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在嵌入式视觉设计中使用FPGA,它将带来什么优势

助工
2020-05-26 22:56:22    评分

过去几年里,嵌入式视觉应用大量涌现,包括从相对简单的智能视觉门铃到执行随机拾取和放置操作的复杂的工业机器人,再到能够在无序、地形不断变化的环境中导航的自主移动机器人(AMR)。快速采用嵌入式视觉技术的行业包括汽车、消费电子、医疗、机器人、安防/监控以及大量工业应用。

如今,嵌入式视觉正逐渐应用于人工智能(AI)和机器学习(ML)系统中,用来分析图像和视频流、检测/识别人和物体以及从看到的景象中提取信息,便于采取下一步行动。

推动嵌入式视觉设计的主要趋势有:高分辨率和高带宽的需求持续增长,系统中视觉传感器和显示器的数量与日俱增,以及小尺寸和低功耗的要求不断涌现。此外,将人工智能(AI)和机器学习(ML)功能加入嵌入式系统也是大势所趋,尤其是添加到靠近视觉传感器的本地端。

在嵌入式视觉设计中使用FPGA,它将带来什么优势

嵌入式视觉系统的另一个趋势是接口标准的数量和种类不断增长。上表列出了一些最常见的接口类型。其中用于“模块内部”(inside the box)的标准(如设备内部)通常要求驱动几厘米到几十厘米大小的设备,而“模块之间”(box-to-box)的接口可能需要在几米到几百米甚至更大的设备间驱动视觉数据。

PHY这个术语是“物理层”的缩写,通常是在芯片上或者作为芯片(集成电路)实现的一种电子电路。PHY用于实现开放系统互连(OSI)模型的物理层功能,无论计算或电信系统底层内部结构和技术如何,该模型都能对其通信功能进行标准化。嵌入式视觉应用中MIPI的使用日益增多,尤其是CSI-2(摄像头/传感器)和DSI(显示屏)协议,两者均采用被称之为D-PHY的PHY。在带宽和接口长度方面,MIPI在位于OpenLDI和eDP/DP(eDisplay Port和 Display Port)之间。

MIPI联盟是一家在全球拥有250名企业会员的国际组织。ARM、英特尔(Intel)、诺基亚(Nokia)、三星(Samsung)、意法半导体(STMicroelectronics)和德州仪器(Texas Instruments)于2003年创建MIPI联盟,彼时MIPI是“移动产业处理器接口”的英文首字母缩略词。然而,如今该组织的各类规范不仅适用于处理器互连,更能满足一台设备上全部接口需求,所以MIPI不仅仅是首字母缩略词,而是已经作为单独的名称使用。

MIPI CSI-2和DSI-2协议也是如此,它们最初用于智能手机。自从2007年发布首款iPhone以来,智能手机急速增长,远远超过PC。这推动了规模经济,低成本的摄像头、显示屏和处理器组件开始涌现,它们开始广泛用于各类非智能手机应用和市场。MIPI接口支持两种运行模式:高速(HS)和低速(LP)。该接口在发送器和接收器之间主要是单向传输,但是在某些低速通信情况下,能够从接收器向发送器传输。

嵌入式视觉设计的一个重要特征是其架构通常需要不断调整以适应各种规范的变化,这就让FPGA成为实现这类设计的理想选择。中型ASIC/ASSP从设计到量产其开发周期要将近一年。此外,由于设计规范不断发生变化,期间还存在诸多风险(在嵌入式视觉设计中非常常见),再加之ASIC/ASSP的设计流程大多错综复杂,这就意味着某个流程出现耽搁,会对其他流程产生连锁的负面反应。

若采用FPGA实现设计,设计人员可采用经过市场检验的硬件,在现场重新配置,应对任何设计规范的变更。从设计人员的角度来看,开发周期的最初阶段(即在抽象的RTL阶段捕获设计)都是相同的,其余步骤要么相似,要么所需时间和资源更少,要么根本不需要。因此使用FPGA的总体优势是可以在大约三分之一的开发时间内实现设备的正常工作。

从历史角度看,一些嵌入式系统的设计人员认为FPGA是大尺寸、高功耗的器件,仅仅用于数据中心、通信中心、医学成像以及军事等大型应用。

这些传统的FPGA通常有几十万LUT,功率高达50-100 W,封装尺寸可达55 x 55 mm,通常配置散热片。然而还有一些专门实现特定功能的FPGA产品,专注于要求小尺寸和低功耗的应用。例如莱迪思半导体提供这类小尺寸(从10 x 10 mm,功耗1 W到1.4 x 1.4 mm,功耗仅为1 mW)的FPGA产品,满足那些要求小尺寸和高能效应用的需求。

与小型ASIC/ASSP相比,这些功能导向的FPGA更容易快速开发、使用更灵活。此外,由于大多数通用FPGA旨在应用于工业和汽车等多个市场,它们通常都支持商用和工业温度环境。而ASIC/ASSP大多被开发用于消费电子产品,对此类温度环境的支持不太普遍。




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