小型化是當(dāng)今大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵特性。每個人都希望口袋里有更多的計算能力。大多數(shù)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)也遵循相同的趨勢。消費者需要更小的工業(yè)和專業(yè)攝像頭、醫(yī)療手持設(shè)備、更小的可編程邏輯控制器 （PLC） 和汽車中的駕駛員輔助模塊。小型化也帶來了額外的挑戰(zhàn)——最大的挑戰(zhàn)可以濃縮為一個術(shù)語，即“節(jié)能性能”。通常，如果系統(tǒng)性能提高，其功耗也會提高，這反過來又會增加散熱。在較小的模塊中，散熱是設(shè)計人員每天都要應(yīng)對的令人頭疼的系統(tǒng)。冷卻模塊以使其能夠在散熱受限的環(huán)境中運行通常會成為性能的瓶頸。

這篇博文重點介紹了現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）如何通過為每個行業(yè)的許多新的大批量應(yīng)用提供高能效性能來實現(xiàn)下一代技術(shù)革命。小型攝像頭可用于許多不同的事情，例如運行人工智能算法通過無人機圖像引導(dǎo)農(nóng)民，在零售連鎖店中提供視頻分析，計算運輸中的乘客，以及在收費站讀取車牌。在醫(yī)療領(lǐng)域，便攜式超聲機正在使該領(lǐng)域的護理服務(wù)民主化。內(nèi)窺鏡和手術(shù)輔助智能眼鏡為醫(yī)生提供比以往任何時候都更高分辨率的圖像。旨在保護邊境免受入侵者的基于熱成像的監(jiān)控系統(tǒng)也變得越來越智能。這些系統(tǒng)通常部署在遠程位置，必須在保持隱藏的同時自主運行。

即使是業(yè)余內(nèi)容創(chuàng)作者也在推動對基于 FPGA 的流視頻轉(zhuǎn)換器的需求，因為他們需要選擇在 HDMI、SDI、USB 或 PCIe 等任何格式之間轉(zhuǎn)換 4K 視頻流。

工業(yè)自動化還受益于基于 FPGA 的架構(gòu)的靈活性以及 Microchip FPGA 超過 20 年的使用壽命。如今，汽車中的駕駛員輔助系統(tǒng)可確保駕駛員和乘客在汽車中的安全。

FPGA架構(gòu)已經(jīng)走了很長一段路。從在性能和功耗之間進行選擇，到僅用作昂貴的ASIC的原型平臺，F(xiàn)PGA現(xiàn)在被認為是主流，提供高度可靠和成本優(yōu)化的架構(gòu)，以及靈活易用的軟件。

讓我們來看看PolarFire FPGA或PolarFire? SoC及其硬化的RISC-V處理器系統(tǒng)發(fā)揮至關(guān)重要作用的各種示例用例。

1） 專業(yè)無人機

專業(yè)無人機對飛行安全有嚴格的要求：

精確控制和定位，包括防撞

安全的通信和控制頻率

可預(yù)測的飛行時間

為了在大型無人機市場取得成功，無人機制造商需要通過提供高分辨率成像和人工智能等附加功能來區(qū)分自己。無人機通常需要多個傳感器，對傳感器數(shù)據(jù)進行預(yù)處理或融合，并通過無線連接傳輸數(shù)據(jù)，使其成為復(fù)雜的系統(tǒng)。

應(yīng)用范圍非常廣泛，包括監(jiān)測農(nóng)業(yè)中的作物健康和生長狀態(tài)、物體檢測以及警務(wù)、軍事或消防部門或警察緊急情況下的遠程判斷中的潛在跟蹤。

飛行控制電子設(shè)備必須能夠在尺寸、重量和功率受限的環(huán)境中處理電機控制和旋翼速度，與傳感器交互并與遠程設(shè)備連接。

此類系統(tǒng)的框圖可能類似于以下內(nèi)容：

利用靈活的FPGA架構(gòu)，電機由磁場定向控制（FOC）算法驅(qū)動，由于FPGA的性能，控制可以時域多路復(fù)用。多個電機由一個通用電機控制 IP 控制，電機的確切數(shù)量取決于所選的 FPGA 架構(gòu)。

