平衡嵌入式系统的功率和性能

小型化是当今大多数嵌入式系统的一个关键特性。每个人都希望口袋里有更多的计算能力。大多数基于 FPGA 的嵌入式系统也遵循同样的趋势。消费者想要更小的工业和专业相机、医疗手持设备、更小的可编程逻辑控制器 (PLC) 和汽车中的驾驶员辅助模块。小型化还带来了额外的挑战——最大的挑战可以浓缩为一个术语，即“节能性能”。通常，如果系统的性能提高，其功耗也会随之提高，这反过来又会增加散热。在较小的模块中，散热是设计人员每天都要处理的一个令人头疼的系统问题。冷却模块使其能够在热受限环境下运行通常成为性能瓶颈。

这篇博文重点介绍了现场可编程门阵列 (FPGA) 如何通过在每个行业的许多新的大批量应用中提供高能效性能来推动下一代技术革命。小型、外形尺寸的相机可用于许多不同的事情，例如运行 AI 算法以通过无人机图像指导农民、在零售连锁店中提供视频分析、计算运输中的乘客数量以及读取收费站的车牌。在医疗领域，便携式超声波机器正在使现场护理服务大众化。内窥镜和手术辅助智能眼镜正在为医生提供比以往任何时候都更高分辨率的图像。旨在保护边界免受入侵者侵害的基于热成像的监视系统也变得更加智能。一般部署在偏远地区，

即使是业余内容创作者也推动了对基于 FPGA 的流视频转换器的需求，因为他们需要在 HDMI、SDI、USB 或 PCIe 等任何格式之间转换 4K 视频流的选项。

工业自动化还受益于基于 FPGA 的架构的灵活性和 Microchip FPGA 超过 20 年的使用寿命。如今，汽车中的驾驶员辅助系统可确保驾驶员和乘客在车内的安全。

FPGA 架构已经取得了长足的进步。从性能和功耗之间的选择，到仅用作昂贵 ASIC 的原型设计平台，FPGA 现在被认为是主流，提供高度可靠和成本优化的架构，以及灵活且易于使用的软件。

让我们看一下各种示例用例，在这些用例中，PolarFire® FPGA或PolarFire SoC及其强化的 RISC-V 处理器系统发挥着至关重要的作用。

1）专业无人机

专业无人机对飞行安全有着严格的要求：

• 精确控制和定位，包括防撞

• 安全通信和控制频率

• 可预测的飞行时间

为了在大型无人机市场取得成功，无人机制造商需要通过提供高分辨率成像和人工智能等附加功能来实现差异化。无人机通常需要多个传感器，对传感器数据进行预处理或融合，并通过无线连接传输数据，这使它们成为复杂的系统。

应用范围非常广泛，包括在农业中监测作物健康和生长状态，在警务、军事或消防部门或警察紧急情况下的远程判断中进行物体检测和潜在跟踪。

飞行控制电子设备必须能够处理电机控制和旋翼速度，与传感器交互并与远程设备连接，所有这些都在尺寸、重量和功率受限的环境中进行。

此类系统的框图可能类似于以下内容：

利用灵活的 FPGA 架构，电机由磁场定向控制 (FOC) 算法驱动，由于 FPGA 的性能，控制可以在时域多路复用。多个电机由一个通用电机控制 IP 控制，电机的确切数量取决于所选的 FPGA 架构。

FOC 的高精度允许电机上的恒定扭矩，从而使运行更平稳，振动更小，噪音更少，最重要的是，与使用简单微控制器的标准电机控制器相比，飞行时间延长了大约 10% 或更多。

用于支持机器视觉等增强功能的视觉光、运动或红外传感器等附加接口需要仔细考虑，并且历来需要专业知识。Microchip 的 VectorBlox™ SDK和矩阵处理器 IP可帮助新手 FPGA 开发人员在 FPGA 结构中部署复杂的神经网络算法。这允许以非常低的功耗进行分类或检测。在此加速器 IP 上运行的神经网络是使用 TensorFlow 或 Caffe 等标准框架设计的。

所有结果都缓冲在本地板载内存中，然后传输到板载无线模块。这与接收收集的数据以供存储和进一步使用的操作员进行通信。PolarFire 设备一流的安全功能可保护传输的数据和无人机本身免受未经授权的访问。

由于复杂的无人机架构需要多个应用领域、电机控制、飞行控制和成像，使用 FPGA 可以提供并行运行的各个“任务”的好处。

专业无人机系统通常需要在 5 瓦或更低的紧凑功率预算下运行。使用 PolarFire FPGA 管理多个应用程序，预计 FPGA 的功耗低于 1.5 W，包括神经网络的运行。

