Gli FPGA CrossLinkPlus potenziati fanno fronte alla crescente complessità dei sistemi di visione artificiale basati su MIPI. Le prestazioni dei display instant-on e gli IP-core pre-verificati riducono i tempi del ciclo di progettazione.
I progettisti di sistemi di visione artificiale embedded devono tenere conto di varie tendenze del mercato. Per esempio, attualmente i progetti presentano un numero sempre crescente di sensori ai fini dell’acquisizione di livelli superiori di dati o dell’esecuzione di nuove funzioni. Il problema può essere esemplificato da un autoveicolo medio: una ventina d’anni fa, le case automobilistiche erano considerate innovative quando aggiungevano una sola videocamera di riserva, mentre oggi questi stessi produttori usano videocamere per il monitoraggio dell’uscita dalla corsia, il rilevamento dei segnali di limite di velocità e una miriade di altre applicazioni di guida intelligente.
Al tempo stesso, i progettisti di sistemi di visione artificiale embedded stanno implementando la conformità dei componenti allo standard Mobile Industry Processor Interface (MIPI) Alliance. Inizialmente sviluppato per il settore dei dispositivi mobili, MIPI definisce le specifiche d’interfaccia software e hardware che occorre soddisfare per realizzare soluzioni mobili affidabili, dalle prestazioni elevate e a costi contenuti. Negli ultimi anni, MIPI è diventato lo standard dominante per la creazione di sistemi embedded e quindi in una gamma sempre più ampia di applicazioni, comprese quelle nei settori industriali e automotive, i progettisti stanno cercando modi per mettere a frutto le elevate prestazioni ed economie di scala rese possibili dai componenti mobili.
Sono fattori trainanti della richiesta di soluzioni di visione artificiale embedded di facile uso anche le esigenze sempre più pressanti di riduzione del time-to-market. Fornire un solo chip non è più sufficiente. Queste esigenze continuano a spingere gli ingegneri a passare ad ambienti di progettazione che offrano tutto l’hardware, il software, gli IP-core e i progetti di riferimento di cui hanno bisogno per sviluppare rapidamente i prodotti finali. Al contempo, la generazione attuale di utenti si aspetta dai display embedded un’esperienza d’uso di alta qualità, analoga a quella offerta ai consumatori. Se questi display sono lenti ad avviarsi mostrano artefatti molto fastidiosi.
Nuovi ostacoli
Sebbene queste tendenze in rapida crescita offrano opportunità, presentano anche ostacoli notevoli ai progettisti di sistemi di visione artificiale embedded. Anzitutto, le videocamere e i display impiegati in molti sistemi embedded non corrispondono alla tipologia o al numero di interfacce degli attuali processori delle applicazioni (AP), che offrono un numero limitato di I/O per sensori e inoltre devono essere compatibili con una grande varietà di display e sensori. Questo problema è complicato dal fatto che le dimensioni e le risoluzioni dei display variano in funzione della loro applicazione. Non solo: a causa della loro lunga durata, molti dei display industriali attualmente in uso sono stati originariamente progettati per essere collegati ad altri display tramite interfacce legacy. I progettisti di applicazioni embedded come possono sfruttare i vantaggi del settore dei componenti MIPI quando i loro progetti dipendono dall’uso di display e sensori legacy o proprietari?
Per supportare l’uso di ulteriori sensori e gestire con maggiore efficienza le risorse I/O, hanno bisogno di una soluzione programmabile che possa compensare la limitata disponibilità di I/O. L’ideale sarebbe che una tale soluzione consentisse di aggregare gli ingressi di vari sensori e mettesse in grado il progettista di pre-elaborare i dati per ridurre l’overhead del processo. E dovrebbe pure essere programmabile affinché i progettisti possano adattarla facilmente a progetti di display personalizzati. Prima, i progettisti potevano supportare differenti dimensioni e risoluzioni dei display sviluppando un ASIC personalizzato per ciascun tipo di display. Invece con una soluzione programmabile potrebbero soddisfare requisiti diversi di display personalizzati con un singolo dispositivo.
A questo riguardo Lattice Semiconductor è stata all’avanguardia nel settore introducendo nel 2016 l’FPGA CrossLink, un dispositivo di bridging video programmabile compatibile con una varietà di protocolli e interfacce per display e sensori d’immagini mobili. E per rispondere alle esigenze in evoluzione del settore dei dispositivi video embedded, ne ha lanciato una nuova versione potenziata, il CrossLinkPlus. Per venire incontro alla richiesta degli utenti di un avvio del display rapidissimo e senza alcun problema, al CrossLinkPlus sono stati aggiunti 2 Mbit di memoria flash che funziona da memoria di configurazione, grazie alla quale il dispositivo può avviarsi in meno di 10 ms, per cui eventuali artefatti visivi non interferiscono con la visualizzazione dato che è impossibile percepire immagini che scompaiono in meno di 15 ms. La memoria flash on-chip è utilizzabile anche ai fini della riprogrammazione sul campo.
