在汽車信息娛樂(lè)應(yīng)用中用低成本的PLD管理圖像數(shù)據(jù)

 　　信息娛樂(lè)系統(tǒng)能在幫助司機(jī)安全前往目的地的同時(shí)娛樂(lè)乘客，而且這已不再是高檔車輛的專利：現(xiàn)在新興的汽車輔助駕駛系統(tǒng)正進(jìn)入主流市場(chǎng)。前面的液晶顯示器需要?jiǎng)討B(tài)地從GPS顯示器切換到許多攝相機(jī)中的一個(gè)，甚至是由車輛周圍的幾架照攝相機(jī)拍攝的圖像的組合。后面攝相機(jī)的圖像協(xié)助平行停車，確保離開停車位和安全駕駛在車道上，并避免與迎面而來(lái)的車輛碰撞。為了擴(kuò)大司機(jī)在繁忙的十字路口的視野，前置攝像頭(兩個(gè)前輪上方的車身上安裝的兩個(gè)攝相機(jī))可以顯示圖像。一些車輛能夠提供“查看周圍的圖像”，這基本上是一個(gè)圍繞車身的虛擬的360度視野，它們來(lái)自前面(尖端的引擎蓋)，后部和兩邊(側(cè)鏡)的攝相機(jī)拍攝的圖像。對(duì)于不同尺寸的液晶顯示屏，這些圖像可能需要縮放(大小)，調(diào)整和增強(qiáng)以提高圖像質(zhì)量。

　　管理圖像數(shù)據(jù)需要新的IC。專用集成電路非常昂貴并具有風(fēng)險(xiǎn)，而ASSP又不靈活?？删幊踢壿嬈骷?PLD)克服了這些缺點(diǎn)，但用于圖像數(shù)據(jù)面臨著接口的挑戰(zhàn)，這往往需要很高的性能，而且可編程邏輯器件的使用成本高。然而這種情況正在改變?，F(xiàn)已推出新一代低成本具有高性能IO緩沖器的可編程邏輯器件。這些低成本的可編程邏輯器件提供高效的傳輸、處理，操作和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的顯示，同時(shí)使產(chǎn)品差異化，幫助實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品上市時(shí)間和成本效益的目標(biāo)。

　　傳送圖像數(shù)據(jù)

　　采用了各種方法在車輛上傳輸圖像數(shù)據(jù)。一種常見(jiàn)的方法是使用LVDS來(lái)建立源同步接口。

　　一種適用于視頻應(yīng)用的流行技術(shù)是采用7:1 LVDS(低壓差分信號(hào))接口。通道連接，攝相機(jī)連接，平面顯示器連接和FlatLink是這種方法的變種。LVDS是一種高速、低功耗，通用接口標(biāo)準(zhǔn)。它采用一對(duì)產(chǎn)生大小相等且方向相反的電流的差分信號(hào)，這也有助于降低總的輻射。此外，LVDS使用電流模式驅(qū)動(dòng)，限制了功耗。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司開發(fā)了基于LVDS的通道連接和FPD連接(平板顯示連接)技術(shù)，作為平板顯示器的解決方案，支持從圖形控制器到LCD面板的數(shù)據(jù)傳輸。該技術(shù)后來(lái)被擴(kuò)展為一個(gè)通用數(shù)據(jù)傳輸方式。攝相機(jī)連接是一個(gè)基于7:1 LVDS的標(biāo)準(zhǔn)，使用多達(dá)28位的數(shù)據(jù)，時(shí)鐘頻率可達(dá)85Gpbs，總吞吐量為2.38兆赫。德州儀器公司的FlatLink提供21:3或28:4的配置，支持4位、6位或8位RGB。

　　用低成本可編程邏輯器件挑戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)LVDS7:1

　　7:1 LVDS接口通常使用的三到五個(gè)LVDS數(shù)據(jù)通道和一個(gè)LVDS時(shí)鐘通道。更高分辨率的顯示器會(huì)使用四或五個(gè)LVDS數(shù)據(jù)通道。在一個(gè)時(shí)鐘周期或周期中，在每個(gè)數(shù)據(jù)通道有7個(gè)串行位，如圖1所示。

　　圖1 7:1 LVDS接口的時(shí)序

　　用低成本的可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)LVDS接口7:1的挑戰(zhàn)包括高速LVDS緩沖器和用于產(chǎn)生解串時(shí)鐘的PLL，能夠捕獲輸入的數(shù)據(jù)，具有高效，準(zhǔn)確的匹配和數(shù)據(jù)格式化。

　　高速LVDS緩沖器：必須能夠以相對(duì)較高的速度接收或發(fā)送數(shù)據(jù)和時(shí)鐘至或來(lái)自可編程邏輯器件。準(zhǔn)確的速度取決于分辨率、幀速率和顯示器使用的顏色深度。例如，針對(duì)60赫茲到75赫茲的刷新率，800×600到1024×768的顯示器需要LVDS數(shù)據(jù)發(fā)送從40兆赫至78.5兆赫的頻率。這轉(zhuǎn)換成LVDS數(shù)據(jù)速率為280Mbps至549Mbps。更高分辨率的顯示器，如1280×1024、60赫茲，要求數(shù)據(jù)必須與一個(gè)108MHz的時(shí)鐘一起傳輸。對(duì)于這些系統(tǒng)，數(shù)據(jù)以756 Mbps傳輸。

