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視頻橋接解決方案,實現傳統圖像傳感器與MIPI應用處理器的互連

FPGA開發圈 2017-11-17 13:19:20

[導讀] 幾十年前當嵌入式系統設計工程師們想要降低成本時,他們會使用那個年代規模化生產的PC架構。通過采用原先為PC架構開發的硬件和軟件,嵌入式系統設計工程師能夠在降低開發成本的同時,獲得經過上千萬消費電子應用驗證的高可靠性元器件。PC總線為專用的嵌入式應用提供了極具吸引力的低成本替代方案。除了以上優勢之外,嵌入式開發工程師還能充分利用易于使用的設計工具和基于熟知的架構之上的開源操作系統。通過將設計遷移到PC架構,使得設計工程師能夠將低成本傳遞給終端消費者,并且縮短開發周期。

幾十年前當嵌入式系統設計工程師們想要降低成本時,他們會使用那個年代規模化生產的PC架構。通過采用原先為PC架構開發的硬件和軟件,嵌入式系統設計工程師能夠在降低開發成本的同時,獲得經過上千萬消費電子應用驗證的高可靠性元器件。PC總線為專用的嵌入式應用提供了極具吸引力的低成本替代方案。除了以上優勢之外,嵌入式開發工程師還能充分利用易于使用的設計工具和基于熟知的架構之上的開源操作系統。通過將設計遷移到PC架構,使得設計工程師能夠將低成本傳遞給終端消費者,并且縮短開發周期。

PC時代已經一去不返。PC架構已不再能夠提供如同以往的規模化生產優勢。現在的嵌入式系統開發工程師在考慮如何利用消費電子市場上規模化生產帶來成本優勢時,智能手機市場變成了首選。全球范圍內每年賣出的智能手機數量高達數十億部,各個領域的設計工程師都在嘗試如何充分利用當今移動解決方案中關鍵元器件提供的高性能和低成本優勢。就像二十年前PC架構所扮演的角色一樣,移動市場提供了工程師熟悉的硬件架構和應用,其性能已經在競爭激烈的消費電子市場中得到驗證。

核心標準

推動當前便攜式設備設計發展的是由MIPI聯盟定義的接口和總線。MIPI聯盟成立于2003年,旨在為移動和移動相關設備制定一整套全面的規范。聯盟的目標是提供設備供應商創建創新移動產品時所需的硬件和軟件接口規范,同時加速產品上市進程并降低成本。通過制定一整套核心標準,MIPI聯盟使得移動設備制造商能夠從不同的供應商處獲取元器件,并輕松優化設計的性能。

圖1. MIPI聯盟已經制定推出了一套核心標準,以簡化移動系統設計并確保互操作性(圖片來自MIPI聯盟)

該組織已經從最初的四個成員發展到現在的成百上千個成員,其在智能手機行業的聲譽不言而喻。所有主要芯片廠商都使用MIPI聯盟制定的規范,每一部智能手機至少使用一個MIPI規范。

廣泛的影響

事實上,MIPI聯盟的影響力已經遠遠超出了移動行業的范疇。隨著移動互連融入到人們生活中的方方面面,越來越多不同行業中的設計工程師正在嘗試為他們的設計采用移動技術。但是在這個過程中,他們也面臨著重重障礙。許多嵌入式系統中使用的攝像頭和顯示屏與當今移動應用處理器(AP)上的接口類型或數量不匹配。

應用處理器、圖像傳感器和顯示屏可能是嵌入式系統設計者們能夠從移動市場中獲益最多的MIPI標準元器件。如今的移動系統設計常常包含采用MIPI顯示屏串行接口(DSI)的顯示屏和采用MIPI攝像頭串行接口(CSI-2)的圖像傳感器。DSI和CSI-2接口均基于D-PHY物理層總線協議。D-PHY采用一個差分時鐘和1-4對差分數據線來傳輸數據,D-PHY是一種中心對齊的源同步接口,在時鐘的上下邊沿都有數據傳輸。D-PHY的獨家特性之一是能夠“即時”將差分信號轉換為單端信號。

