嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員正在利用移動(dòng)處理器的創(chuàng)新、廣泛接納的 MIPI 標(biāo)準(zhǔn)接口，以及新一代低成本圖像傳感器和顯示器，構(gòu)建高性能低成本的產(chǎn)品， 但仍然需要解決許多挑戰(zhàn)。

隨著性能的快速提升，如何預(yù)測所需的接口類型和數(shù)量？ 如何在利用這些處理器具備的創(chuàng)新特點(diǎn)的同時(shí)，又保留對(duì)傳統(tǒng)顯示器和/或圖像傳感器巨大投入的價(jià)值？ 如何快速、低成本地橋接不同接口類型，確保設(shè)計(jì)成功？

本文將介紹與遷移到新接口和橋接新舊設(shè)備相關(guān)的影響和設(shè)計(jì)問題，并介紹一些可行的解決方案和應(yīng)用方法。

橋接新舊視頻接口

人們對(duì)創(chuàng)新的低成本視頻橋接解決方案的需求正與日俱增。 例如，構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)、無人機(jī)或 DSLR 攝像頭的設(shè)計(jì)人員想要利用上熱門移動(dòng)應(yīng)用處理器 (AP) 的最新創(chuàng)新。 為此，他們通常必須將信號(hào)從專有的傳統(tǒng)圖像傳感器接口轉(zhuǎn)換到大多數(shù) AP 上采用的移動(dòng) MIPI CSI-2 圖像傳感器接口。

如果設(shè)計(jì)人員構(gòu)建的是下一代虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 耳機(jī)，則需要對(duì)來自單個(gè) MIPI DSI 接口的視頻進(jìn)行轉(zhuǎn)換并拆分到兩個(gè) MIPI DSI 顯示器上。 這樣不僅提升了系統(tǒng)性能，同時(shí)產(chǎn)品沉浸效果更強(qiáng)（圖 1）。 如果 AP 僅提供單個(gè) DSI 接口或其中一個(gè)可用接口已經(jīng)專門用于其他功能，如何向這些新興應(yīng)用提供支持呢？

圖 1：視頻橋接解決方案可用于在傳統(tǒng)應(yīng)用處理器上擴(kuò)展端口數(shù)量，或提高帶寬及整體性能。 （來源：Lattice Semiconductor）

同樣，人機(jī)接口 (HMI) 解決方案或智能顯示器的開發(fā)人員可能也希望保留對(duì)工業(yè)級(jí)顯示器巨大投入的價(jià)值。 但要做到這一點(diǎn)，他們必須從 OpenLDI/LVDS 或?qū)Ｓ媒涌跇蚪拥揭苿?dòng) AP 上的 CSI-2 接口。

有時(shí)候，可能需要將多個(gè)視頻流匯總到一個(gè)更大的幀輸出，從而創(chuàng)建深度感知或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。 這時(shí)候，就需要一個(gè)位于攝像頭傳感器和圖像處理器之間的橋接解決方案，可及時(shí)地在同一個(gè)點(diǎn)捕捉多個(gè) CSI-2 輸出并實(shí)現(xiàn)最小延時(shí)。 這就需要通用引腳控制。 多個(gè)合成的視頻流也需要共享同一個(gè)時(shí)鐘，且在某些情況下，可能需要單獨(dú)的上電程序。 要實(shí)現(xiàn)每個(gè)功能，就需要可輕松定制的 I/O。

MIPI 移動(dòng)處理器的應(yīng)用甚至已經(jīng)深入到了傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用，例如汽車制造業(yè)。 隨著汽車電子設(shè)備和攝像頭數(shù)量的不斷增長，汽車的高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng) (ADAS) 和信息娛樂子系統(tǒng)需要更多的視頻橋接功能。

攝像頭最初開發(fā)用于幫助駕駛員在倒車時(shí)進(jìn)行觀察，現(xiàn)在制造商利用攝像頭可提供車輛的全方位視角。 例如，一些汽車制造商正在用攝像頭取代后側(cè)鏡，從而減少空氣阻力并提高燃料效率。 設(shè)計(jì)人員構(gòu)建的視頻橋接解決方案使制造商能夠匯總多個(gè)圖像傳感器的數(shù)據(jù)并將其通過單個(gè) CSI-2 接口傳輸?shù)?AP。

通用開關(guān)

