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小店提供基于Xilinx ZYNQ處理平臺的一站式全套解決方案。
一、ZYNQ系列可編程SoC簡介
Xilinx ZYNQ SoC主要針對中高端應(yīng)用場景，與其同等的有Altera Cyclone V和Arria 10系列SoC。該系列器件由2012年正式商用，2016年，在原來雙核A9的基礎(chǔ)上又增加了單核版本以面向不同場景的應(yīng)用，器件主要包括：①基于Artix-7 FPGA的Z-7007S（23K）、Z-7012S（55K）、Z-7014S（65K）、Z-7010（28K）、Z-7015（74K）和Z-7020（85K）（其中帶S的是單核型號），除Z-7012S和Z-7015帶4通道6.6Gbps GTP外，其他型號均不含高速收發(fā)器；②基于Kintex-7 FPGA的Z-7030（125K）、Z-7035（275K）、Z-7045（350K）和Z-7100（444K），均帶6.6~12.5Gbps高速收發(fā)器。
從邏輯規(guī)模和I/O資源、收發(fā)器來看，基于Artix-7的系列器件主要面向控制、接口和簡單計(jì)算處理等應(yīng)用領(lǐng)域，如：高鐵和地鐵信號控制、機(jī)器人控制、工業(yè)或3D打印機(jī)、無人機(jī)無人車控制、車載雷達(dá)前端、圖像接口與ISP處理、輕量級軟件無線電和GNSS系統(tǒng)等，性價(jià)比較高?；?/span>Kintex-7的器件主要面向通信和高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、高性能存儲(chǔ)、大規(guī)模并發(fā)計(jì)算等應(yīng)用領(lǐng)域：如：高性能軟件無線電系統(tǒng)、4G/5G通信、高性能光交換中心、大規(guī)模存儲(chǔ)控制器、云級大規(guī)模并發(fā)計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)和AI應(yīng)用、高性能雷達(dá)系統(tǒng)、ADAS系統(tǒng)等，起點(diǎn)較高。
ZYNQ系列器件推出7年以來，已經(jīng)形成了良好的生態(tài)系統(tǒng)，在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。
二、實(shí)用案例
樓主挑選了四個(gè)案例對ZYNQ系列FPGA應(yīng)用做簡要說明。
案例一：全景相機(jī)
在圖像和接口應(yīng)用中挑全景相機(jī)做簡單說明。全景相機(jī)一般包括3~5個(gè)Sensor接入，做ISP處理、拼接然后輸出。這里主要難點(diǎn)是存在較大的帶寬壓力，一般會(huì)采用Z-7020及以上性能的處理器，考慮到成本壓力，還會(huì)外掛一個(gè)海思或其他的處理器來進(jìn)行圖像壓縮，實(shí)際上，ZYNQ-7000器件上不帶視頻Codec也是其一個(gè)短板，限制了不少應(yīng)用。全景相機(jī)的實(shí)現(xiàn)框圖見下圖1所示。
圖1 全景相機(jī)實(shí)現(xiàn)框圖
如圖1所示，分成幾個(gè)模塊：
（1）Cam_IF:圖像接口，一般采用Sony、OV或安森美的CMOS Sensor，有可能是多通道LVDS、HiSpi或MIPI DPHY/CPHY接口，采用FPGA邏輯+少量外圍電路（或ASSP）實(shí)現(xiàn)。
（2）ISP處理：這里是圖像處理的核心部分，直接影響圖像質(zhì)量，包括必須的Demosaic、3A、降噪、增強(qiáng)等必要處理。
（3）拼接模塊：這里是全景相機(jī)應(yīng)用的核心部分，直接影響感官效果，這塊兒根據(jù)業(yè)務(wù)的不同基本上就是見仁見智，全靠算法和標(biāo)定了。
（4）顯示模塊：主要是用于本地投屏顯示，一般會(huì)根據(jù)需要選擇HDMI或SDI接口。
（5）Dual Cortex-A9：ARM處理器（PS）主要是做一些協(xié)同處理和控制工作，比如說自動(dòng)曝光和白平衡的協(xié)處理、系統(tǒng)控制和管理等。
