萊迪思CrossLink 視頻接口橋接方案

　　如果請嵌入式視頻系統設計工程師談?wù)劗a(chǎn)品設計過(guò)程中有哪些很難對付的挑戰的話(huà)，可能大多數都會(huì )認為是快速且不斷發(fā)展的 I/O 接口。移動(dòng)應用處理器的巨大進(jìn)步、低成本圖像傳感器和顯示屏的快速普及以及 MIPI 標準接口的廣泛采用在過(guò)去幾年里徹底改變了嵌入式系統設計?，F在，移動(dòng)平臺是創(chuàng )新的主戰場(chǎng)，不僅是在智能手機和平板電腦領(lǐng)域，數碼單反相機、無(wú)人機、虛擬現實(shí)(VR)系統、醫療設備和工業(yè)顯示領(lǐng)域也是如此。理想的情況是系統中的每個(gè)器件都可以直接連接到應用處理器，但對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(lèi)型或數量不適配系統中的圖像傳感器或顯示屏。

　　VR 和 3D 視頻應用設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(gè)輸入接收信號，然后傳輸到兩個(gè)顯示屏?亦或是無(wú)人機設計工程師在思考如何實(shí)現接收多個(gè)攝像頭的輸入，并以精確同步的方式將各幅畫(huà)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，設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計靈活性和實(shí)現設計創(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(wèn)題，萊迪思半導體推出了業(yè)界首款可編程專(zhuān)用標準產(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(lèi)別的 pASSP 器件，可為用戶(hù)提供 FPGA 和 ASSP 的突出優(yōu)點(diǎn)。作為該類(lèi)產(chǎn)品中的首款解決方案，CrossLink 器件可實(shí)現低成本視頻接口橋接應用，提供超高的帶寬、超低的功耗以及超小的尺寸。上述優(yōu)勢使其成為虛擬現實(shí)(VR) 頭盔、無(wú)人機、數碼單反相機、智能手機、平板電腦以及可穿戴設備等應用的理想選擇。

　　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(zhuān)為消費電子應用進(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。并且充分結合了 FPGA 的靈活性和 ASSP 的性能這兩點(diǎn)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(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 條數據通道以及 1 條時(shí)鐘線(xiàn)，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(lèi)視頻功能，包括多路復用、合并、多路解復用、仲裁、拆分、數據轉換以及自定義協(xié)議設計。使用 2 個(gè) D-PHY 時(shí)的數據速率最高為 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)用于系統功能的用戶(hù) 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(hù)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，FPGA 設計和驗證軟件，以及 Power Estimator 工具和產(chǎn)品手冊。公司還提供來(lái)自 Clarity Design 的免 費 IP，支持實(shí)現各類(lèi)顯示和攝像應用接口：

　　基礎的 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、顯示屏和應用處理器。用戶(hù)還可以購買(mǎi)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 應用

　　一、MIPI CSI-2 圖像傳感器擴展

　　在這個(gè)市場(chǎng)上激動(dòng)人心的全新應用不斷涌現，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。針對這些應用，設計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)或者是增強現實(shí)系統，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計工程師同時(shí)連接到多個(gè) MIPI CSI-2 圖像傳感器。

　　然而，要建立能夠將多個(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。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 用于針對特定應用進(jìn)行定制。

　　二、工業(yè)傳感器到移動(dòng)處理器

　　在數碼單反相機、監控和無(wú)人機等應用中，設計工程師將工業(yè)圖像傳感器橋接到移動(dòng)應用處理器。這些應用中的許多工業(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)的傳統專(zhuān)用接口。

　　該領(lǐng)域中構建嵌入式應用的設計工程師通常需要利用主流移動(dòng)應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(zhuān)用接口橋接至目前大多數移動(dòng)應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，開(kāi)發(fā)工程師得以構建緊湊、高性能、低功耗的接口橋接，將上述專(zhuān)用接口橋接至 MIPI CSI-2。

　　三、MIPI DSI 接口擴展

　　第三類(lèi)主要的 CrossLink 應用是 MIPI DSI 接口擴展。目前，VR 頭盔和移動(dòng)機頂盒設計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)設計工程師該如何實(shí)現上述類(lèi)型的應用呢?

　　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(lèi)似的 ASSP 或 ASIC 低 25%至 50%。

　　四、將采用 OpenLDI、LVDS 或專(zhuān)用接口的工業(yè)面板連接到移動(dòng)應用處理器

　　許多工業(yè)顯示屏用戶(hù)想要節約投入，但是發(fā)現要將采用 OpenLDI、LVDS 或專(zhuān)用接口的顯示屏橋接到移動(dòng)應用處理器非常困難。典型的應用涵蓋人機界面(HMI)、智能顯示屏以及智能家居系統等。用戶(hù)該如何既能利用最新一代的移動(dòng)應用處理器提供的優(yōu)勢，同時(shí)繼續用原先的顯示屏呢?

　　在這種情況下，HMI 解決方案、智能顯示屏或智能家居應用的開(kāi)發(fā)工程師們可使用CrossLink 解決方案將 OpenLDI、LVDS 或專(zhuān)用接口橋接至 MIPI CSI-2，并且支持的速率最高為 6 Gbps/PHY。

　　總結

　　嵌入式視頻系統市場(chǎng)的前景一片光明。從 VR 和 3D 視頻到全新的監控系統、智能家居、高級醫療設備以及工業(yè)系統，各種激動(dòng)人心的全新應用不斷在這個(gè)市場(chǎng)涌現。而這些應用成功的關(guān)鍵之一在于工程師們能夠持續改進(jìn)其性能和功能。萊迪思的 CrossLink 器件能夠實(shí)現前所未有的高性能、低功耗、緊湊的橋接解決方案，為設計工程師提供獨家的支持以最大化設計靈活性，并且實(shí)現創(chuàng )新。