2) 便携式超声波

由于小型化的推动，加上高能效的边缘计算资源和增强的散热考虑，低功耗医学成像创新正在突飞猛进。引领潮流的是即时诊断，例如便携式超声设备，包括手持式传感器、读取超声数据并将超声数据发送到标准智能手机。传输可以通过简单的电缆或无线方式进行。这些系统正在革新和普及欠发达地区事故现场急救医疗人员的诊断能力，并帮助医疗专业人员在传统医院环境之外做出诊断决策。

下面的框图显示了一个示例实现：

在手持式医疗设备中利用 PolarFire FPGA 可提供最低的总系统功率，从而产生高效的热量，并使换能器头保持凉爽，从而允许直接接触皮肤。这些效率在仅 11x11 mm² 的紧凑型封装中延长了运行时间，支持非常小的探头外壳。

3) 视频转换器

另一个需要灵活性、低功耗和小物理尺寸的领域是视频转换器领域。高性能专业相机通常提供单一数据接口，限制了支持该特定接口的后处理设备选择。视频转换器为多种接口标准提供了桥梁，可以灵活地选择后处理设备。性能不会受到影响，因为许多千兆位收发器支持多协议，优化线路速率高达 12.7 Gbps，支持 HDMI、CoaXPress®、SDI 和以太网协议。转换器外形紧凑，不再需要散热器和风扇。基于 PolarFire 技术的视频转换器估计需要不到两瓦的功耗。

这是一个视频转换器设计示例：

4) 工业自动化

使用两个不同的用例作为示例，工业相机和可编程逻辑控制器 (PLC)。

工业相机通常需要高帧率、高分辨率和小尺寸，这使得热设计成为一项挑战。得益于优化的封装布局和高效的热特性，可以轻松应对这一挑战。低静态功耗允许设备保持低温，增强热管理设计考虑。分辨率不受影响，高达 4K 60 帧/秒的图像数据可以通过 MIPI CSI-2 接收器接口轻松处理，本机支持高达 1.5 Gbps/线。

尽管它作为一个完整的系统在物理上更大，但 PLC 与相机一样受到空间和功率的限制。

这些基于机架的系统是模块化的，允许最终用户定制他们的系统并提供标准机箱宽度。处理性能仍然是支持工业以太网、人机界面、电机/驱动器控制和实时操作系统 (RTOS) 的必要条件。

下图显示了此类系统的通用框图，映射到 PolarFire SoC，这是第一个基于四核 RISC-V 处理器构建的 FPGA-SoC。PolarFire SoC 原生支持非对称多处理 (AMP)，以及固定的细粒度缓存路分配给各个处理器。这种本机 AMP 支持允许进行多任务处理。例如，可以为工业以太网协议栈分配一个处理器内核，而第二个内核可以运行 Linux 操作系统。相应的缓存是固定的，Linux正在与其他硬件资源分离。此外，其他两个可用内核可用于处理电机控制或逆变器所需的算法。

同样，低功耗在保持刀片模块内部电子元件温度较低方面发挥着重要作用，即使在 60°C 环境温度等具有挑战性的热环境中也是如此。

工业自动化涵盖广泛的应用和要求。工业产品中的共同点是需要为设备提供 20 年或更长时间的支持和可用性。Microchip 完全致力于满足这种使用寿命要求，并通过强大的“供应保证”计划提供支持。

5) 汽车

当今汽车市场中的许多不同应用都需要 FPGA 的灵活性，从激光雷达、成像雷达或摄像头等传感器到更隐蔽的功能，例如通过高压驱动器高精度和紧密同步地驱动电动机。一个新兴的应用是使用摄像头进行碰撞警告。这些摄像头可以通过向驾驶员反馈或直接控制车辆（如自动启动刹车）来检测危险情况。这些系统对功能安全性、安全性和低延迟处理以及在发动机热量和阳光引起的高温环境中可靠运行的能力有着强烈的要求。

下图显示了使用 PolarFire MPF050T 的系统设置，安全元素以黄色绘制，安全性以绿色绘制：

集成的安全非易失性存储器 (sNVM) 允许存储车队密钥，以便在车辆网络的摄像头模块内进行身份验证。接收到的图像帧使用 FPGA 的并行特性以流模式进行处理，并额外提供额外的安全信息，如帧计数和 CRC，以实现通信的端到端保护。图像数据的流式处理避免了使用内存中“冻结图像”的危险，并允许以固定的执行时间进行处理，直接转化为更多的系统反应时间。根据确切的 OEM 要求，FPGA 还提供所需的灵活性，以支持与各种已建立的专有串行器的接口。

所有应用程序的共同点是将成功的产品推向市场的业务驱动因素，但上面没有详细说明。研究如何降低风险，同时领先于您的竞争对手接触客户，优化系统成本，同时将利润带到底线，需要仔细考虑您的系统架构和供应合作伙伴。