迎接可穿戴設備時(shí)代的設計挑戰

　　例如，常用于CMOS圖像傳感器的Sub-LVDS接口采用與許多常用應用處理器使用的CSI-2接口不同的數據幀格式(圖1)。此外，器件的接口還可能具備不同數量的串行通道。另一個(gè)導致“數字斷裂”的原因是，許多通用MCU具備GPIO以及其他并行接口，其必須要轉換成一種現在大多數傳感器和顯示屏使用的串行格式。此外，可穿戴應用中采用的緊湊封裝MCU的引腳數量太少，限制了其可直接訪(fǎng)問(wèn)的器件數量。

　　應用處理器所支持的接口與眾多傳感器和輸出設備所要求的接口之間也存在著(zhù)“功能性鴻溝”。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是，可穿戴設備可實(shí)現電視機或其他電子產(chǎn)品的紅外遠程控制。而這種情況下，大多數MCU并不具備的LED驅動(dòng)能力成為了應用處理器和紅外(IR)LED之間的“功能性鴻溝”。

　　IR編碼器是一種純數字功能，至少從理論上來(lái)說(shuō)可以由MCU的應用處理器實(shí)現。但是在許多情況中，這并不是最理想的解決方案，因為實(shí)時(shí)編碼需要占用的處理器資源已經(jīng)超過(guò)了系統能夠節省的資源。并且，應用處理器在編碼任務(wù)上花費的額外時(shí)間將導致消耗過(guò)多有限的系統功耗，因此最好使用硬件實(shí)現。

　　基于FPGA的解決方案

　　現在，FPGA可提供高性?xún)r(jià)比的方式來(lái)實(shí)現接口間的橋接以及為現有的器件添加新功能并縮短設計周期。而早期的可編程邏輯器件相對來(lái)說(shuō)過(guò)于昂貴，并且功耗驚人，所以常用來(lái)作為初代設計或小批量產(chǎn)品的原型設計工具和“膠合”元件。

　　步入21世紀后，深亞微米工藝和新架構的發(fā)展帶動(dòng)了性能和通用性增強的新型FPGA的實(shí)現，并顯著(zhù)降低了成本和功耗。這使得現在的FPGA能夠在可穿戴電子設備中發(fā)揮多種作用。

　　當然，FPGA仍在其傳統的應用領(lǐng)域中不斷發(fā)揮作用，如提供“膠合”邏輯、實(shí)現基礎功能，包括提供額外的邏輯單元(門(mén)電路、鎖存器、觸發(fā)器等)，添加輸入信號調節(電平轉換、施密特觸發(fā)器和反相器)，以及為已有的主機處理器I/O互連提供擴展路徑。

　　FPGA還能用于實(shí)現前文所提到的更復雜的功能。其最簡(jiǎn)單的形式是提供橋接功能，如圖2所示，FPGA能解決圖1中展示的傳感器Sub-LVDS接口與應用處理器的CSI-2 I/O總線(xiàn)之間的橋接問(wèn)題。

　　圖2：嵌入式圖像傳感器和應用處理器間的橋接。

　　在串/并轉換應用中也經(jīng)常使用基于FPGA的橋接。圖3展示了可編程邏輯器件是怎樣將應用處理器的標準并行總線(xiàn)轉換成現在的可穿戴設備顯示屏最常用的MIPI DSI接口的串行格式的。在該應用中，FPGA負責實(shí)現以下功能：

　　重新定義圖像傳感器的LVDS輸出格式，以匹配應用處理器支持的通道數量和數據速率;

　　將傳感器的數據時(shí)鐘信號傳輸至應用處理器，實(shí)現任何所需的信號編碼;

　　使用可編程邏輯而不是應用處理器有限的機器周期來(lái)實(shí)現屏幕刷新動(dòng)作。

　　圖3：用于可穿戴設備顯示屏的GPIO/DSI橋接。

　　橋接功能也可用作基于FPGA的更大系統元件的構建模塊，如實(shí)現圖4中的雙輸入橋接/處理器，它將接收來(lái)自2個(gè)獨立圖像傳感器的CSI-2串行數據流，并將其處理為單個(gè)CSI-2或并行或HiSPI輸出。根據所選的算法，可對獨立的數據流進(jìn)行色彩調整或在時(shí)間或空間上進(jìn)行補償生成單幅3D圖像，或在屏幕坐標空間的不同位置對其單獨顯示產(chǎn)生畫(huà)中畫(huà)效果。

　　圖4：FPGA可用于實(shí)現實(shí)時(shí)視頻處理功能，如生成3D立體圖像、視場(chǎng)或畫(huà)中畫(huà)。