全新CrossLinkPlus FPGA简化基于MIPI的视觉系统开发

莱迪思白皮书

2019年11月

如今，嵌入式视觉系统设计师需要迎合众多市场趋势。例如，现在的设计使用的传感器越来越多，便于收集更多数据或实现新的功能。比如在汽车市场，几十年前，汽车厂商在车辆上安装一个备份摄像头就算是创新之举了，而现在他们已经开始将摄像头用于道路偏离监控、速度标志牌识别和其他众多智能驾驶应用。

同时，嵌入式视觉系统设计师正逐渐采用符合移动产业处理器接口（MIPI）联盟标准的组件。 MIPI起初是为移动市场开发的，它定义了移动设备的设计人员在在构建高性能、高成本效益、可靠的移动解决方案时所需的硬件和软件接口标准。在过去几年中MIPI已经成为开发嵌入式系统的主流标准。包括工业和汽车等领域的各类应用的设计人员都已经意识到这一点，并且开始寻找方法来利用移动组件高性能和规模经济的优势。

缩短上市时间带来的压力也推动了对易于使用的嵌入式视觉解决方案的需求。只提供芯片的做法已经远远不够了。这些压力让设计人员迫切需要能够提供所有硬件、软件、IP和参考设计的嵌入式视觉设计环境，从而快速设计和开发终端产品。与此同时，如今的用户希望他们的嵌入式显示屏能够像消费电子产品那样反应迅捷。启动很慢的嵌入式显示屏会带来伪像，破坏用户体验。

新的挑战

这些快速发展的趋势在创造机遇的同时，也为嵌入式视觉设计师带来了严峻的挑战。首先，许多嵌入式系统中使用的摄像头和显示屏与当今的应用处理器（AP）的接口类型或数量不匹配。AP上用于传感器的I/O很有限，却又要支持各类显示屏和传感器，更为棘手的是，各种应用的显示大小和分辨率也不尽相同。此外，工业显示屏使用寿命较长，许多尚在使用的显示屏最初是通过传统接口连接的。那么，当嵌入式应用的设计人员在设计中不得不使用传统或专用的显示屏和传感器时，如何利用好MIPI组件市场的优势呢？

为了支持使用更多传感器和更有效地管理I/O资源，设计人员需要可编程的解决方案来弥补I/O不足的缺陷。理想状况下，这样的解决方案需要聚合传感器输入，并且让设计师对数据进行预处理，减少处理器的负载。理想的解决方案还需要是可编程的，能够轻松地适应定制化的显示屏设计。以前，设计师只能通过为每种显示类型开发专门的ASIC来支持不同的显示尺寸和分辨率。而可编程的解决方案能够使用单个器件实现不同的显示要求。

2016年，随着CrossLinkTM系列FPGA的推出，莱迪思半导体成为这一领域的领先供应商。这是一款可编程的视频桥接器件，支持连接移动图像传感器和显示屏的各类协议和接口。为了满足嵌入式视频市场不断增长的需求，莱迪思又推出了CrossLink的增强版本——CrossLinkPlusTM。CrossLinkPlus新增了2 Mbit的嵌入式闪存作为配置存储器，满足用户对显示屏无缝启动的需求。有了片上闪存，CrossLinkPlus能够在10ms内瞬时启动，而人脑一般无法在15 ms内感知图像，因此不会产生伪像干扰用户体验。片上闪存可支持现场重新编程。


图1：莱迪思半导体的CrossLinkPlus FPGA

CrossLinkPlus 拥有同尺寸 FPGA 中速度最快的 MIPI D-PHY，同时功耗非常低。此款 FPGA 封装尺寸仅为3.5 x 3.5 mm，共支持 12 Gbps D-PHY。除了高速 MIPI D-PHY 外，CrossLinkPlus 还拥有 6K LUT 可编程 FPGA架构和灵活的高速 I/O，支持 MIPI CSI-2、MIPI DSI、LVDS、SLVS200、CMOS 和 Sub-LVDS 等接口的视频桥接。由于 CrossLinkPlus 能够连接这类显示屏和传感器，为设计团队提供了极大的设计灵活性。

全新器件能够帮助开发团队提升设计效率，从而应对产品快速上市的压力。例如，针对接收器、转换器和发送器等功能提供的即时可用的预验证 IP 库能让设计人员专注于开发其设计的高价值特性，让他们的产品在竞争中脱颖而出。预验证的视频 IP 模块和参考设计不仅能缩短设计周期，还能免费立即获得。此外，这些 IP 模块在 CrossLink 和 CrossLinkplus 产品系列均可复用。