（4）一般的，因ZYNQ-7000系列器件不帶視頻CODEC，使用邏輯實(shí)現(xiàn)H.264/264壓縮代價(jià)較大，從成本、開發(fā)難度等方面考慮，還會(huì)增加一個(gè)處理器專門來做壓縮，一般會(huì)選擇華為海思或全智之類的器件。
在圖像領(lǐng)域，ZYNQ-7000系列器件還廣泛用于有特殊功能需求的IP Camera、制冷和非制冷型紅外熱成像儀、工業(yè)相機(jī)、焊接和篩選機(jī)器人、物流機(jī)器人、CCD前端采集系統(tǒng)等各方面。
案例二：無人機(jī)飛控系統(tǒng)
ZYNQ在無人機(jī)上用得相對也比較多，比如早期的DJI，在他的精靈上就用了Z-7020這顆片子；比如Aerotenna，用ZYNQ飛控實(shí)現(xiàn)了360°微波防撞和雷達(dá)高度計(jì)。許多做行業(yè)無人機(jī)的，飛控也用到ZYNQ-7000系列器件。
無人機(jī)飛控是一個(gè)相對比較復(fù)雜的系統(tǒng)，包括伺服控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈、GNSS和其他特定的載荷接入等。涉及的門類也很多，按形態(tài)分有多旋翼（含系留多旋翼）、復(fù)合翼、傾轉(zhuǎn)旋翼等，按動(dòng)力分有鋰電型、油動(dòng)型、氫燃料電池型等等。說到載荷更是五花八門，有光電吊艙、云臺相機(jī)、傾斜攝影相機(jī)、通信中繼站、MiniSAR、高光譜相機(jī)、拋投裝置、喊話裝置甚至于武器彈部等等，還有一些出于自身保護(hù)的避障、降落傘、氣墊等等設(shè)備?；谶@種特點(diǎn)，ZYNQ-7000系留器件以其高度的靈活性，在這里很有用武之地。下圖2是最簡飛控系統(tǒng)框架圖。
圖2 無人機(jī)飛控系統(tǒng)框圖
如圖2所示，ZYNQ-7000 SoC是核心，負(fù)責(zé)運(yùn)行操作系統(tǒng)（如Nuttx、rt-Linux）和飛控軟件（如APM），驅(qū)動(dòng)和采集各個(gè)外設(shè)數(shù)據(jù)，調(diào)度任務(wù)等。
（1）RTK(GNSS),差分GPS，可能支持GPS、BD和GLONASS等多模，一般采用模塊，對外接口為串口；
（2）無線數(shù)、圖傳：也可能是一體化設(shè)備，數(shù)傳主要是與地面控制站交互控制和狀態(tài)數(shù)據(jù)，比如說開源的mavLink協(xié)議，圖傳主要是將圖像數(shù)據(jù)下載到地面，這二者也可能一體，采用寬帶數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備；單數(shù)傳可能是串口，寬帶一體化設(shè)備可能是網(wǎng)口或者USB等；單圖傳可能是HDMI或SDI等接口；
（3）SD Card：主要記錄飛控運(yùn)行數(shù)據(jù)，當(dāng)然也可能保存本地載荷數(shù)據(jù)如圖片、氣體傳感器值等；
（4）UAV CAN：一種多節(jié)點(diǎn)總線，可用作與電調(diào)、IMU和其他掛載通信，主要是高可靠性控制用；
（5）PWM & IOs：可擴(kuò)展的多通道PWM和可編程I/O，用作控制電調(diào)、舵機(jī)、云臺、起落架等設(shè)備；
（6）MIPI CSI-2：圖像傳感器接口，可能是外部相機(jī)載荷接入，也可能是本低的避障相機(jī)或前視相機(jī)接入；
（7）IMU：是無人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定控制的核心部件，以便包括角速度計(jì)、加速度計(jì)或磁羅盤等，飛控就是根據(jù)采集到的這些傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和解算處理，通過PID執(zhí)行機(jī)構(gòu)給電機(jī)，維持飛行姿態(tài)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定；
