Blog về công ty Lattice LIFCL-40-7BG256C CrossLink-NX Kết nối và xử lý tầm nhìn nhúng CrossLink-NX với 2.5G MIPI D-PHY

Công ty TNHH Điện tử Mingjiada Thâm Quyến cung cấp và tái chế LướiLIFCL-40-7BG256CChip FPGA kết nối và xử lý tầm nhìn nhúng CrossLink-NX.

Trong các ứng dụng thị giác nhúng tốc độ cao, độ phân giải cao như thị giác máy, nhận thức thông minh trong xe, hình ảnh nhúng công nghiệp và thu nhận tầm nhìn AI biên, truyền dữ liệu hình ảnh tốc độ cao, kết nối tín hiệu liền mạch từ nhiều nguồn camera, xử lý hình ảnh nhẹ theo thời gian thực ở mặt trước và hoạt động tiêu thụ điện năng thấp, độ tin cậy cao đã trở thành những yêu cầu cốt lõi. Các chip xử lý hình ảnh chuyên dụng truyền thống có khả năng thích ứng giao diện kém và thiếu tính linh hoạt do chức năng cố định, trong khi các GPU đa năng có xu hướng tiêu thụ điện năng cao và tích hợp thấp các giao diện hình ảnh chuyên dụng, gây khó khăn cho việc cân bằng nhiều yêu cầu thu nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp, tương tác tín hiệu hình ảnh băng thông cao và sức mạnh tính toán lập trình có thể mở rộng. LướiLIFCL-40-7BG256C, một phần của dòng FPGA nhúng chuyên dụng CrossLink-NX, được xây dựng trên nền tảng xử lý nâng cao Nexus độc quyền của Lattice. Thiết kế cốt lõi của nó tập trung chính xác vào việc giải quyết các tình huống chính kép về kết nối và chuyển tiếp trong miền tầm nhìn nhúng, cùng với việc xử lý song song theo thời gian thực ở giao diện người dùng. Nó có mô-đun thu phát 2,5G MIPI D-PHY tích hợp, được nối dây cứng, cho phép kết nối dữ liệu hình ảnh tốc độ cao giữa các camera độ phân giải cao, thiết bị đầu cuối hiển thị và bộ xử lý điều khiển biên mà không cần thêm chip giao diện tốc độ cao bên ngoài. Với mức tiêu thụ điện năng cực thấp, kiến ​​trúc có độ tin cậy cao và khả năng cấu hình nhanh tức thời, nó đã trở thành thiết bị logic lập trình được ưa thích cho thị giác ô tô, camera công nghiệp, bảo mật nhúng và thiết bị thị giác thông minh di động.

I. Kiến trúc phần cứng cốt lõi và những ưu điểm chính củaLIFCL-40-7BG256C

Là FPGA xử lý hình ảnh tầm trung hàng đầu trong dòng CrossLink-NX, LIFCL-40-7BG256C được sản xuất bằng công nghệ xử lý FD-SOI 28nm hàng đầu trong ngành. Khác biệt với kiến ​​trúc quy trình FPGA truyền thống, nó tích hợp công nghệ điều khiển sai lệch phản hồi có thể lập trình, cho phép tối ưu hóa động tỷ lệ hiệu suất trên công suất của thiết bị theo điều kiện vận hành thực tế. So với các FPGA cạnh tranh có cùng thông số kỹ thuật, mức tiêu thụ điện năng giảm tới 75%, khiến nó hoàn toàn phù hợp với các điều kiện hoạt động khắt khe của các thiết bị nhúng chạy bằng pin với khả năng tản nhiệt hạn chế do không gian hạn chế. Thiết bị đạt tiêu chuẩn với 39.000 đơn vị xử lý logic lập trình được. Các tài nguyên logic dồi dào này không chỉ đáp ứng các chức năng cơ bản như bắc cầu tín hiệu thị giác phức tạp, chuyển đổi giao thức, định tuyến và phân phối dữ liệu đa kênh mà còn hỗ trợ xử lý song song các thuật toán xử lý hình ảnh thời gian thực hạng nhẹ—bao gồm cắt xén hình ảnh mặt trước, hiệu chỉnh màu, xử lý trước giảm nhiễu, điều chỉnh và chia tỷ lệ tốc độ khung hình mà không chiếm tài nguyên tính toán của CPU chủ phụ trợ hoặc MCU, nhờ đó giảm đáng kể tải tính toán tổng thể trên hệ thống.