當設計中采用傳統或專用顯示屏以及傳統或專用圖像傳感器時,嵌入式設計工程師該如何利用MIPI市場提供的眾多優勢呢? 以工業市場為例。一直以來,嵌入式應用設計工程師都依賴于采用LVDS、RGB或SPI接口的顯示屏。但是大多數嵌入式處理器都不具備DSI接口。想要利用MIPI處理器和應用優勢的工業應用設計工程師在保留傳統LVDS顯示屏時,需要實現LVDS顯示屏與符合MIPI標準的應用處理器之間的橋接。解決這個問題的一個方法是構建從OpenDSI、LVDS或專用接口到MIPI DSI的視頻橋接解決方案(見圖2)。

圖2. 視頻橋接解決方案使得設計工程師能夠實現傳統顯示屏與MIPI應用處理器的互連

同樣,工業領域中的許多設計工程師也想在設計中采用最新一代移動處理器和應用時保留CMOS攝像頭。圖3(下圖)說明了如何實現傳統CMOS并行輸出與MIPI應用處理器CSI-2輸入之間的橋接。

圖3. 在此示例中,視頻橋接解決方案使得開發工程師能夠實現傳統圖像傳感器與MIPI應用處理器的互連

在汽車行業,符合MIPI標準的應用處理器和元器件的使用量也在增加。隨著汽車設計中像高級駕駛輔助系統(ADAS)和車載信息娛樂系統等應用需要顯示的內容以及使用的攝像頭數量不斷增加,對于視頻橋接解決方案的需求也在不斷增長。在攝像頭的幫助下,駕駛員不僅可以在倒車時看到后方車輛,它們還可以替代兩側后視鏡以提供360度視野,并支持各類應用,例如車道變更跟蹤和盲點減少。在現在的汽車中,設計工程師可以聚合來自多個圖像傳感器的視頻數據,將其拼接在一起,通過單個CSI-2接口傳輸到應用處理器。

設計工程師在游戲應用中聚合來自多個攝像頭的數據或將其分開輸出到多個顯示屏,這樣的視頻橋接解決方案經過驗證是非常有用的。舉個例子,快速發展的虛擬現實(VR)市場的最新趨勢之一是從單個顯示屏轉為各使用一半帶寬的雙顯示屏頭盔,為用戶提供立體圖像。但是如果應用處理器只有一個DSI接口,設計工程師該如何拆分視頻輸出到兩個顯示屏?圖4(下圖)說明了如何使用視頻橋接解決方案將來自應用處理器的單個DSI視頻數據輸出拆分為兩路輸出,分別用于左眼和右眼顯示屏。該橋接可支持兩個HD或一個QHD顯示屏,I/O速率高達1.5 Gbps/通道。

圖4. 該橋接解決方案將視頻數據拆分為兩路DSI輸出,實現支持立體圖像的VR頭盔

另一個潛在的橋接應用是將數據聚合為單個CSI-2輸出。圖5(下圖)說明了無人機或VR開發工程師如何使用全新的橋接器件將多個圖像傳感器視頻輸出聚合為滿足應用處理器接口要求的單個輸入。該橋接可用于設計中的應用處理器無法提供足夠的接口以支持圖像傳感器輸入或圖像傳感器和成像數據之間存在處理延遲的情況。 在這種情況中,處理器必須以最小的延遲同時接收多個CSI-2輸出。多個合并的視頻流還必須共享公共時鐘,并且在某些情況下還需要單獨的上電時序。

圖5. 無人機和其他系統制造商在設計中集成多個CSI-2攝像頭,因此可能需要將視頻內容進行合并以交付應用處理器進行處理

選擇合適的解決方案

為了滿足全新視頻應用的需求,今天的嵌入式視頻應用設計工程師需要高性能、低功耗、小尺寸的橋接解決方案。理想的橋接解決方案要能夠為攝像頭、顯示屏和應用處理器轉換不兼容的接口,將多個視頻流合并為單個輸出,或者將單個視頻輸出拆分為多個。