（8）高度計(jì)：高度計(jì)可能采用氣壓傳感器、超聲波傳感器、微波雷達(dá)等，主要是和GPS高度融合維持較高精度的定高飛行或懸停，在系留無人機(jī)、植保機(jī)等特殊應(yīng)用機(jī)型中尤其用得多；
（9）避障傳感器：有超聲波、視覺、微波雷達(dá)、激光雷達(dá)等，在低速、低空旋翼機(jī)上應(yīng)用較多。
ZYNQ-7000系列器件以其可配置性強(qiáng)的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)大多數(shù)的應(yīng)用場景功能適配，其PL強(qiáng)大的并行處理能力，也可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的應(yīng)用算法處理，比如FoC電調(diào)控制、圖像處理等，很多都集成到了PL實(shí)現(xiàn)。
案例三、紅外熱成像系統(tǒng)
早些年間，紅外熱成像儀及其派生設(shè)備絕對是一個(gè)高大上的存在，一般場合用不起，但隨著核心焦平面芯片的國產(chǎn)化，現(xiàn)在已經(jīng)脫下高貴的外衣?lián)肀矫袷袌?。特別是基于非制冷探測器的紅外測量系統(tǒng)可在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如海關(guān)、機(jī)場等公共場所民眾體溫監(jiān)測，芯片、焊點(diǎn)、激光光纖等微米級目標(biāo)檢查，高壓輸電塔巡線，隧道、大壩、橋梁滲水檢測，反應(yīng)塔、高爐等大型工業(yè)設(shè)備維護(hù)，建筑缺陷檢測、地質(zhì)勘探、火山研究，生命科學(xué)和化學(xué)研究等等。制冷型紅外熱成像系統(tǒng)仍然還是主要集中在軍事、搜救、科研、高端檢測等領(lǐng)域。
本案例以檢測型的非制冷紅外、可見雙光熱成像儀來說明。下圖3是系統(tǒng)的軟硬件總體方案框圖。
圖3 紅外熱成像系統(tǒng)軟硬件框圖
從圖3來看，影響設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素是：
①高分辨率紅外、可見光圖像處理和融合；
②圖像壓縮、傳輸；
③精準(zhǔn)測溫、精準(zhǔn)自動(dòng)對焦；
④重量、體積和電池續(xù)航時(shí)間；
在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)里，紅外圖像和可見光圖像通常經(jīng)過不同的模組進(jìn)行預(yù)處理，然后再進(jìn)行融合。這種傳統(tǒng)方式的顯著缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，電路板（模組）多，功耗大。既導(dǎo)致了電池續(xù)航能力短，又增加了整機(jī)的重量和體積，同時(shí)可靠性也大打折扣。
那么，有沒有一種解決方案可以在單片內(nèi)有能力完成所有的處理（大量數(shù)據(jù)處理和高帶寬要求），可以顯著降低面積和功耗呢？不用懷疑，當(dāng)前兩大FPGA廠商Altera和Xilinx提供的的Cyclone V和ZYNQ-7000系列SoC都可以做到。
兩大巨頭的SoC都集成了雙核Cortex-A9 ARM處理器、可編程邏輯和豐富的外設(shè)。軟硬件協(xié)同處理、完美結(jié)合，正符合多光融合的非制冷紅外測量系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)。
從軟件架構(gòu)上看，可編程邏輯資源的主要耗用如下：
① 紅外圖像處理：包括非均勻性校正、盲元校正、測溫模塊、降噪與增強(qiáng)、直方圖均衡、（IDE）、微掃描圖像合成、（寬動(dòng)態(tài)強(qiáng)化高溫區(qū)和低溫區(qū)細(xì)節(jié)）、偽彩色映射、Zoom等；
② 可見光圖像處理：ISP、降噪與增強(qiáng)、（寬動(dòng)態(tài)技術(shù)）等；
③ 圖像融合：紅外圖像和可見光圖像融合；
④ 圖像壓縮：紅外灰度圖像特點(diǎn)，一般采用MJPEG壓縮保留較多細(xì)節(jié)和較低延時(shí)。
