷達設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)送至應用處理器。

ADAS系統(tǒng)中CrossLink用于雷達的橋接應用

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。隨著用于決策的機器學習算法不斷發(fā)展，汽車的自動化程度也越來越高，F(xiàn)PGA可為設計工程師提供所需的靈活性。當決策權(quán)歸于計算機時，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，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從移動設備輸入視頻。

客戶應用實例研究

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處理器進行初始校準和視頻編碼。

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領域經(jīng)過大量市場驗證的產(chǎn)品，并迅速適應汽車領域不斷變化的需求。

FPGA在其他領域也能發(fā)揮作用。FPGA已經(jīng)開始出現(xiàn)在電機控制等應用中，證明對于汽車行業(yè)也是有用的?？梢钥隙ǖ氖?，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步，設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。