FOC的高精度允許電機上的恒定扭矩，從而更平穩(wěn)地運行，振動更少，噪音產(chǎn)生更少，最重要的是，與使用簡單微控制器的標(biāo)準(zhǔn)電機控制器相比，飛行時間延長了約10%或更多。

用于支持機器視覺等增強功能的其他接口（如視覺、運動或紅外傳感器）需要仔細考慮，并且歷來需要專業(yè)知識。Microchip的VectorBlox? SDK和矩陣處理器IP可幫助新手FPGA開發(fā)人員在FPGA結(jié)構(gòu)中部署復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。這允許以非常低的功耗封裝進行分類或檢測。在這個加速器-IP上運行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是使用TensorFlow或Caffe等標(biāo)準(zhǔn)框架設(shè)計的。

所有結(jié)果都緩沖在本地板載存儲器中，然后傳輸?shù)桨遢d無線模塊。這與接收收集的數(shù)據(jù)以供存儲和進一步使用的操作員進行通信。PolarFire 設(shè)備的一流安全功能可保護傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和無人機本身免受未經(jīng)授權(quán)的訪問。

由于復(fù)雜的無人機架構(gòu)需要多個應(yīng)用領(lǐng)域、電機控制、飛行控制和成像，使用 FPGA 可以同時實現(xiàn)各個“任務(wù)”的并行運行。

專業(yè)無人機系統(tǒng)通常需要在 5 瓦或更低的緊張功率預(yù)算下運行。使用 PolarFire FPGA 管理多個應(yīng)用，預(yù)計 FPGA 的功耗（包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運行）將低于 1.5 W。

2） 便攜式超聲波

由于小型化的驅(qū)動力，加上高能效的邊緣計算資源和增強的散熱考慮，低功耗醫(yī)學(xué)成像創(chuàng)新正在突飛猛進地發(fā)展。領(lǐng)先的是即時診斷，例如便攜式超聲設(shè)備，包括手持式換能器、讀取超聲數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到標(biāo)準(zhǔn)智能手機。傳輸可以通過簡單的電纜或無線方式進行。這些系統(tǒng)正在徹底改變和民主化事故現(xiàn)場事故現(xiàn)場急救人員的診斷能力，并幫助醫(yī)療專業(yè)人員在傳統(tǒng)醫(yī)院環(huán)境之外做出診斷決策。

以下框圖顯示了一個示例實現(xiàn)：

在手持式醫(yī)療設(shè)備中利用 PolarFire FPGA 可提供最低的總系統(tǒng)功耗，從而實現(xiàn)高效的散熱，并保持換能器頭冷卻，允許直接接觸皮膚。這些效率在僅 11x11 mm2 的緊湊封裝尺寸中延長了運行時間，支持非常小的探頭外殼。

3） 視頻轉(zhuǎn)換器

另一個靈活性與低功耗和小物理占用空間相結(jié)合至關(guān)重要的領(lǐng)域是視頻轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域。高性能專業(yè)相機通常提供單個數(shù)據(jù)接口，從而限制了支持該特定接口的后處理設(shè)備的選擇。視頻轉(zhuǎn)換器提供了與多個接口標(biāo)準(zhǔn)的橋梁，從而可以靈活地選擇后處理設(shè)備。由于眾多千兆位收發(fā)器支持多協(xié)議，支持高達 12.7 Gbps 的優(yōu)化線速，支持 HDMI、CoaXPress?、SDI 和以太網(wǎng)協(xié)議，因此性能不會受到影響。轉(zhuǎn)換器外形緊湊，不再需要散熱器和風(fēng)扇。基于PolarFire技術(shù)的視頻轉(zhuǎn)換器估計需要不到兩瓦的功耗。

下面是一個視頻轉(zhuǎn)換器設(shè)計示例：

4） 工業(yè)自動化

以兩種不同的用例為例，工業(yè)相機和可編程邏輯控制器（PLC）。

工業(yè)相機通常需要高幀率、高分辨率和小尺寸，這使得熱成像設(shè)計成為一項挑戰(zhàn)。得益于優(yōu)化的封裝布局和高效的熱特性，可以輕松應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。低靜態(tài)功耗使器件保持低溫，從而增強了熱管理設(shè)計考慮因素。分辨率不受影響，MIPI CSI-4接收器接口本地支持高達60.2 Gbps/線路，可以輕松處理高達1K和5幀/秒的圖像數(shù)據(jù)。

