FPGA橋接解決方案可應用于汽車(chē)各個(gè)領(lǐng)域

在過(guò)去十年里，隨著(zhù)智能手機及其應用生態(tài)體系的不斷發(fā)展，汽車(chē)電子領(lǐng)域中移動(dòng)相關(guān)應用的創(chuàng )新技術(shù)也深受其影響。汽車(chē)制造商已經(jīng)開(kāi)始將用于智能手機的相同處理器平臺應用到新一代汽車(chē)中，使得駕駛體驗獲得了質(zhì)的提升的同時(shí)讓汽車(chē)變得更加安全和便宜。除此之外，汽車(chē)制造商還希望能夠充分利用當今移動(dòng)產(chǎn)業(yè)規?；蛻弥С值膬?yōu)勢。雖然很多處理器制造商現在能夠提供汽車(chē)級移動(dòng)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(jìn)行一定的調整以滿(mǎn)足汽車(chē)制造商的需求。而使用FPGA可以快速實(shí)現低成本橋接解決方案，使得現有平臺能夠完美應用于汽車(chē)領(lǐng)域。

每當設計工程師試著(zhù)將現有平臺應用于全新領(lǐng)域時(shí)總會(huì )面臨很多挑戰。汽車(chē)行業(yè)也不例外。FPGA橋接解決方案能夠解決許多問(wèn)題。

汽車(chē)平臺常見(jiàn)的挑戰

根據系統設計、具體的理念和需求，汽車(chē)制造商可能需要多個(gè)部件來(lái)實(shí)現合適的解決方案。萊迪思半導體提供的多款FPGA能夠實(shí)現各類(lèi)滿(mǎn)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(lái)自多個(gè)攝像頭接口(視覺(jué)或雷達)的數據進(jìn)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(chē)應用橋接芯片。ECP5是一款低功耗、低成本的器件，使用SERDES通過(guò)以太網(wǎng)或光纖方便地連接設備。DSP塊能夠實(shí)現傳感器數據的預處理和后處理，或是將視頻數據轉換為各種標準顯示格式。

·MachXO™ – 擁有最高每LUT I/O數量的小尺寸FPGA，能夠很方便擴展I/O以及實(shí)現視頻數據的簡(jiǎn)單轉換。

以下是橋接解決方案在特定領(lǐng)域中的應用。

嵌入式視覺(jué)

雖然嵌入式視覺(jué)聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)科幻的感覺(jué)，但實(shí)際上它是當今最激動(dòng)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?chē)h(huán)境視覺(jué)數據的能力。該技術(shù)使制得造商能夠實(shí)現可以“看見(jiàn)”的機器和汽車(chē)，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(jué)系統收集的數據能夠幫助機器學(xué)習技術(shù)變得更加智能，能力更強。人機界面(HMI)支持機器實(shí)現更智能的操作和控制，同時(shí)機器反饋信息以幫助決策。計算機視覺(jué)的一個(gè)重點(diǎn)是在目標識別和立體視覺(jué)應用中使用多維圖像來(lái)測量距離和深度。使用傳感器融合技術(shù)，這些系統能夠將來(lái)自不同傳感器的數據組合成有意義、有用的信息進(jìn)行處理。同時(shí)，這些系統可以通過(guò)高速連接進(jìn)行安全的通信，從而實(shí)現智慧城市、智能工廠(chǎng)和智能汽車(chē)。

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 )邊緣應用實(shí)現智能功能。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(chē)級設備的尺寸。