Về tài nguyên bộ nhớ, thiết bị có tỷ lệ bộ nhớ trên đơn vị logic hàng đầu trong ngành, với dung lượng lưu trữ lên tới 170 bit trên mỗi đơn vị logic. Dung lượng bộ nhớ lớn trên chip này đệm một cách hiệu quả dữ liệu khung hình ảnh độ phân giải cao và dữ liệu xử lý trung gian từ các thuật toán thị giác, nhờ đó tránh được các vấn đề như tăng độ phức tạp của dây dẫn, nhiễu tín hiệu và tăng chi phí phần cứng liên quan đến chip bộ nhớ đệm ngoài. Thiết bị này sử dụng thiết kế gói BGA 256 chân nhỏ gọn, với hậu tố model 7BG256C được thiết kế chính xác để đáp ứng các yêu cầu vận hành ở nhiệt độ rộng cấp công nghiệp. với dải nhiệt độ hoạt động từ -40°C đến +100°C. Nó có thể hoạt động ổn định lâu dài trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt như khoang động cơ xe có nhiệt độ cao, dây chuyền sản xuất công nghiệp có mức bụi cao và nhiệt độ cao thấp xen kẽ và các ứng dụng an ninh ngoài trời tiếp xúc với ánh nắng gay gắt và cực lạnh. Nó cũng tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường RoHS của EU và đáp ứng các yêu cầu chứng nhận sản xuất hàng loạt cho các sản phẩm cấp công nghiệp và thương mại khác nhau. Hơn nữa, thiết bị này có khả năng cấu hình nhanh chóng tức thời, với việc cấu hình cổng IO được hoàn thành chỉ trong 3 mili giây và cấu hình toàn bộ hệ thống mất không quá 8 mili giây. Quá trình khởi động khi bật nguồn diễn ra trong vòng vài giây mà không cần quá trình tải kéo dài, đáp ứng các yêu cầu cốt lõi của thiết bị thị giác nhúng để khởi động nhanh, chụp ảnh tức thì và phản hồi có độ trễ thấp.

II.LIFCL-40-7BG256CCấu hình lõi: Khả năng giao diện tốc độ cao lõi cứng 2.5G MIPI D-PHY

Bộ thu phát lõi cứng 2.5G MIPI D-PHY là cấu hình cốt lõi của LIFCL-40-7BG256C dành cho các ứng dụng thị giác nhúng và cũng thể hiện lợi thế khác biệt cốt lõi giúp thiết bị này khác biệt với các thiết bị logic lập trình đa năng. Con chip này tích hợp nguyên bản hai bộ mô-đun lớp vật lý thu phát MIPI D-PHY lõi cứng 4 kênh, loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ chuyển đổi mức tốc độ cao bên ngoài, bộ khuếch đại tín hiệu hoặc chip chuyển đổi giao thức. Ở cấp độ phần cứng, nó hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu tốc độ cao tối đa 2,5 Gbps trên mỗi kênh. Băng thông kết hợp của một giao diện PHY có thể đáp ứng các yêu cầu về thu thập và truyền dữ liệu đồng bộ từ nhiều cảm biến hình ảnh độ phân giải cao, khiến nó hoàn toàn phù hợp với các ứng dụng nguồn dữ liệu hình ảnh tốc độ cao và độ phân giải cao chính thống hiện nay như cảm biến hình ảnh CMOS độ phân giải cao 4K, mô-đun máy ảnh công nghiệp tốc độ khung hình cao và máy ảnh quan sát xung quanh ô tô.

