小型化是當今大多數嵌入式系統的關鍵特性。每個人都希望口袋里有更多的計算能力。大多數基于FPGA的嵌入式系統也遵循相同的趨勢。消費者需要更小的工業和專業攝像頭、醫療手持設備、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——最大的挑戰可以濃縮為一個術語，即“節能性能”。通常，如果系統性能提高，其功耗也會提高，這反過來又會增加散熱。在較小的模塊中，散熱是設計人員每天都要應對的令人頭疼的系統。冷卻模塊以使其能夠在散熱受限的環境中運行通常會成為性能的瓶頸。

這篇博文重點介紹了現場可編程門陣列（FPGA）如何通過為每個行業的許多新的大批量應用提供高能效性能來實現下一代技術革命。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農民，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。在醫療領域，便攜式超聲機正在使該領域的護理服務民主化。內窺鏡和手術輔助智能眼鏡為醫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控系統也變得越來越智能。這些系統通常部署在遠程位置，必須在保持隱藏的同時自主運行。

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

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

FPGA架構已經走了很長一段路。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，FPGA現在被認為是主流，提供高度可靠和成本優化的架構，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處理器系統發揮至關重要作用的各種示例用例。

1） 專業無人機

專業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分自己。無人機通常需要多個傳感器，對傳感器數據進行預處理或融合，并通過無線連接傳輸數據，使其成為復雜的系統。

應用范圍非常廣泛，包括監測農業中的作物健康和生長狀態、物體檢測以及警務、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。

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

此類系統的框圖可能類似于以下內容：

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

FOC的高精度允許電機上的恒定扭矩，從而更平穩地運行，振動更少，噪音產生更少，最重要的是，與使用簡單微控制器的標準電機控制器相比，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，并且歷來需要專業知識。Microchip的VectorBlox? SDK和矩陣處理器IP可幫助新手FPGA開發人員在FPGA結構中部署復雜的神經網絡算法。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上運行的神經網絡是使用TensorFlow或Caffe等標準框架設計的。

所有結果都緩沖在本地板載存儲器中，然后傳輸到板載無線模塊。這與接收收集的數據以供存儲和進一步使用的操作員進行通信。PolarFire 設備的一流安全功能可保護傳輸的數據和無人機本身免受未經授權的訪問。

由于復雜的無人機架構需要多個應用領域、電機控制、飛行控制和成像，使用 FPGA 可以同時實現各個“任務”的并行運行。

專業無人機系統通常需要在 5 瓦或更低的緊張功率預算下運行。使用 PolarFire FPGA 管理多個應用，預計 FPGA 的功耗（包括神經網絡的運行）將低于 1.5 W。

2） 便攜式超聲波

由于小型化的驅動力，加上高能效的邊緣計算資源和增強的散熱考慮，低功耗醫學成像創新正在突飛猛進地發展。領先的是即時診斷，例如便攜式超聲設備，包括手持式換能器、讀取超聲數據并將其發送到標準智能手機。傳輸可以通過簡單的電纜或無線方式進行。這些系統正在徹底改變和民主化事故現場事故現場急救人員的診斷能力，并幫助醫療專業人員在傳統醫院環境之外做出診斷決策。

以下框圖顯示了一個示例實現：

在手持式醫療設備中利用 PolarFire FPGA 可提供最低的總系統功耗，從而實現高效的散熱，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） 視頻轉換器

另一個靈活性與低功耗和小物理占用空間相結合至關重要的領域是視頻轉換器領域。高性能專業相機通常提供單個數據接口，從而限制了支持該特定接口的后處理設備的選擇。視頻轉換器提供了與多個接口標準的橋梁，從而可以靈活地選擇后處理設備。由于眾多千兆位收發器支持多協議，支持高達 12.7 Gbps 的優化線速，支持 HDMI、CoaXPress?、SDI 和以太網協議，因此性能不會受到影響。轉換器外形緊湊，不再需要散熱器和風扇。基于PolarFire技術的視頻轉換器估計需要不到兩瓦的功耗。

下面是一個視頻轉換器設計示例：

4） 工業自動化

以兩種不同的用例為例，工業相機和可編程邏輯控制器（PLC）。

工業相機通常需要高幀率、高分辨率和小尺寸，這使得熱成像設計成為一項挑戰。得益于優化的封裝布局和高效的熱特性，可以輕松應對這一挑戰。低靜態功耗使器件保持低溫，從而增強了熱管理設計考慮因素。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/秒的圖像數據。

盡管作為一個完整的系統，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是模塊化的，允許最終用戶定制他們的系統并提供標準機箱寬度。處理性能仍然是支持工業以太網、人機界面、電機/驅動器控制和實時操作系統 （RTOS） 的必要條件。

下圖顯示了此類系統的通用框圖，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 支持允許多任務處理。例如，可以為工業以太網協議棧分配單個處理器內核，而第二個內核可以運行 Linux 操作系統。相應的緩存是固定的，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部電子元件的低溫方面起著重要作用，即使在環境溫度為60°C等具有挑戰性的熱環境中也是如此。

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

5） 汽車

當今汽車市場中的許多不同的應用都需要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，例如通過高壓驅動器實現高精度和緊密同步的電動機驅動。一個新興的應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。這些系統對功能安全、安保和低延遲處理有很高的要求，并能夠在發動機熱量和陽光引起的高溫環境中可靠運行。

下圖顯示了使用 PolarFire MPF050T 的系統設置，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，以便在車輛網絡中的攝像頭模塊內進行身份驗證。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，如幀數和CRC，以實現通信的端到端保護。圖像數據的流處理避免了使用內存中“凍結圖像”的危險，并允許以固定的執行時間進行處理，直接轉化為系統做出反應的更多時間。根據確切的OEM要求，FPGA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。

所有應用程序共有，但上面未詳述的是將成功產品推向市場的業務驅動因素。要考慮如何降低風險，同時領先于競爭對手的客戶，并在實現利潤的同時優化系統成本，需要仔細考慮您的系統架構和供應合作伙伴。全面的Microchip產品組合提供了全面的系統解決方案合作伙伴關系。受益于關鍵組件和參考設計解決方案，以降低開發風險和組件數量。設計人員還可以節省時間和金錢，因為解決方案經過交叉功能驗證，并在許多情況下提供保修。

審核編輯：郭婷