高級駕駛輔助系統(ADAS)鳥(niǎo)瞰全景視野

現代處理器通常只有2個(gè)攝像頭接口，但是許多ADAS系統需要至少4個(gè)接口，在某些情況下甚至需要多達8個(gè)攝像頭來(lái)精確感知汽車(chē)周?chē)闆r。設計工程師面臨的另一個(gè)挑戰是如何處理這些攝像頭收集的圖像數據。這些數據需求通常需要一個(gè)大尺寸ISP(圖像信號處理器)連接到處理器。萊迪思ECP5 FPGA專(zhuān)為實(shí)現并行處理而設計，可加速處理過(guò)程。該器件提供大量的I / O，可以輕松地連接多個(gè)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(gè)攝像頭并執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代汽車(chē)的鳥(niǎo)瞰全景攝像頭以及前視和后視側視系統就是一個(gè)實(shí)例。鳥(niǎo)瞰全景系統能夠實(shí)現從汽車(chē)上方20英尺往下俯視的全景視野。這是通過(guò)將4個(gè)(或更多)廣角(FoV)攝像頭的數據拼接在一起來(lái)實(shí)現的。ECP5可以聚合所有攝像頭輸入，將圖像拼接在一起，進(jìn)行魚(yú)眼校正(這是FoV廣角鏡頭導致的)，執行白平衡，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(gè)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成本和功耗的途徑。

在設計上述類(lèi)型的系統時(shí)必須將以下因素納入考慮范圍之內：

·所需的視頻通道數和分辨率

·快速和穩定可靠的傳輸

·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(gè)圖像傳感器的數據，并通過(guò)單個(gè)CSI-2接口將數據傳輸到應用處理器。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器件提供了多款現成的IP，可實(shí)現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等傳統接口以及現代MIPI CSI-2或DSI接口的攝像頭或顯示屏。

DisplayPort是另一個(gè)在汽車(chē)行業(yè)越來(lái)越受歡迎的開(kāi)放標準。由于自帶嵌入式時(shí)鐘，所需的通道數量減少，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(cháng)的距離。使用ECP5提供的專(zhuān)用SERDES通道，DisplayPort(DP)或嵌入式DisplayPort(eDP)能夠用于實(shí)現儀表系統、儀表板/導航顯示屏、后座娛樂(lè )系統等應用。

結合萊迪思汽車(chē)級MHL/HDMI ASSP解決方案，可輕松實(shí)現到智能手機和平板電腦等現代智能設備的連接應用。

適用于在智能設備與汽車(chē)之間實(shí)現互連的萊迪思MHL/ HDMI ASSP

車(chē)內的數據傳輸

當汽車(chē)中有很多傳感器需要管理時(shí)，點(diǎn)到點(diǎn)布線(xiàn)的復雜程度和成本就會(huì )大大提升。將多個(gè)傳感器連接到位于汽車(chē)后部的ECP5，可以使用單根電纜將數據快速高效地發(fā)送到汽車(chē)前部，從而降低重量和成本，并簡(jiǎn)化維修工作。

ECP5的3.2Gbps SERDES為許多網(wǎng)絡(luò )和傳輸應用提供強有力的支持。該器件可用于驅動(dòng)車(chē)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(chē)內的傳感器數據。ECP5還支持仿真CSI-2接口，可用于連接多個(gè)攝像頭或雷達設備。

使用ECP5實(shí)現車(chē)內傳感器聚合以及網(wǎng)絡(luò )連接

視頻預處理

ECP5也可用于預處理視頻。隨著(zhù)汽車(chē)行業(yè)開(kāi)始采用移動(dòng)處理器，設計工程師不得不面對各種新的接口。舉個(gè)例子，雖然手機處理器通常具有連接顯示屏的單個(gè)DSI輸出，但汽車(chē)市場(chǎng)上的主流顯示屏都使用LVDS。FPGA可以實(shí)現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可用于構建應用處理器DSI或FPD-Link輸出與大多數汽車(chē)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(chē)載信息娛樂(lè )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(gè)視頻輸出進(jìn)行裁剪和格式化。

帶有雷達/激光雷達的高級駕駛輔助系統

雷達和激光雷達不僅適用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)，還可以作為駕駛輔助工具。具體來(lái)說(shuō)就是用于檢測危險目標和條件，讓汽車(chē)通知駕駛員或者在必要時(shí)自動(dòng)采取措施以保護乘客的安全。雖然這些系統仍在發(fā)展之中，但可以預見(jiàn)未來(lái)的汽車(chē)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充分利用了高速MIPI接口，并使用CSI-2輸出數據。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接口數量有限或接口類(lèi)型不同的挑戰。汽車(chē)級CrossLink器件可用于聚合來(lái)自多個(gè)傳感器的數據，或者簡(jiǎn)單地用作橋接解決方案，將CSI-2數據轉換為應用處理器接口能夠接受的格式。