盡管作為一個完整的系統(tǒng)，PLC在物理上更大，但它與相機一樣受到空間和功率的限制。

這些基于機架的系統(tǒng)是模塊化的，允許最終用戶定制他們的系統(tǒng)并提供標(biāo)準(zhǔn)機箱寬度。處理性能仍然是支持工業(yè)以太網(wǎng)、人機界面、電機/驅(qū)動器控制和實時操作系統(tǒng) （RTOS） 的必要條件。

下圖顯示了此類系統(tǒng)的通用框圖，映射到PolarFire SoC，這是第一個基于四核RISC-V處理器構(gòu)建的FPGA-SoC。PolarFire SoC 原生支持非對稱多處理 （AMP），以及向各個處理器固定、細粒度分配緩存方式。這種原生 AMP 支持允許多任務(wù)處理。例如，可以為工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議棧分配單個處理器內(nèi)核，而第二個內(nèi)核可以運行 Linux 操作系統(tǒng)。相應(yīng)的緩存是固定的，Linux 與其他硬件資源分離。此外，其他兩個可用內(nèi)核可用于處理電機控制或逆變器所需的算法。

同樣，低功耗在保持葉片模塊內(nèi)部電子元件的低溫方面起著重要作用，即使在環(huán)境溫度為60°C等具有挑戰(zhàn)性的熱環(huán)境中也是如此。

工業(yè)自動化涵蓋了廣泛的應(yīng)用和要求。工業(yè)產(chǎn)品中常見的是需要提供20年或更長時間的設(shè)備支持和可用性。Microchip完全致力于滿足這一長壽命要求，并通過強大的“供應(yīng)保證”計劃提供支持。

5） 汽車

當(dāng)今汽車市場中的許多不同的應(yīng)用都需要FPGA的靈活性，從LIDAR、成像雷達或攝像頭等傳感器到更隱藏的功能，例如通過高壓驅(qū)動器實現(xiàn)高精度和緊密同步的電動機驅(qū)動。一個新興的應(yīng)用是使用攝像頭進行碰撞警告。這些攝像頭允許通過向駕駛員反饋來檢測危險情況，或者還可以直接控制車輛，例如自動激活制動器。這些系統(tǒng)對功能安全、安保和低延遲處理有很高的要求，并能夠在發(fā)動機熱量和陽光引起的高溫環(huán)境中可靠運行。

下圖顯示了使用 PolarFire MPF050T 的系統(tǒng)設(shè)置，安全元件以黃色繪制，安全元素以綠色繪制：

集成的安全非易失性存儲器 （sNVM） 允許存儲車隊密鑰，以便在車輛網(wǎng)絡(luò)中的攝像頭模塊內(nèi)進行身份驗證。接收到的圖像幀使用FPGA的并行特性在流模式下進行處理，并額外提供額外的安全信息，如幀數(shù)和CRC，以實現(xiàn)通信的端到端保護。圖像數(shù)據(jù)的流處理避免了使用內(nèi)存中“凍結(jié)圖像”的危險，并允許以固定的執(zhí)行時間進行處理，直接轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)做出反應(yīng)的更多時間。根據(jù)確切的OEM要求，F(xiàn)PGA還提供了所需的靈活性，以支持與各種已建立的專有串行器的接口。

所有應(yīng)用程序共有，但上面未詳述的是將成功產(chǎn)品推向市場的業(yè)務(wù)驅(qū)動因素。要考慮如何降低風(fēng)險，同時領(lǐng)先于競爭對手的客戶，并在實現(xiàn)利潤的同時優(yōu)化系統(tǒng)成本，需要仔細考慮您的系統(tǒng)架構(gòu)和供應(yīng)合作伙伴。全面的Microchip產(chǎn)品組合提供了全面的系統(tǒng)解決方案合作伙伴關(guān)系。受益于關(guān)鍵組件和參考設(shè)計解決方案，以降低開發(fā)風(fēng)險和組件數(shù)量。設(shè)計人員還可以節(jié)省時間和金錢，因為解決方案經(jīng)過交叉功能驗證，并在許多情況下提供保修。

審核編輯：郭婷