MIPI D-PHY mạnh mẽ này tuân thủ nghiêm ngặt các thông số kỹ thuật của giao thức tiêu chuẩn quốc tế MIPI và tương thích với cả giao thức nhận hình ảnh CSI-2 và giao thức đầu ra hiển thị DSI, cho phép trao đổi tín hiệu hình ảnh hai chiều linh hoạt: Theo hướng đường lên, nó hỗ trợ tốc độ cao tiếp nhận, giải mã và sắp xếp lại thời gian của dữ liệu hình ảnh RAW từ nhiều camera; theo hướng đường xuống, nó có thể nhanh chóng chuyển tiếp dữ liệu hình ảnh đã xử lý đến các thiết bị ngoại vi như màn hình trong xe và thiết bị đầu cuối màn hình cảm ứng công nghiệp, từ đó đạt được cầu nối đầu cuối tích hợp để thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu hình ảnh. So với các giải pháp truyền thống sử dụng FPGA để mô phỏng giao diện MIPI thông qua I/O tiêu chuẩn, D-PHY lõi cứng nguyên bản mang lại những lợi thế đáng kể, bao gồm tính toàn vẹn tín hiệu vượt trội, độ trễ truyền thấp hơn, khả năng chống nhiễu điện từ nâng cao và giảm mức tiêu thụ điện năng. Điều này giúp giảm thiểu một cách hiệu quả các vấn đề thường gặp trong quá trình truyền hình ảnh tốc độ cao, chẳng hạn như biến dạng màn hình, mất khung hình, lỗi thời gian và lỗi dữ liệu. Ngoài ra, thiết bị dự trữ tới 37 cặp I/O vi sai đồng bộ nguồn có thể lập trình, cho phép mở rộng linh hoạt để hỗ trợ các giao diện vi sai trực quan tiêu chuẩn khác nhau như LVDS, SLVS và subLVDS. Điều này tạo điều kiện cho khả năng tương thích và tích hợp với các mô-đun máy ảnh cũ và các thiết bị ngoại vi thị giác công nghiệp tùy chỉnh, giải quyết cả yêu cầu ứng dụng tốc độ cao của các dự án mới và nhu cầu trang bị thêm thiết bị hiện có.

III. Chức năng cốt lõi củaLIFCL-40-7BG256CHệ thống thị giác nhúng: Cầu nối tích hợp, chuyển tiếp và xử lý song song thời gian thực

(1) Kết nối thông minh các tín hiệu thị giác đa nguồn và chuyển đổi giao thức liền mạch

Trong kiến ​​trúc hệ thống thị giác nhúng, cảm biến hình ảnh, bộ xử lý điều khiển chính và thiết bị đầu cuối hiển thị từ các nhà sản xuất khác nhau thường có các giao thức giao diện, thời gian dữ liệu và định dạng truyền dẫn không tương thích, khiến cho việc kết nối và thích ứng tín hiệu trở thành thách thức cốt lõi trong việc triển khai hệ thống. Tận dụng sự kết hợp giữa kiến ​​trúc logic khả trình và giao diện MIPI tốc độ cao,LIFCL-40-7BG256Cđóng vai trò là trung tâm tín hiệu trung tâm cho toàn bộ hệ thống thị giác, hỗ trợ thu thập đồng bộ, phân tích giao thức, chuyển đổi định dạng và định tuyến nhiều tín hiệu thị giác không đồng nhất. Ví dụ: nó có thể giao tiếp đồng thời với nhiều luồng dữ liệu hình ảnh camera MIPI từ hệ thống quan sát xung quanh của xe; sau khi đồng bộ hóa thời gian hình ảnh đa kênh và hợp nhất dữ liệu, nó sẽ xuất dữ liệu ở định dạng tương thích với giao thức của bộ xử lý chủ. Nó cũng có thể đạt được kết nối giao thức chéo liền mạch giữa các mô-đun máy ảnh MIPI và thiết bị đầu cuối hiển thị LVDS, cũng như giữa giao diện truyền hình ảnh USB và chip xử lý phụ trợ MIPI, nhờ đó giải quyết hoàn toàn các điểm yếu trong toàn ngành về giao diện không khớp và thời gian không tương thích giữa các thiết bị phần cứng khác nhau. Được hỗ trợ bởi tính linh hoạt của logic lập trình, logic bắc cầu có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu để thích ứng với dữ liệu hình ảnh với độ phân giải, tốc độ khung hình và định dạng pixel khác nhau (RAW10/RAW12/RAW14). Việc nâng cấp chức năng chỉ có thể đạt được thông qua việc lặp lại phần sụn mà không cần sửa đổi các mạch phần cứng, rút ​​ngắn đáng kể chu kỳ lặp lại R&D của sản phẩm.

