在過去十年中,隨著智慧型手機與應用生態系統不斷發展,帶動汽車電子領域中行動應用技術的創新。汽車製造商已開始將智慧型手機的處理器平台應用於新一代汽車,改善駕駛體驗品質,並使汽車更加安全與便宜。

此外,汽車製造商更進一步利用目前行動市場規模和應用支援的優勢。即使目前許多處理器製造商提供汽車行動平台,處理器的設計仍以智慧型手機系統為基礎。許多案例中,為滿足汽車製造商的需求,這些平台需進行一定程度的調整,而使用FPGA可快速實現低成本橋接解決方案,使現有平台能完美應用於汽車領域。設計工程師將現有平台應用於全新領域會面臨許多挑戰,汽車產業也不例外,不過,FPGA橋接解決方案能有效解決許多問題。

車載平台常見挑戰

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由於系統設計、具體理念與需求,汽車製造商可能需多個元件以實現不同解決方案。萊迪思半導體擁有多款FPGA,可提供滿足上述需求的解決方案。

  • CrossLink元件——為低功耗、低成本的感測器和攝影鏡頭介面橋接解決方案,可針對多個攝影鏡頭介面(視覺或雷達)資料進行聚合以及多工,並傳遞至SoC。
  • ECP5——為先進且全面的汽車應用橋接晶片。ECP5是一款低功耗、低成本的元件,搭載專用SERDES,並可透過乙太或光纖網路連接設備。DSP塊能實現感測器資料的事先和事後處理,或將視訊資料轉換為不同標準顯示格式。
  • MachXO——為小尺寸FPGA,擁有每LUT最高的I/O數量,能夠快速擴展I/O與簡單轉換視訊資料。

以下是橋接解決方案在特定領域的應用:

嵌入式視覺

即使嵌入式視覺仍具有科幻感,卻已是當今最重要的應用發展趨勢之一。嵌入式視覺是指機器監視和收集周圍環境視覺資料的能力,此技術使製造商能夠實現具有「看見」能力的機器和汽車、具有「感覺」能力的感測器以及具有「自主決策」能力的電腦。

嵌入式視覺系統所收集的資料能夠使機器學習技術具有更多的智慧與能力。人機介面(HMI)實現更智慧的機器操作和控制,同時,機器能夠回饋資訊協助決策過程。機器視覺的重點之一為目標辨識和立體視覺應用中的多維影像,用以測量距離和深度。藉由感測器融合技術,這些系統能夠結合不同感測器資料,並組成有意義且有用的資訊以進行處理。同時,這些系統可透過高速連接進行安全通訊,實現智慧城市、智慧工廠以及智慧汽車。

可編程產品有助於進行協同處理、橋接以及互連解決方案,滿足網路周邊應用的智慧功能。FPGA具有靈活性,有助於加速產品上市進程、降低成本和功耗,並大幅縮減工業和汽車設備尺寸。

ADAS鷹眼全方位環景系統

目前,處理器僅搭載2個攝影鏡頭介面,但許多先進駕駛輔助系統(ADAS)系統至少需要4個介面,某些情況下甚至需要8個以上的攝影鏡頭以精確感知汽車周圍情況。設計工程師面臨的另一個挑戰為不同攝影機所收集的影像資料處理。資料需求通常需要一個大尺寸影像訊號處理器(ISP)與處理器連接。ECP5 FPGA專為平行處理而設計,可加速處理過程。同時,此元件提供大量I/O數量,簡易連接多個攝影鏡頭。此外,其協同處理能力更可提升處理器效率。

ECP5可以連接多個攝影鏡頭,並執行基本或進階視訊處理任務,為處理器提供最高品質影像以幫助決策。例如,車載鷹眼全景攝影鏡頭與前視、後視以及側視系統。鷹眼全景系統能夠透過拼接4個(或以上)廣角(FoV)攝影鏡頭的資料,實現從汽車上方20英呎往下俯視的全方位環景視野。ECP5能夠實現聚合所有攝影鏡頭輸入、影像拼接、魚眼校正(基於FoV廣角鏡頭)、白平衡、透過HDR最大化影像品質等,並傳遞最佳品質的影像至處理器。