舉個(gè)例子，許多現代的77 GHz雷達使用CSI-2與ADAS MCU進(jìn)行互連。使用下方圖示的拓撲結構，ADAS系統可以通過(guò)多個(gè)CrossLink橋連接到多個(gè)雷達設備來(lái)收集汽車(chē)周?chē)蟹较蛏系臄祿?，并將數據通過(guò)并行接口發(fā)送至應用處理器。

ADAS系統中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(lái)識別對象或專(zhuān)注于特定對象而不是普通圖像。隨著(zhù)用于決策的機器學(xué)習算法不斷發(fā)展，汽車(chē)的自動(dòng)化程度也越來(lái)越高，FPGA可為設計工程師提供所需的靈活性。當決策權歸于計算機時(shí)，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(lái)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(shí)現目標識別功能。

車(chē)載信息娛樂(lè )系統(AIS)多屏視頻顯示

如果汽車(chē)制造商想要實(shí)現一套AIS系統為整輛汽車(chē)提供信息和娛樂(lè )服務(wù)，這就需要支持多個(gè)屏幕輸出、一個(gè)后屏攝像頭輸入以及支持移動(dòng)設備的視頻和數據輸入。

移動(dòng)處理器通常只能驅動(dòng)一個(gè)DSI顯示屏。而汽車(chē)領(lǐng)域使用各類(lèi)具有LVDS、DSI或DisplayPort等接口的顯示屏。對于像LVDS這樣的傳統顯示接口，ECP5可以將DSI轉換為L(cháng)VDS，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(guò)橋接來(lái)驅動(dòng)DSI顯示屏。設計工程師還可以使用MachXO器件支持多個(gè)顯示屏，并且使用HDMI汽車(chē)ASSP從移動(dòng)設備輸入視頻。

客戶(hù)應用實(shí)例研究

萊迪思的客戶(hù)使用ECP5 FPGA實(shí)現了類(lèi)似的解決方案?？蛻?hù)的產(chǎn)品提供鳥(niǎo)瞰全景視野解決方案，同時(shí)處理圖像數據并提供硬件加速。該解決方案使用安裝于車(chē)身上的4個(gè)攝像頭(前、后和兩側)。視頻數據經(jīng)過(guò)處理和無(wú)縫拼接可提供汽車(chē)周?chē)娜皥D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(gè)ARM處理器實(shí)現的鳥(niǎo)瞰全景視野功能。所有4個(gè)攝像頭捕獲的圖像都經(jīng)過(guò)處理與合并，在ISP的幫助下，如白平衡、魚(yú)眼校正和除霧功能，可實(shí)現一整套的360度全景環(huán)繞視野功能。這款解決方案可以在汽車(chē)制造階段安裝或作為后裝市場(chǎng)產(chǎn)品添加。

每個(gè)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(gè)ARM處理器。同時(shí)需要一個(gè)低端ARM處理器進(jìn)行初始校準和視頻編碼。

總結

在許多行業(yè)中，FPGA的靈活性已被證明是非常有價(jià)值的。在汽車(chē)市場(chǎng)，FPGA可以幫助解決先進(jìn)的娛樂(lè )和安全系統與移動(dòng)處理器之間的不匹配問(wèn)題。這種商業(yè)模式具有明顯的優(yōu)勢，讓汽車(chē)制造商能夠使用來(lái)自智能手機領(lǐng)域經(jīng)過(guò)大量市場(chǎng)驗證的產(chǎn)品，并迅速適應汽車(chē)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(kāi)始出現在電機控制等應用中，證明對于汽車(chē)行業(yè)也是有用的?？梢钥隙ǖ氖?，只要汽車(chē)的電子系統繼續發(fā)展，ADAS等系統繼續推動(dòng)無(wú)人駕駛汽車(chē)進(jìn)步，設計工程師就需要將更多的傳感器集成到這些系統中。這將推動(dòng)不斷變化的市場(chǎng)對能夠實(shí)現攝像頭、傳感器、視頻和更高速連接的FPGA的需求。