(2) Xử lý trước song song theo thời gian thực được tăng tốc cho tầm nhìn giao diện người dùng nhẹ

Không giống như các chip cầu nối truyền thống chỉ cung cấp chức năng chuyển tiếp tín hiệu,LIFCL-40-7BG256Cđược trang bị nguồn tài nguyên tính toán DSP phong phú. Nó giảm tải khối lượng công việc xử lý trước song song theo thời gian thực cho hình ảnh nhúng giữa phần phụ trợ truyền dữ liệu hình ảnh và bộ xử lý điều khiển chính. Các thuật toán xử lý hình ảnh cơ bản—chẳng hạn như khử nhiễu hình ảnh, hiệu chỉnh cân bằng trắng, chuyển đổi không gian màu, cắt xén và chia tỷ lệ hình ảnh, trích xuất Vùng quan tâm (ROI) và ổn định tốc độ khung hình—mà trước đây yêu cầu CPU chủ phụ trợ phải tiêu tốn nhiều tài nguyên tính toán, giờ đây có thể được triển khai song song thông qua logic lập trình của FPGA. So với các bộ xử lý nối tiếp, kiến ​​trúc điện toán song song của FPGA giảm đáng kể độ trễ, đảm bảo xử lý hình ảnh mượt mà, độ trễ thấp trong toàn bộ quá trình, từ đó đáp ứng yêu cầu thời gian thực cao của các tình huống như nhận thức lái xe tự động trên xe và phát hiện lỗi theo thời gian thực trong công nghiệp. Hơn nữa, bằng cách giảm tải các tác vụ tính toán cho giao diện người dùng, bộ xử lý máy chủ phía sau không cần phải phân bổ tài nguyên tính toán dư thừa cho quá trình xử lý trước hình ảnh cơ bản. Do đó, nó có thể tập trung vào các nhiệm vụ cốt lõi, cấp cao như nhận dạng mục tiêu AI, phân tích ra quyết định và kiểm soát hệ thống, giúp cải thiện đáng kể hiệu quả vận hành hệ thống tổng thể và phân bổ mức tiêu thụ điện năng và tài nguyên tính toán hợp lý hơn.

IV. cácLIFCL-40-7BG256Cthiết kế có độ tin cậy cao của nó phù hợp với môi trường hoạt động nhúng đòi hỏi khắt khe

Thiết bị thị giác nhúng, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô, công nghiệp và an ninh, đặt ra yêu cầu cực kỳ cao về độ ổn định của linh kiện trong quá trình hoạt động lâu dài, cũng như khả năng chống nhiễu và khả năng chịu lỗi chịu bức xạ. cácLIFCL-40-7BG256CCrossLink-NX FPGA được tối ưu hóa đặc biệt để đạt được độ tin cậy trong các môi trường nhúng đòi hỏi khắt khe, có tỷ lệ lỗi mềm đặc biệt thấp so với các thiết bị cùng loại và mang lại cải thiện hơn hàng trăm lần về khả năng chống nhiễu sự kiện đơn (SEU) và nhiễu điện từ (EMI) so với các sản phẩm cạnh tranh. Nó có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài trong môi trường công nghiệp có đặc điểm là nhiễu điện từ mạnh, dao động nhiệt độ cực cao và hoạt động liên tục, không bị gián đoạn, từ đó loại bỏ các vấn đề như sự cố hệ thống đột ngột, dữ liệu bất thường và lỗi hình ảnh trong quá trình vận hành hệ thống thị giác. Quy trình sản xuất FD-SOI của thiết bị vốn đã cung cấp khả năng chống bức xạ, cho phép thiết bị được triển khai trong các môi trường điện từ phức tạp—chẳng hạn như an ninh ngoài trời, các ứng dụng trên xe và dây chuyền sản xuất tự động hóa công nghiệp—mà không cần thêm mạch bảo vệ. Hơn nữa, thiết bị có mức tiêu thụ điện năng tĩnh cực thấp, với khả năng quản lý năng lượng thông minh giữa chế độ chờ và hoạt động. Điều này khiến nó trở nên lý tưởng cho thiết bị thị giác di động chạy bằng pin và hệ thống điện áp thấp trên xe yêu cầu độ bền điện năng thấp, cân bằng ba chỉ số cốt lõi về hiệu suất, mức tiêu thụ điện năng và độ tin cậy.

