嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員正在利用移動處理器的創(chuàng)新、廣泛接納的 MIPI 標準接口，以及新一代低成本圖像傳感器和顯示器，構建高性能低成本的產品， 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)新特點的同時，又保留對傳統(tǒng)顯示器和/或圖像傳感器巨大投入的價值？ 如何快速、低成本地橋接不同接口類型，確保設計成功？
本文將介紹與遷移到新接口和橋接新舊設備相關的影響和設計問題，并介紹一些可行的解決方案和應用方法。
橋接新舊視頻接口
人們對創(chuàng)新的低成本視頻橋接解決方案的需求正與日俱增。 例如，構建監(jiān)控系統(tǒng)、無人機或 DSLR 攝像頭的設計人員想要利用上熱門移動應用處理器 (AP) 的最新創(chuàng)新。 為此，他們通常必須將信號從專有的傳統(tǒng)圖像傳感器接口轉換到大多數(shù) AP 上采用的移動 MIPI CSI-2 圖像傳感器接口。
如果設計人員構建的是下一代虛擬現(xiàn)實 (VR) 耳機，則需要對來自單個 MIPI DSI 接口的視頻進行轉換并拆分到兩個 MIPI DSI 顯示器上。 這樣不僅提升了系統(tǒng)性能，同時產品沉浸效果更強（圖 1）。 如果 AP 僅提供單個 DSI 接口或其中一個可用接口已經專門用于其他功能，如何向這些新興應用提供支持呢？
圖 1：視頻橋接解決方案可用于在傳統(tǒng)應用處理器上擴展端口數(shù)量，或提高帶寬及整體性能。 （來源：Lattice Semiconductor）
同樣，人機接口 (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工業(yè)級顯示器巨大投入的價值。 但要做到這一點，他們必須從 OpenLDI/LVDS 或專用接口橋接到移動 AP 上的 CSI-2 接口。
有時候，可能需要將多個視頻流匯總到一個更大的幀輸出，從而創(chuàng)建深度感知或增強現(xiàn)實系統(tǒng)。 這時候，就需要一個位于攝像頭傳感器和圖像處理器之間的橋接解決方案，可及時地在同一個點捕捉多個 CSI-2 輸出并實現(xiàn)最小延時。 這就需要通用引腳控制。 多個合成的視頻流也需要共享同一個時鐘，且在某些情況下，可能需要單獨的上電程序。 要實現(xiàn)每個功能，就需要可輕松定制的 I/O。
MIPI 移動處理器的應用甚至已經深入到了傳統(tǒng)工業(yè)應用，例如汽車制造業(yè)。 隨著汽車電子設備和攝像頭數(shù)量的不斷增長，汽車的高級輔助駕駛系統(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進行觀察，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鏡，從而減少空氣阻力并提高燃料效率。 設計人員構建的視頻橋接解決方案使制造商能夠匯總多個圖像傳感器的數(shù)據(jù)并將其通過單個 CSI-2 接口傳輸?shù)?AP。
通用開關
為了解決基礎橋接解決方案的需求，設計人員一般會使用通用型開關。 Texas Instruments 的 HD3SS3212 是通用 2 通道多路復用器/解復用器無源開關的典型實例，用于在電路板上兩個位置之間發(fā)送信號（圖 2）。 該器件兼容 MIPI DSI/CSI、FPDlinkII、LVDS 和 PCIE Gen IIII 標準，支持高達 10 Gbps 的數(shù)據(jù)速率。
圖 2：Texas instruments HD3SS3212 2 通道多路復用器/解復用器無源開關功能框圖，可用于在電路板上發(fā)送信號，速率高達 10 Gbps。 （來源：Texas Instruments）
設計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 差分幅值的接口應用。 自適應跟蹤可確保通道在整個共模電壓范圍內保持不變。
HD3SS3212 附帶多種工具和支持軟件，包括用于 USB Type-C Minidock 板的評估模塊和評估板，以及帶視頻和充電支持的參考設計。
可編程解決方案
解決該問題的另一個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狹窄的應用，有著較長的開發(fā)周期和較高的非經常性工程 (NRE) 成本，ASIC 就是一個典型。
為了彌補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合設計靈活性和較短 FPGA 開發(fā)周期，以及特定應用型標準產品 (ASSP) 的功能性能。 針對這些特性，我們不妨了解下 Lattice Semiconductor Crosslink LIF-MD6000 Master link 評估板及其可編程 ASSP (pASSP)（圖 3）。 CrosslinkIF-MD6000 隨該評估板提供，在 Lattice 的 Diamond 設計軟件中充當空閑 IP。 每個 pASSP 通過移動 FPGA 結構包圍著兩個 MIPI D-PHY 硬塊。 器件上每個 MIPI D-PHY 塊均具有多達四個數(shù)據(jù)通道和一個時鐘，用于支持傳輸和接收（Tx 和 Rx）。 D-PHY 傳輸高達 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 結構包含 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、RAM 和 ROM 功能的基礎構件。 可編程路由網絡連接 PFU 塊。
圖 3：Crosslink LIF-MD6000 Master link 評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 設計軟件可配置 PFU 塊并對每個設計進行布線。
配置和設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 。 同時您還可以瀏覽多個演示、可選 Tx/Rx 鏈路板的信息和其他說明文檔。 套件還包括兩個接口板、LIFMD-IOL-EVN SMA IO 連接接口板和一個分線 IO 鏈路板。 此外，LIF-MD6000 Raspberry Pi 開發(fā)板包括了一個參考設計和 Crosslink 軟 IP，以便將兩個 Raspberry Pi 圖像傳感器連接到一個 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先設計好的軟 IP 模塊。 第一種解決方案展示的是如何橋接多個 CSI-2 圖像傳感器到單個 CSI-2 輸出（圖 4）。 這種解決方案適用的應用包括設計中的 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)之間存在處理延時的情況。
圖 4：預配置軟 IP 為設計人員提供了一個簡化的解決方案，用于將創(chuàng)建深度感知的兩個 MIPI CSI-2 圖像傳感器的輸入轉換為圖像處理器上的單個 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 目標針對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用環(huán)境。 通過將舊顯示器替換為新顯示器，您可以在升級設計的同時保留巨大的 AP 投入。 這種橋接方式還可將單個源的輸出擴展為兩個 DSI 顯示器，而非一個。
第三種示例解決方案提供了使用 LIF-MD6000 器件時 CMOS 到 MIPI D-PHY 接口橋接的關鍵 IP。 雖然 MIPI D-PHY 最初是開發(fā)用于解決智能手機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換。
總結
隨著設計人員越來越多地將最初為移動手持設備開發(fā)的元器件用于更多的應用，他們常常遇到系統(tǒng)中的設備無法直接相連的情況。 有時，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。
對于一些基礎的多路復用器/解復用器應用，現(xiàn)成的標準模擬開關可能就能滿足需求。 但隨著設計人員執(zhí)行一些更加復雜的橋接任務，如轉換不兼容的接口、組合多個視頻流、或將視頻流拆分至多個接口，基于 FPGA 的可編程橋接解決方案則具有多項優(yōu)勢。
首先，這些解決方案能夠讓您利用舊有設備的現(xiàn)有投入，即使您將設計遷移到新的 AP 以及 MIPI 接口的圖像傳感器和顯示器時仍然適用。 其次，通過實現(xiàn)不同接口的多種設備之間的橋接，這些橋接解決方案使您可以選擇更多種類的元器件。 最終，您可以實現(xiàn)更大的設計靈活性。