⑤ 顯示和接口：OSD圖層、Scaler、HDMI接口、LVDS或MIPI CMOS輸入接口、ONFI NAND接口、DDR Mig、和PS及DDR交互的AXI DMA等；
⑥自動(dòng)對焦：梯度或銳度、模糊度計(jì)算。
按照一般的思路，沒有過于復(fù)雜的如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之類的算法，在架構(gòu)清晰、代碼風(fēng)格比較好的情況下，XC7Z020（85K邏輯）可滿足設(shè)計(jì)要求。如果需要添加更加復(fù)雜的檢測、識別、跟蹤類算法，可考慮選用XC7Z030（125K邏輯），當(dāng)然器件成本會(huì)成倍上升。
另外，一幅紅外圖像的像素個(gè)數(shù)是1024×768，一幅可見光圖像的像素個(gè)數(shù)為3840×2160。根據(jù)不同情況，一個(gè)像素可能占一個(gè)或兩個(gè)字節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)幀率為30fps，在精確位移打開或?qū)拕?dòng)態(tài)打開的情況下最終輸出的幀率會(huì)降低，帶寬不會(huì)成四倍增加。
緩存主要產(chǎn)生于數(shù)據(jù)處理過程中的DDR緩存，紅外、可見光、壓縮處理一幀和DDR的數(shù)據(jù)交互約在30次以上，因此，為了解決帶寬緊張的問題，在PL端擴(kuò)展了DDR。
PS端的雙核ARM其中一個(gè)核運(yùn)行操作系統(tǒng)（OS），另外一個(gè)核運(yùn)行裸機(jī)程序（Bare）。運(yùn)行操作系統(tǒng)的核主要負(fù)責(zé)外設(shè)驅(qū)動(dòng)管理、系統(tǒng)控制、應(yīng)用管理、GUI等功能。運(yùn)行裸機(jī)代碼的核和NEON一起主要偏重算法輔助處理。
案例四、雷達(dá)系統(tǒng)
在ZYNQ-7000這個(gè)級別上，還難以做到單獨(dú)處理海量的雷達(dá)流水?dāng)?shù)據(jù)，一般會(huì)使用高性能DSP來做浮點(diǎn)運(yùn)算。一般情況下是采用“一顆或多顆FPGA+一顆或多顆DSP”的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，通常應(yīng)用場景下FPGA一般會(huì)選擇7系列FPGA或ZYNQ-7000 SoC，DSP主要還是TI的8核TMS320C6678，FPGA做雷達(dá)前端接口和與FPGA通信的SRIO接口，在RAW數(shù)據(jù)上做一些濾波或變換處理后將數(shù)據(jù)通過SRIO接口送給DSP，DSP做FFT、IFFT、進(jìn)行濾波、互聯(lián)、平滑、目標(biāo)跟蹤和預(yù)測處理后，將穩(wěn)定的目標(biāo)航跡輸出。這里的核心算法還是在DSP運(yùn)行，不在贅述。
三、技術(shù)服務(wù)
服務(wù)內(nèi)容：
小店可提供系統(tǒng)級的完整解決方案，包括方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試、FPGA邏輯設(shè)計(jì)、嵌入式軟件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)代工等一站式服務(wù)。并且，有若干個(gè)成熟的解決方案可供選擇，時(shí)效性高、質(zhì)量可靠。
行業(yè)分類 : 工業(yè)電子
開發(fā)平臺 : Linux
交付形式 : PCBA,整機(jī),軟件
性能參數(shù) : 工業(yè)級（-40°C~+60°C）；支持定制開發(fā)
應(yīng)用場景 : 1. 行業(yè)相機(jī)； 2. 機(jī)器視覺； 3. 汽車ADAS系統(tǒng)； 4. 3G/6G廣播電視系統(tǒng)和視頻矩陣； 5. PCIe數(shù)據(jù)采集卡； 6.高性能運(yùn)動(dòng)和測量系統(tǒng)； 7.軟件無線電； 8.SATA接口存儲(chǔ)設(shè)備； 9.無人機(jī)和機(jī)器人系統(tǒng)。