V. Phạm vi bao quát toàn diện về các kịch bản ứng dụng điển hình cốt lõi choLIFCL-40-7BG256C

Tận dụng giao diện cứng MIPI D-PHY tốc độ cao 2,5G, khả năng kết nối tầm nhìn tích hợp và xử lý thời gian thực cũng như các ưu điểm cốt lõi về mức tiêu thụ điện năng thấp, độ tin cậy cao và khả năng thu nhỏ, LatticeLIFCL-40-7BG256CFPGA đã được áp dụng rộng rãi cho các ứng dụng thị giác nhúng cốt lõi trên nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực tầm nhìn thông minh của ô tô, nó có thể được sử dụng cho hệ thống hình ảnh quan sát xung quanh 360°, hình ảnh độ phân giải cao cho camera hành trình cũng như bắc cầu và xử lý trước tín hiệu hình ảnh để giám sát trong cabin, đảm bảo truyền ổn định và xử lý thời gian thực các hình ảnh độ phân giải cao trong môi trường nhiệt độ khắc nghiệt; trong lĩnh vực thị giác nhúng công nghiệp, nó phù hợp với máy ảnh công nghiệp nhỏ gọn có độ phân giải cao, thiết bị phát hiện lỗi trực tuyến công nghiệp và thiết bị nhận dạng mã vạch thị giác máy, cho phép thu hình ảnh tốc độ cao, xử lý trước thời gian thực và giao tiếp tín hiệu; Trong lĩnh vực bảo mật thông minh biên, nó được sử dụng để truyền dữ liệu hình ảnh, mã hóa, tiền xử lý và mở rộng giao diện trong camera mạng độ phân giải cao và thiết bị chụp nhanh bảo mật di động; trong các thiết bị thị giác thông minh nhúng cấp độ người tiêu dùng, nó tương thích với các mô-đun thị giác thông minh có thể đeo được, hệ thống giám sát thông minh tại nhà và bộ công cụ phát triển thị giác nhúng, đáp ứng các yêu cầu về lắp đặt nhỏ gọn, vận hành tiêu thụ điện năng thấp và mở rộng chức năng linh hoạt, có thể lập trình.

VI. Tóm tắt củaLIFCL-40-7BG256C

LướiLIFCL-40-7BG256CCrossLink-NX là một FPGA chuyên dụng được thiết kế dành riêng cho các ứng dụng thị giác nhúng, được xây dựng trên quy trình tiêu thụ điện năng thấp FD-SOI 28nm, nó có 39.000 cổng logic và lõi IP cứng MIPI D-PHY 2,5Gbps nguyên bản, giải quyết chính xác bốn thách thức chính của các thiết bị thị giác nhúng: truyền hình ảnh tốc độ cao, cầu nối đa giao thức, xử lý hình ảnh giao diện người dùng thời gian thực và hoạt động với mức tiêu thụ điện năng thấp, độ tin cậy cao. Nó kết hợp độ ổn định truyền tín hiệu tốc độ cao và khả năng tích hợp dễ dàng của chip giao diện chuyên dụng với khả năng mở rộng linh hoạt và khả năng tính toán song song của logic lập trình FPGA, cho phép xây dựng kiến ​​trúc hệ thống thị giác nhúng tối giản mà không cần mạch ngoại vi phức tạp. Cho dù trong các môi trường đòi hỏi độ tin cậy cao, chẳng hạn như các ứng dụng ô tô và công nghiệp hay trong các thiết bị thị giác di động, tiêu thụ điện năng thấp ở cấp độ người tiêu dùng, thiết bị này cho phép kết nối hiệu quả các tín hiệu thị giác, xử lý trước dữ liệu hình ảnh theo thời gian thực và tối ưu hóa hợp lý sức mạnh tính toán của hệ thống. Do đó, nó đã trở thành lựa chọn ưa thích của chip logic lập trình để nâng cấp các giải pháp phần cứng thị giác nhúng cũng như thúc đẩy quá trình lặp lại và đổi mới sản phẩm.