המתכננים של מערכות הראיה כיום, חייבים לתת דעתם על כמה מגמות שוק. אחת הדוגמאות היא התכנונים של היום המתאפיינים במספר גדל והולך של חיישנים, כדי לאפשר לקלוט רמות גבוהות יותר של נתונים או לבצע פונקציות חדשות. ניקח לדוגמה, כלי רכב ממוצע. לפני עשרים שנה, יצרני רכב נחשבו לחדשניים אם הם הוסיפו מצלמה אחת לנסיעה לאחור. כיום, אותם יצרנים משתמשים במצלמות ניטור של סטייה מנתיב, זיהוי של שלטי מהירות ומכלול יישומי נהיגה חכמים אחרים.
בה בעת, מתכננים של מערכות ראייה משובצות עוברים לשימוש ברכיבים שתואמים לתקנים שנקבעו בארגון MIPI (ממשק מעבד תעשייתי למערכות ניידות). ארגון MIPI, שפותח במקור עבור שוק ההתקנים הניידים, מגדיר את המפרטים של ממשקי החומרה והתוכנה הנדרשים למתכננים של התקנים ניידים, כדי ליצור פתרונות ניידים בעלי ביצועים גבוהים, כדאיים מבחינת עלות ואמינים. בשנים האחרונות, הפך הממשק בתקן MIPI להיות התקן השולט בבניית מערכות משובצות. מתכננים בתחום המערך המתרחב של יישומים, לרבות התחום התעשייתי ותחום הרכב, שמו לב לעובדה זו, וכעת, הם מחפשים דרכים שבהם ניתן לנצל את הביצועים הגבוהים ואת הכדאיות הכלכלית הנגזרת מהיקף השימוש ברכיבים למערכות ניידות.
גם לחצים גוברים של יציאה לשוק מאיצים את הדרישה לפתרונות ראייה משובצים וקלים לשימוש. אספקת השבב לבד אינה מספיקה עוד. לחצים אלו ממשיכים להניע את אנשי תכנון לעבר סביבות תכנון ראייה משובצות שמציעות את כל התכנונים של החומרה, התוכנה ו- IP וכן, תכנונים לייחוס, הנדרשים להם כדי לתכנן ולפתח במהירות מוצרי קצה. באותו זמן, הדור הנוכחי של משתמשים מצפה לקבל חוויה עם תגובה טובה, מוטית צרכנים, בעת שימוש בתצוגות המשובצות שלהם. תצוגות משובצות שמתחילות לפעול באיטיות, יציגו תוצאי שווא (artifact) שיחבלו בחוויית המשתמש.
מכשולים חדשים
בעוד שמגמות אלו המאמירות במהירות מזמנות הזדמנות, הן גם מציגות מכשולים חמורים בפני המתכננים של מערכות ראייה משובצות. ראשית, המצלמות והתצוגות המשמשות ברבות מבין המערכות המשובצות לא תואמות לסוג או למספר של הממשקים הקיימים במעבדי היישומים (AP) המשמשים כיום. מעבדי היישומים מציעים מספר מוגבל של כניסות ויציאות (I/O) לחיישנים. מעבדי היישומים צריכים גם לתמוך במערך נרחב של סוגי תצוגות וחיישנים. מצב זה מסתבך בשל העובדה שממדי הגודל והרזולוציות של התצוגות משתנות בהתבסס על היישום שלהן. יתר על כן, בהינתן טווח החיים הארוך שלהן, רבות מבין התצוגות התעשייתיות הנמצאות כיום בשימוש תוכננו מלכתחילה כדי להתחבר לתצוגות דרך ממשקים מסורתיים. כיצד יכולים המתכננים לשפר ביישומים משובצים את היתרונות הטמונים בשוק רכיבי MIPI, שעה שהתכנונים שלהם מסתמכים על שימוש בתצוגות ובחיישנים מסורתיים או קנייניים?