為了解決基礎(chǔ)橋接解決方案的需求，設(shè)計(jì)人員一般會(huì)使用通用型開關(guān)。 Texas Instruments 的 HD3SS3212 是通用 2 通道多路復(fù)用器/解復(fù)用器無源開關(guān)的典型實(shí)例，用于在電路板上兩個(gè)位置之間發(fā)送信號(hào)（圖 2）。 該器件兼容 MIPI DSI/CSI、FPDLinkII、LVDS 和 PCIE Gen IIII 標(biāo)準(zhǔn)，支持高達(dá) 10 Gbps 的數(shù)據(jù)速率。

圖 2：Texas instruments HD3SS3212 2 通道多路復(fù)用器/解復(fù)用器無源開關(guān)功能框圖，可用于在電路板上發(fā)送信號(hào)，速率高達(dá) 10 Gbps。 （來源：Texas Instruments）

設(shè)計(jì)人員可將該器件用于任何需要 0 至 2 V 共模電壓范圍和 1800 mVPP 差分幅值的接口應(yīng)用。 自適應(yīng)跟蹤可確保通道在整個(gè)共模電壓范圍內(nèi)保持不變。

HD3SS3212 附帶多種工具和支持軟件，包括用于 USB Type-C Minidock板的評(píng)估模塊和評(píng)估板，以及帶視頻和充電支持的參考設(shè)計(jì)。

可編程解決方案

解決該問題的另一個(gè)方法是使用半定制或定制視頻橋接解決方案。 但這些解決方案通常專注于適用范圍相對(duì)狹窄的應(yīng)用，有著較長的開發(fā)周期和較高的非經(jīng)常性工程 (NRE) 成本，ASIC 就是一個(gè)典型。

為了彌補(bǔ)通用和定制視頻橋接解決方案之間的差距，視頻橋接器件需要結(jié)合設(shè)計(jì)靈活性和較短 FPGA 開發(fā)周期，以及特定應(yīng)用型標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (ASSP) 的功能性能。 針對(duì)這些特性，我們不妨了解下 Lattice Semiconductor CrossLink LIF-MD6000 Master Link 評(píng)估板及其可編程 ASSP (pASSP)（圖 3）。 CrossLinkIF-MD6000 隨該評(píng)估板提供，在Lattice 的 Diamond 設(shè)計(jì)軟件中充當(dāng)空閑IP。 每個(gè) pASSP 通過移動(dòng) FPGA 結(jié)構(gòu)包圍著兩個(gè) MIPI D-PHY 硬塊。 器件上每個(gè) MIPI D-PHY 塊均具有多達(dá)四個(gè)數(shù)據(jù)通道和一個(gè)時(shí)鐘，用于支持傳輸和接收（Tx 和 Rx）。 D-PHY 傳輸高達(dá) 4K 超高清分辨率，速率為12 Gb/s。 兩組可編程 I/O 支持多種接口和協(xié)議，包括 MIPI D-PHY、MIPI CSI-2 和 MIPI DSI，以及 CMOS、RGB、MIPI DPI、MIPI DBI、subLVDS、SLVS、LVDS 和 OpenLDI。

相鄰的 FPGA 結(jié)構(gòu)包含 5,936 LUT、180 Kb 的塊 RAM，以及 47 Kb 的分布式 RAM。 LUT 沿可編程功能單元 (PFU) 中的專用寄存器分布，用作邏輯、算 術(shù)、RAM 和 ROM 功能的基礎(chǔ)構(gòu)件。 可編程路由網(wǎng)絡(luò)連接 PFU 塊。

圖 3：CrossLink LIF-MD6000 Master Link 評(píng)估板能讓您快速開發(fā)定制視頻接口解決方案并通過 Lattice 的 Diamond 軟件配置 CrossLink IP。 （來源：Lattice Semiconductor）

各列帶可編程 I/O 組的 sysMEM 嵌入式塊 RAM (EBR)、嵌入式 I2C 和嵌入式 MIPI D-PHY 散布在 PFU 列之間。 通過 Lattice 的 Diamond 設(shè)計(jì)軟件可配置 PFU 塊并對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行布線。