莱迪思还提供易于使用的硬件和软件工具来模拟功能表现、验证系统级功能、加速产品开发。器件上的嵌入式闪存让设计人员可以在现场更新位流，满足不断变化的市场需求。全新CrossLinkPlus还能帮助工程师解决严格的尺寸和功耗限制问题，同时避免了使用外部闪存产生更多功耗。

从竞争力角度而言，该器件的单位尺寸硬核 MIPI D-PHY 速率为业界最快。莱迪思 CrossLinkPlus 与相似的竞品相比不仅尺寸更小，D-PHY 性能更强，功耗也更低。


图2：莱迪思CrossLinkPlus FPGA不仅提供高性能的MIPI D-PHY，而且功耗极低

莱迪思为加速产品开发提供了大量支持。例如，莱迪思会定期推出基于CrossLink和CrossLinkPlus的新参考设计。这些参考设计都是为在新的或现有产品设计上实现流行的视频桥接特性而定制的。

新的应用

CrossLinkPlus的常见用例表明它可以赋予设计人员高度的设计灵活性。下列图3描述了如何使用该器件桥接不同接口的传感器和处理器。这此案例中，设计人员面临这样一个问题： 一方面它们希望利用MIPI处理器的成本、性能和尺寸的优势；另一方面，他们希望保留采用行业标准的现有摄像头。在图3的机器视觉应用中，

设计人员采用CrossLinkPlus来桥接Sub-LVDS接口的摄像头和D-PHY接口的MIPI处理器。


图3：在此应用示例中，莱迪思CrossLinkPlus FPGA在Sub-LVDS摄像头与机器视觉处理器的MIPI I/O 之间起到桥接的作用.

莱迪思 CrossLinkPlus 的第二个潜在应用是聚合多个传感器的输入，并将其发送至应用处理器。例如，在图4中，三个图像传感器通过三个 D-PHY 端口与 CrossLinkPlus 器件连接。CrossLinkPlus 将传感器数据聚合，通过单个 D-PHY 输出至处理器。设计人员可以通过这种聚合功能优化使用处理器有限的 I/O 资源。


图4：莱迪思CrossLinkPlus可以在一个端口上聚合多个传感器信号，节约处理器的I/O

设计人员还可以使用CrossLinkPlus来实现MIPI信号分离或复制。在图5中，设计人员将来自传感器的信号馈送到CrossLinkPlus器件中，然后将输出拆分或将其复制到两个单独的输出中。莱迪思认为这种方法将越来越多地应用于智能汽车的ADAS或注重数据冗余备份的应用中。在此案例中，来自摄像头的信号进入莱迪思CrossLinkPlus器件，并被复制到两个输出流中。一个被发送到实时处理数据的应用处理器。第二个被存档到本地或云端进行数据记录和备份，类似飞机的黑匣子。若发生故障或交通事故，调查人员可以查看数据备份，确定事故原因。


图5：在该ADAS视觉系统中，CrossLinkPlus FPGA复制摄像头信号输出，发送至应用处理器和数据备份处

下图6展示了设计人员如何使用CrossLinkPlus将传统显示器连接到新的高性能AP。许多工业控制应用在连接OpenLDI接口的传统显示屏和AP时，需要采用桥接器件，因为OpenLDI显示屏通常比MIPI显示屏大很多。新的MIPI应用处理器通过D-PHY将数据传送到CrossLinkPlus。然后，该器件使用OpenLDI桥接，将数据发送到传统显示屏。同样，CrossLinkPlus可用于桥接非MIPI接口的图像传感器和MIPI AP。


图6：在该应用示例中，莱迪思CrossLinkPlus实现了传统显示器和现代应用处理器之间的连接

结论

如今，有了莱迪思CrossLinkPlus，那些希望加快嵌入式视觉开发的设计师们就无需苦苦寻找了。通过将FPGA的可重编程性引入嵌入式视觉系统，CrossLinkPlus让设计人员可以利用MIPI组件提供的成本和性能优势。其硬核D-PHY接口可提供行业领先的性能，嵌入式闪存可实现瞬时显示。该器件的运行功耗极低，尺寸小，有助于简化散热管理，对各类常用接口和传统接口的支持最大限度地提高了设计灵活性。最后，CrossLinkPlus全面的、预先验证且免费的IP库进一步加快了开发速度，让设计人员将更多时间用于设计的核心部分——提升竞争优势。