Il CrossLinkPlus offre il MIPI D-PHY più veloce per le sue dimensioni pur mantenendo basso il consumo di potenza, assicurando velocità combinate pari a 12 Gbps in un package di 3,5 x 3,5 mm. Oltre all’elevata velocità MIPI D-PHY, il CrossLinkPlus aggiunge una FPGA fabric programmabile con tabella di look-up (LUT) da 6K e flessibili I/O ad alta velocità compatibili con il bridging video su varie interfacce – MIPI CSI-2, MIPI DSI, LVDS, SLVS200, CMOS e Sub-LVDS. La possibilità di creare interfacce per questi display e sensori garantisce agli ingegneri enorme flessibilità di progettazione.
Per rispondere alle esigenze sempre più pressanti di riduzione del time-to-market, il nuovo dispositivo consente di migliorare l’efficienza di progettazione. Per esempio, grazie a una libreria completa di IP-core pre-verificati e pronti all’uso per le funzioni del ricevitore, del convertitore e del trasmettitore, gli ingegneri possono focalizzare l’attenzione sulle caratteristiche a valore aggiunto del loro progetto che lo differenziano da quelli dei concorrenti. I moduli IP video pre-verificati e i progetti di riferimento non solo riducono i tempi del ciclo di progettazione, ma sono anche gratuiti e disponibili immediatamente. Inoltre, i moduli IP sono completamente riutilizzabili nelle famiglie di prodotti CrossLink e CrossLinkPlus.
Lattice offre anche strumenti hardware e software di facile uso che simulano il comportamento funzionale, validano le funzioni a livello di sistema e accelerano lo sviluppo del prodotto. Disporre di una memoria flash integrata nel dispositivo consente ai progettisti di rispondere rapidamente ai requisiti in evoluzione del settore aggiornando sul campo nuove sequenze di bit, direttamente sulla memoria flash. Il nuovo e potenziato CrossLinkPlus inoltre li aiuta a soddisfare vincoli termici e di spazio più difficili senza il consumo di potenza associato a una memoria flash esterna.
Per quanto riguarda la competitività, il dispositivo assicura la velocità MIPI D-PHY di IP-core hardened per area unitaria più alta nella sua classe. In un confronto con dispositivi simili di altre marche, il CrossLinkPlus di Lattice offre prestazioni D-PHY superiori con un ingombro inferiore rispetto ai modelli della concorrenza oltre a un consumo di potenza più basso.
Lattice offre un notevole livello di assistenza per accelerare lo sviluppo del prodotto, per esempio, introducendo regolarmente nuovi progetti di riferimento per il CrossLink e il CrossLinkPlus, adattati alle funzioni di bridging video più richieste per prodotti sia nuovi che già esistenti.
Nuove applicazioni
Casi d’uso molto diffuso del CrossLinkPlus illustrano l’alto grado di flessibilità di progettazione assicurato ai progettisti.
La Figura mostra come sia possibile utilizzare il dispositivo per attuare il bridging fra sensori e processori con interfacce differenti. In questo caso, ai progettisti si presenta un problema: da un canto, vogliono avvantaggiarsi del basso costo, delle elevate prestazioni e dell’ingombro ridotto offerti dai tipici processori MIPI; dall’altro, vogliono mantenere le funzionalità di una videocamera legacy realizzata in conformità alle norme del settore.
Un secondo uso possibile del CrossLinkPlus consiste nell’aggregazione degli ingressi di più sensori verso il processore dell’applicazione.
Per esempio, nella figura, tre sensori di immagini s’interfacciano con un dispositivo CrossLinkPlus attraverso tre porte D-PHY. Il CrossLinkPlus aggrega i dati dei sensori in una singola uscita D-PHY inviata al processore. Questa funzionalità di aggregazione consente ai progettisti di ottimizzare l’uso delle risorse I/O – spesso limitate – del processore.
I progettisti possono anche utilizzare il CrossLinkPlus per implementare un duplicatore o uno splitter di segnale MIPI.
Nella figura , il segnale viene trasmesso da un sensore al CrossLinkPlus che divide o duplica l’uscita tra due uscite separate. Lattice vede questo approccio adottato sempre più spesso in sistemi avanzati di ausilio alla guida (ADAS, Advanced Driver Assistance Systems) o in applicazioni in cui la ridondanza dei dati è importante. In questo caso d’uso, un segnale proveniente da una videocamera viene applicato a un CrossLinkPlus e copiato su due flussi di uscita, uno dei quali viene inviato a un processore delle applicazioni che elabora i dati in tempo reale, mentre il secondo viene archiviato in un sistema di backup e data logging sul cloud o locale, in modo molto simile a quanto accade per la scatola nera di un aeroplano. In caso di guasto o incidente automobilistico, gli investigatori possono esaminare i dati di backup per determinare la causa dell’evento.
La figura illustra come i progettisti possono impiegare il CrossLinkPlus per collegare un display legacy a un nuovo processore delle applicazioni (AP) dalle prestazioni superiori. Molte applicazioni di controllo industriale hanno bisogno di un dispositivo di bridging per il collegamento tra un AP e un display legacy utilizzando OpenLDI, perché i display OpenLDI in genere sono molto più grandi di quelli MIPI. Il nuovo processore delle applicazioni MIPI trasmette i dati al CrossLinkPlus attraverso D-PHY e il dispositivo li trasmette al display legacy tramite OpenLDI. Analogamente, il CrossLinkPlus è utilizzabile per attuare connessioni fra sensori di immagini non MIPI e un processore delle applicazioni MIPI.