配置和設(shè)置過程有多種支持工具和軟件供選擇。 除了橋接器件，LIF-MD6000 Master Link 評(píng)估板還向FTDI 添加了 Mini USB B 型連接器，使用 SPI 將 FTDI 添加至 CrossLink 電路，使用 JTAG 和 GPIO 資源將 FTDI 添加至 X03LF 器件 。 同時(shí)您還可以瀏覽多個(gè)演示、可選 Tx/Rx 鏈路板的信息和其他說明文檔。 套件還包括兩個(gè)接口板、LIFMD-IOL-EVN SMA IO 連接接口板和一個(gè)分線 IO 鏈路板。 此外，LIF-MD6000 Raspberry Pi 開發(fā)板包括了一個(gè)參考設(shè)計(jì)和 CrossLink 軟 IP，以便將兩個(gè) Raspberry Pi 圖像傳感器連接到一個(gè) Raspberry Pi 處理器板。

為簡化和加快開發(fā)，Lattice Semiconductor 為四種常見的視頻橋接解決方案提供預(yù)先設(shè)計(jì)好的軟 IP 模塊。 第一種解決方案展示的是如何橋接多個(gè) CSI-2 圖像傳感器到單個(gè) CSI-2 輸出（圖 4）。 這種解決方案適用的應(yīng)用包括設(shè)計(jì)中的AP 未提供支持圖像傳感器輸入數(shù)量的足夠接口，或圖像傳感器和成像數(shù)據(jù)之間存在處理延時(shí)的情況。

圖 4：預(yù)配置軟 IP 為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)簡化的解決方案，用于將創(chuàng)建深度感知的兩個(gè) MIPI CSI-2 圖像傳感器的輸入轉(zhuǎn)換為圖像處理器上的單個(gè) MIPI CSI-2 接口。 （來源：Lattice Semiconductor）

第二種解決方案專注于 1:2 和 1:1 DSI 顯示接口橋接。 這種 IP 目標(biāo)針對(duì)上升的帶寬要求超出顯示能力，而處理器持續(xù)提供高性能接口功能的應(yīng)用環(huán)境。 通過將舊顯示器替換為新顯示器，您可以在升級(jí)設(shè)計(jì)的同時(shí)保留巨大的AP 投入。 這種橋接方式還可將單個(gè)源的輸出擴(kuò)展為兩個(gè) DSI 顯示器，而非一個(gè)。

第三種示例解決方案提供了使用 LIF-MD6000 器件時(shí) CMOS 到 MIPI D-PHY 接口橋接的關(guān)鍵 IP。 雖然 MIPI D-PHY 最初是開發(fā)用于解決智能手機(jī)中攝像頭和顯示器的互連問題，但是現(xiàn)在許多處理器和顯示器仍然使用 RGB、CMOS 或 MIPI D-PHY 接口。 在帶有 RGB 接口的處理器和帶有MIPI DSI 接口的顯示器之間，或 者是帶有 MOS 接口的攝像頭和帶CSI-2 接口的處理器之間，該解決方案可充當(dāng)橋接器。

第四種攝像頭接口橋接器解決了 AP 和早期圖像傳感器之間不匹配的問題。 雖然現(xiàn)在許多 AP 使用 MIPI CSI-2 接口，一些高分辨率的圖像傳感器則使用專用的次 LVDS 輸出格式。 這種橋接器解決了這兩種接口類型之間不兼容的問題。 該橋接器還可用于 LVDS、CSI-2、HiSPi 以及其它格式的相互轉(zhuǎn)換。

總結(jié)

隨著設(shè)計(jì)人員越來越多地將最初為移動(dòng)手持設(shè)備開發(fā)的元器件用于更多的應(yīng)用，他們常常遇到系統(tǒng)中的設(shè)備無法直接相連的情況。 有時(shí)，AP 上的接口類型或數(shù)量與系統(tǒng)的圖像傳感器或顯示器不匹配。

對(duì)于一些基礎(chǔ)的多路復(fù)用器/解復(fù)用器應(yīng)用，現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)可能就能滿足需求。 但隨著設(shè)計(jì)人員執(zhí)行一些更加復(fù)雜的橋接任務(wù)，如轉(zhuǎn)換不兼容的接口、組合多個(gè)視頻流、或?qū)⒁曨l流拆分至多個(gè)接口，基于 FPGA 的可編程橋接解決方案則具有多項(xiàng)優(yōu)勢。

首先，這些解決方案能夠讓您利用舊有設(shè)備的現(xiàn)有投入，即使您將設(shè)計(jì)遷移到新的 AP 以及 MIPI 接口的圖像傳感器和顯示器時(shí)仍然適用。 其次，通過實(shí)現(xiàn)不同接口的多種設(shè)備之間的橋接，這些橋接解決方案使您可以選擇更多種類的元器件。 最終，您可以實(shí)現(xiàn)更大的設(shè)計(jì)靈活性。