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【MIPI 高舉行動嵌入介面大旗,FPGA 為視訊橋接搭把手】
過去,嵌入式系統設計工程師若欲降低成本,會採用擁有規模化生產效益的 PC 架構以降低開發成本,並獲得經驗證的高可靠度元件;PC 匯流排為專用嵌入式應用提供極具吸引力的低成本替代方案,開發工程師亦能充分利用簡易設計工具與基於慣用硬體架構的開源作業系統。但是,原有 PC 架構未必適合行動裝置。
隨著行動互連融入日常生活、在行動技術被拓展至各類設計的同時,亦面臨許多挑戰;例如,嵌入式系統所採用的攝影鏡頭和顯示器,與行動應用處理器 (AP) 的介面類別或數量並不能互相匹配。成立於 2003 年的 MIPI 聯盟,旨在為可攜式裝置供應商制訂創新行動產品所需的硬體和軟體介面規範,以加速產品上市並降低成本;行動裝置製造商能自不同供應商獲得元件,輕鬆優化設計效能,包括:應用處理器、圖像感測器以及顯示器。
目前,行動系統設計通常包含採用 MIPI 顯示序列介面 (DSI) 的顯示器和採用 MIPI 攝影鏡頭序列介面 (CSI-2) 的圖像感測器。DSI 和 CSI-2 介面均以 D-PHY 實體層匯流排協定為基礎。D-PHY 採用差分時鐘和 1-4 對差分資料線傳遞資料,為中心對齊的訊號源同步介面,時鐘的上下邊緣皆有資料傳遞,具有能「即時」將差分訊號轉換為單端訊號的特性。設計採用傳統或專用顯示器以及傳統或專用圖像感測器,嵌入式設計工程師該如何透過 MIPI 市場提供優勢?
以工業市場為例,一直以來,嵌入式應用皆依賴 LVDS、RGB 或 SPI 顯示介面,可惜多數嵌入式處理器並不具備 DSI 介面。若產業設計師欲兼顧 MIPI 處理器和應用優勢、且保留傳統 LVDS 顯示器,需實現 LVDS 顯示器與符合 MIPI 標準之應用處理器的橋接。此外,先進駕駛輔助系統 (ADAS) 和車載資訊娛樂系統 (infotainment) 等顯示內容與攝影鏡頭數量不斷增加,視訊橋接需求亦持續增長。然而,因許多橋接應用很有限,使現場可編程邏輯閘陣列 (FPGA) 脫穎而出。
延伸閱讀:
《全新橋接解決方案滿足行動相關市場需求》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2018/0103/37741.html
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【不怕異質介面+熱干擾:FPGA 是「熱影像感測器」的好搭檔,高整合 SoC FPGA 可取代應用處理器】
電池供電器件的可攜性正不斷增長,而可攜式產品幾乎都會配備相機和顯示器。隨著這些器件發展、偏離智慧手機的特定架構,也帶來許多設計挑戰;其一就是與非應用處理器的相機或顯示器之介面連接。另一個問題是:智慧手機沒有獨特的週邊設備,例如,熱影像感測器或條碼掃描器;這對於可攜式產品的製造商和利用某些智慧手機晶片組的架構師來說,是一大難題。
「智慧手機晶片組」是邏輯上的起點,因為其架構擁有最低功耗和低廉成本點所要求的特性,這是醫療、工業和其他市場中絕大多數可攜式產品所需要的條件。許多智慧手機的相機和顯示器在嵌入式設計的使用甚至比處理器更廣泛,特別是影像感測器。應用處理器能驅動顯示器、連到無線網路數據機及與板上儲存介接,以利圖像或視訊的儲存;可惜的是,它不能與大多數的熱感測器直接連接。
智慧影像感測器擁有應用處理器上的第二代相機串列介面 (MIPI CSI-2),但熱感測器經常使用 CMOS 平行介面或 LVDS 介面。此時,可設計一種低功耗小型 FPGA 將 CMOS 平行介面橋接至 CSI-2,且產生的熱量必須非常少,以免擾亂熱感測器。此外,應用處理器 CSI-2 介面僅能接收彩色像素資料,無法如熱感測器讀取溫度值;這種不匹配意味著須採用另一種器件來執行熱感測器的影像處理。
最常見且擁有良好輸送量的處理器介面是 PCIe 匯流排,而採用快閃記憶體的 FPGA 功耗比採用 SRAM 的 FPGA 低很多,不會產生很多的熱量而擾亂熱感測器,且擁有內建在硬邏輯之中的 PCIe Gen2 內核。它可將溫度資料轉換成選定調色板所對應的顏色,並將之儲存在片上的快閃記憶體或嵌入式的儲存區塊內;每一行都會經過處理並格式化,再透過 PCIe 傳送到應用處理器。
接收影像後,處理器可將它傳送到顯示器、在本機存放區保存或經由無線數據機傳送出去。縮時攝影相機(time lapse camera) 是可探討的另一種設計範例;它必須迅速捕捉、保存通電和關機之間的影像,且依靠電池運行長達數月之久。雖然應用處理器在關閉時的功耗很低,但通電使用時的功耗卻非常高;另它們回到極低功耗模式之前的時間是不確定的,這也會耗用電池的電量。
更好的選擇是可立即通電、採用快閃記憶體的 FPGA 系統單晶片 (SoC),它具有數位訊號處理器 (DSP) 區塊可執行影像處理,能與影像感測器介面 CSI-2 介接、將影像保存到外部快閃記憶體,並在下載到 PC 時對 USB 介面管理;採用低端微控制器 (MCU) 將更具功率效率。這種器件內建 ARM Cortex- M3 和 USB OTG 控制器,使保存的影像可傳送到 PC 編輯或觀看。
延伸閱讀:
《為電池供電成像應用而設計的解決方案》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2017/0527/35494.html
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