解決這個問題的一種方法是使用通用的多通道無源開關將信號傳送到電路板上的多個位置。然而,大多數多路復用/解復用解決方案不能為設計工程師提供所需的高性能或高度的設計靈活性。另一個選項是投資基于特定應用標準產品(ASSP)或專用集成電路(ASIC)的橋接解決方案。大多數橋接解決方案的應用面都很窄,高昂的一次性工程成本(NRE)以及超長開發周期讓這種方式得不償失。

萊迪思半導體的CrossLink FPGA已上市一年多了,可為設計工程師提供設計靈活性并加速產品上市進程,它是業界超快的MIPI D-PHY橋接器件,能夠以12 Gbps帶寬傳輸分辨率高達4K超高清的視頻。CrossLink器件設計用于解決應用處理器、圖像傳感器和顯示屏之間的接口不匹配問題,能夠實現支持各種領先和現有協議的低成本、高度緊湊的橋接解決方案。

CrossLink橋接器件包含兩個MIPI D-PHY硬核以及支持多種視頻功能的面向移動應用的FPGA架構,能夠實現復用、合并、解復用、仲裁、拆分和數據轉換功能。器件中的每個MIPI D-PHY塊最高支持四條數據通道和一條時鐘通道用于發送和接收(Tx和Rx)數據。兩個可編程I/O bank支持多種接口,包括MIPI D-PHY、MIPI CSI-2、MIPI DSI、CMOS、RGB、SubLVDS、SLVS、LVDS以及Open LDI。

器件中的FPGA架構擁有5936個4輸入LUT、180 kbit RAM塊和47 kbit分布式RAM。這些LUT分布在可編程功能單元(PFU)中專用寄存器的旁邊,可用作邏輯運算、RAM和ROM功能的基本功能塊。可編程互連網絡連接各PFU塊。可編程I/O bank、嵌入式I2C和嵌入式MIPI D-PHY以及嵌入式RAM(EBR)塊分布在PFU之間。設計工程師可使用萊迪思Diamond設計軟件來配置PFU模塊并實現設計。

典型的開發流程

基于CrossLink器件的接口橋接解決方案的開發流程相對來說比較簡單。開發人員首先從萊迪思Diamond FPGA設計軟件的IP配置工具Clarity Designer中選擇要使用或生成的IP。Clarity Designer支持配置多個IP,構建IP之間的互連以及規劃設計中IP所使用的資源。

一旦生成IP,開發工程師就可以使用Aldec仿真器進行仿真。開發工程師只需打開Aldec仿真器,打開工具并點擊執行即可。仿真完成后,開發工程師可以查看仿真結果。使用萊迪思Reveal片上調試工具可以進行設計硬件調試。Reveal工具集成在萊迪思Diamond FPGA設計軟件中,具備一鍵操作、高級觸發功能、簡單的流程、支持修改原始設計以及增強的邏輯分析儀波形顯示功能。

為了加速系統開發,萊迪思還提供CrossLink LIF-MD6000主控連接評估板。該評估板包括一片采用81-ball csfBGA封裝的CrossLink-MD6000器件。除此之外,該評估板還具備MiNI USB Type-B連接器到FTDI以及通過SPI接口將FTDI連至CrossLink的電路。該套件還包括兩個接口板。

總結

二十年前,處于市場主導地位的PC架構推動了各類市場的發展。今天,高速發展的移動市場對工業、汽車和醫療等領域也產生了類似的影響。隨著移動技術不斷擴展到全新的應用領域,移動相關產品的設計工程師可在橋接解決方案的幫助下充分利用移動市場的規模化生產優勢以及移動處理器、顯示屏和圖像處理器的成本和性能優勢。

[整理編輯:CK365測控網]
標簽:  視頻橋接[6]    嵌入式開發[1]    圖像傳感器[9]    mipi應用處理器[3]
 
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