上述應用中,單一ECP5元件即可透過取代多個攝影鏡頭介面有限的處理器,為設計工程師提供降低系統成本和功耗的途徑。

設計上述系統必須考量以下因素: ‧視訊通道數量和解析度需求 ‧快速且穩定的傳輸 ‧預先處理影像以降低主要ADAS處理器負載

視訊通道和解析度 CrossLink元件使設計工程師能夠聚合多個影像感測器資料,並透過單一CSI-2介面將資料傳輸至應用處理器。CrossLink尺寸很小,可放置於感測器周圍,以提升設計靈活性。

萊迪思並為CrossLink元件提供多款現成IP,滿足MIPI D-PHY、其他攝影鏡頭或顯示器介面標準之間的橋接和聚合。這樣設計工程師就可以使用搭載OpenLDI、CMOS、LVDS等傳統介面以及現代MIPI CSI-2或DSI介面的攝影鏡頭或顯示器。

汽車產業中,DisplayPort為另一個越來越普遍的開放性標準。由於搭載嵌入式時脈且所需通道數減少,能夠有效降低電磁干擾(EMI)。藉由微型封裝協定可輕易擴展,支援更高解析度和更遠距離。ECP5提供專用SERDES通道,DisplayPort(DP)或嵌入式DisplayPort(eDP)能夠滿足儀錶系統、儀表板/導航顯示器以及汽車後座娛樂系統等應用。

採用萊迪思車用MHL/HDMI ASSP解決方案,可輕易實現智慧型手機和平板電腦等智慧裝置的連接應用。

20170907_Lattice_TA31P1 MHL/HDMI ASSP實現智慧裝置與汽車互連

汽車內部資料傳輸 管理數個汽車內部感測器,將大幅提升點對點佈線的複雜程度與成本。若將多個感測器連接放置於汽車後部的ECP5,可透過單一電纜將資料快速的傳遞至汽車前部,不僅降低重量和成本,更簡化維修工作。

ECP5搭載的3.2Gbps SERDES為許多網路和傳輸應用提供有力支援。該元件可驅動車載網路,如Broad Reach或乙太網路,以連接PHY晶片或蒐集應用於車內的感測器資料。ECP5更支援類比CSI-2介面,可連接多個攝影鏡頭或雷達裝置。

20170907_Lattice_TA31P2 ECP5能夠實現汽車內部感測器聚合與網路連接

視訊預先處理 ECP5亦可進行視訊的預先處理。隨著汽車產業開始採用行動處理器,設計工程師必須面對不同新介面。例如,即使行動裝置處理器具有連接顯示器的單一DSI輸出,汽車市場的主流顯示器皆使用LVDS。FPGA可實現不同解析度的視訊訊號預先處理和不同介面的橋接。ECP5可構建應用處理器DSI或FPD-Link輸出與多數汽車顯示器LVDS輸入之間的視訊橋接解決方案。此外,ECP5更可提供車載資訊娛樂應用,將一路視訊輸出分割為用於汽車後座顯示器的兩路輸出,或依照特定視訊解析度針對單一視訊輸出進行裁剪和格式化。

搭載雷達/光達的先進駕駛輔助系統

RADAR/LiDAR不僅可應用於自動駕駛汽車,更可作為駕駛輔助工具。尤其可偵測危險目標和狀況,主動讓汽車警示駕駛,或必要時自動採取措施保護乘客安全。雖然這些系統仍在發展階段,未來汽車將不僅能夠針對攝影鏡頭進行影像訊號處理,更能夠採用以RADAR為基礎的接近感測器(Proximity Sensors)和以LiDAR為基礎的地形感測器(Terrain Sensors)。

RADAR與LiDAR系統充份發揮高速MIPI介面的特性,並使用CSI-2進行資料輸出。綜合考慮上述情況與不同處理器特性,設計工程師再次面臨MIPI CSI-2介面數量與類型的挑戰。車用級CrossLink元件可聚合來自多個感測器資料,或轉換CSI-2資料為應用處理器介面格式,作為簡易的橋接解決方案。