　　時(shí)鐘發(fā)生器：通常的方法是接收輸入時(shí)鐘和使用一個(gè)鎖相環(huán)，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)位7倍于時(shí)鐘頻率。實(shí)際上，這是相當(dāng)困難的，因?yàn)闀r(shí)鐘運(yùn)行速度極快。由于典型的顯示接口的時(shí)鐘速率為60MHz~100MHz或更高，乘以7產(chǎn)生420MHz到700MHz的頻率。以這些時(shí)鐘速率工作，任何圖像控制和處理就不可能用一個(gè)低成本的PLD來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　數(shù)據(jù)采集，匹配及格式化：緊隨LVDS輸入緩沖器的寄存器必須準(zhǔn)確地捕捉到數(shù)據(jù)。嚴(yán)格的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)關(guān)系的控制是很重要的，以捕獲送入的高速數(shù)據(jù)流。這也是必要的匹配(減少)前面?zhèn)鬟f到PLD的數(shù)據(jù)速度。如果輸入捕捉電路只運(yùn)行在一個(gè)時(shí)鐘的邊沿，應(yīng)該生成七個(gè)低速時(shí)鐘的相移，用七個(gè)不同寄存器捕獲輸入數(shù)據(jù)。時(shí)鐘產(chǎn)生和分配的挑戰(zhàn)阻礙了用PLD來(lái)實(shí)現(xiàn)。時(shí)鐘必須具有相對(duì)較低的抖動(dòng)，因?yàn)槠涠秳?dòng)必須計(jì)算在整個(gè)時(shí)序預(yù)算中。同樣，在任何時(shí)序分析之中，必須考慮用于提供該時(shí)鐘輸入或輸出寄存器的時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)的偏移。

　　在MachXO2 器件中實(shí)現(xiàn)7:1 LVDS的實(shí)例

　　可編程邏輯器件MachXO2具有特定功能的架構(gòu)，支持7:1 LVDS接口。這些特性包括高性能的LVDS I/O緩沖器、雙數(shù)據(jù)速率(DDR)I/O寄存器，匹配邏輯和具有專用3.5時(shí)鐘分頻器的高精度鎖相環(huán)。這些特性和功能提供了一套完整的解決方案。MachXO2器件提供了多達(dá)21個(gè)數(shù)據(jù)通道。圖2顯示了接收器和發(fā)送器的四個(gè)數(shù)據(jù)通道。

　　圖2 在MachXO2中的接收器和發(fā)送器

　　在此圖中，MachXO2器件的接收模塊接收四個(gè)數(shù)據(jù)通道，以及通過(guò)LVDS I/O緩沖器的時(shí)鐘。這些緩沖器可以運(yùn)行高達(dá)303兆赫(606 Mbps)，支持高分辨率，顯示刷新速率高達(dá)85 MHz的像素速率(SXGA)。 PLL是用3.5乘以時(shí)鐘。然后通過(guò)一個(gè)低偏移邊緣的時(shí)鐘網(wǎng)至DDR捕獲寄存器來(lái)分配較快的移相時(shí)鐘(ECLK)。LVDS的數(shù)據(jù)送入具有7:1匹配功能的DDR寄存器。這個(gè)匹配使得I/O數(shù)據(jù)與高速EDGE時(shí)鐘(ECLK)解多路復(fù)用，然后至較慢速度的FPGA時(shí)鐘頻率(SCLK)。

　　這個(gè)7:1 LVDS的解決方案包括自動(dòng)對(duì)齊PLL輸出時(shí)鐘到最佳位置，用于對(duì)輸入LVDS數(shù)據(jù)流采樣，為自動(dòng)對(duì)齊可編程邏輯器件的時(shí)鐘至輸入數(shù)據(jù)字添加邏輯。這些“軟”的邏輯與“硬”資源相呼應(yīng)，提供完整的顯示接口解決方案。

　　MachXO2 PLD的發(fā)送模塊接收28位并行數(shù)據(jù)和快速的DDR時(shí)鐘(ECLK)。并行數(shù)據(jù)送入到具有7:1匹配功能的顯示I / O邏輯單元。匹配功能使得具有低速系統(tǒng)時(shí)鐘(SCLK)的輸入數(shù)據(jù)復(fù)用至更高速度的DDR輸出邊緣時(shí)鐘速率(ECLK)。

　　總結(jié)

　　用許多圖像源(幾個(gè)攝像機(jī))來(lái)增加數(shù)字內(nèi)容，后座顯示屏和導(dǎo)航系統(tǒng)正在進(jìn)入主流市場(chǎng)。

　　在圖像應(yīng)用方面，由于成本和功耗的優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)7:1 LVS接口將依然流行，例如車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)。

　　MachXO2器件可以部署在汽車輔助駕駛系統(tǒng)來(lái)管理來(lái)自攝像機(jī)的圖像的顯示和操作(縮放，旋轉(zhuǎn)等)。MachXO2器件可以從一臺(tái)攝像機(jī)到其他攝像機(jī)顯示圖像之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換，或?qū)烧呓M合在一起。