例如,目前許多77GHz RADAR裝置透過CSI-2與ADAS MCU相互連接。如下圖CrossLink雷達橋接應用,ADAS系統可以透過多個CrossLink橋接元件連接不同雷達裝置,藉此收集汽車四周環境所有資料,並透過平行輸入將資料傳遞至應用處理器。

20170907_Lattice_TA31P3 CrossLink於ADAS系統可實現雷達橋接應用

ADAS通常需較強大的ISP能力以辨識目標或專注特定目標,而非僅針對普通影像。隨著應用於決策的機器學習演算法不斷發展,汽車自動化程度也越來越高,FPGA可為設計工程師提供所需靈活性。當電腦需進行決策時,FPGA必須針對道路狀況與道路目標進行處理決策,並隨時保護駕駛安全。

ECP5搭載Helion Vision, GmbH的全套件HDR ISP,有助於提升拍攝影像品質,以透過軟核心微型處理器輕易實現目標辨識功能。

20170907_Lattice_TA31P4 Helion IONOS影像訊號處理程序

AIS多螢幕視訊顯示

若汽車製造商欲透過車載資訊娛樂系統(AIS)提供資訊和娛樂服務,此系統需支援多個螢幕輸出與單一後座攝影鏡頭輸入、以及滿足支援行動裝置的視訊與資料輸入。

行動處理器通常僅能驅動單一DSI顯示器。然而,汽車應用領域則使用搭載LVDS、DSI或DisplayPort等介面的顯示器。對於LVDS傳統顯示介面,ECP5可將DSI轉換為LVDS,同時確保輸出解析度相容於顯示器。ECP5亦支援搭載DisplayPort(DP)和Embedded DisplayPort(eDP)介面的顯示器。而對於不支援DSI的處理器,CrossLink可透過橋接驅動DSI顯示器。設計工程師可透過MachXO元件實現多螢幕視訊顯示,並透過HDMI車用ASSP進行行動裝置的視訊輸入。

例如,萊迪思的一家客戶已透過ECP5 FPGA實現類似解決方案。鷹眼全方位環景解決方案能夠同時處理影像資料並加速硬體速度。此解決方案透過安裝於汽車上的4個攝影鏡頭(前、後和左右兩側)蒐集資料,透過視訊資料處理與無縫拼接,提供汽車四周全方位環景影像。

20170907_Lattice_TA31P5 搭載ECP5的全方位環景應用

如上圖所示,單一ECP5即可取代多個ARM處理器,實現鷹眼全方位環景功能。4個安裝於汽車的攝影鏡頭所蒐集的影像皆進一步處理與拼接,透過ISP功能如白平衡、魚眼校正以及除霧特性,實現完整的360度全方位環景功能。萊迪思此款解決方案可於汽車製造階段進行安裝,或於後裝市場進行產品加裝。

汽車上每個攝影鏡頭皆提供720p類比高畫質影像,而最終全方位環景解決方案的解析度為1080p 60 fps。萊迪思協助設計工程師透過單一低成本、低功耗ECP5 FPGA取代多個ARM處理器。僅需單一低階ARM處理器進行初始校對和視訊編碼與紀錄。

總結

對許多產業而言,FPGA靈活性十分具有價值。汽車應用領域中,FPGA有助於解決先進娛樂和安全系統與行動處理器之間不匹配的問題。這種商業模式的優勢在於汽車製造商能夠使用來自智慧型手機經大眾市場認證的產品,並快速滿足車用領域不斷變化的需求。

FPGA亦能夠應用於其他車用領域。FPGA對汽車產業的貢獻更已擴展至電機控制等應用。隨著車載電子系統不斷發展,ADAS和其他技術持續推動未來無人駕駛發展,設計工程師需將更多感測器整合至系統中,將推動FPGA的需求不斷增加,提供採用攝影鏡頭、感測器、視訊以及更高速互連的靈活性,以滿足需求不斷變化的市場。