על מנת לתמוך בשימוש בחיישנים רבים יותר ובמשאבי כניסות ויציאות שמנוהלות באופן יעיל יותר, אנשי התכנון צריכים פתרון ניתן לתכנות, אשר יכול לפצות על זמינותם המוגבלת של כניסות ויציאות. במקרה הטוב ביותר, פתרון כזה יכול היה להציע את היכולת לצרף כניסות של חיישנים ולאפשר לאנשי התכנון לבצע עיבוד מקדים של הנתונים, על מנת להקל את עומס היתר מהמעבד. פתרון אידיאלי יכול היה גם להיות פתרון ניתן לתכנות, על מנת שאנשי התכנון יוכלו להתאים אותו בקלות לתכנוני תצוגות בהתאמה אישית. בעבר, אנשי תכנון יכולים היו לתמוך בגדלים שונים וברזולוציות שונות של תצוגות, על ידי פיתוח רכיב ASIC מותאם אישית מתאים לכל סוג של תצוגה. פתרון ניתן לתכנות היה מאפשר לאנשי התכנון לתמוך בדרישות שונות מותאמות אישית, באמצעות התקן יחיד.
חברת Lattice Semiconductor הובילה את התעשייה במאמץ זה, בשנת 2016, כאשר יצאה לשוק עם התקני FPGA מסוג CrossLink™, מגשר וידיאו ניתן לתכנות שתומך במגוון רחב של פרוטוקולים וממשקים המיועדים לחיישנים ותצוגות ניידים. על מנת לתת מענה לצרכים המתפתחים של שוק מערכות הווידיאו המשובצות, הכריזה חברת Lattice על גרסה חדשה ומשופרת של CrossLink, בשם CrossLinkPlus™. על מנת לענות על רצונו של המשתמש לקבל אתחול חלק של תצוגה, פותחה גרסה נוספת של התקן CrossLinkPlus עם זיכרון הבזק משובץ של 2 מגה סיביות על השבב, המשמש זיכרון להגדרת תצורה. עם זיכרון ההבזק שעל השבב, התקן CrossLinkPlus יכול לבצע אתחול תוך פחות מ- 10 מילי שניות, וכך, תוצאי שווא חזותיים לא משבשים את חוויית התצוגה של המשתמש. המוח האנושי לא יכול לקלוט תמונות שנעלמות תוך פחות מ- 15 מילי שניות. זיכרון ההבזק שעל השבב יכול לשמש גם כדי לתמוך בתכנות מחדש, בשטח.
איור 1: התקן FPGA CrossLinkPlus של חברת Lattice Semiconducto
התקן CrossLinkPlus מציע את התקשורת המהירה ביותר בממשק D–PHY בתקן MIPI בגודל כזה, תוך כדי שמירה על צריכת הספק נמוכה. התקן FPGA מספק ביצועי D–PHY משולבים של 12 ג’יגה סיביות בשנייה במארז שגודלו 3.5 x 3.5 מ”מ. נוסף על המהירות הגבוהה של D–PHY בתקן MIPI, ב- CrossLinkPlus נוסף מארג (fabric) של רכיבי FPGA ניתנים לתכנות של טבלת חיפוש (LUT) של 6K, וקבוצה של כניסות/יציאות מהירות שתומכות בגישור וידיאו על פני הממשקים CSI-2 בתקן MIPI, DSI בתקן MIPI, LVDS, SLVS200, CMOS ו- Sub-LVDS. היכולת להתחבר בממשק אל התצוגות והחיישנים האלו מציעה דרגה גבוהה של גמישות תכנון לצוותי התכנון.
על מנת לפתור את בעיית הלחצים הגוברים על זמן היציאה לשוק, מביא עמו ההתקן החדש הבטחה לעזור לצוותי הפיתוח בשיפור יעילות התכנון. לדוגמה, ספרייה מקיפה של נכסים אינטלקטואליים (IP) מוכנים לשימוש, שעברו אימות עבור פונקציות של מקלט, ממיר ומשדר, מאפשרת למתכננים להתמקד בתכונות הערך המוסף של התכנון שלהם, אשר ייבדלו אותם מהמתחרים שלהם. בלוקים ותכנונים לדוגמה בתחום הווידיאו של נכסים אינטלקטואליים שעברו אימות, לא רק שהם מקצרים את מחזור התכנון, הם גם ניתנים בחינם וזמינים באופן מיידי. ונוסף על כך, הבלוקים בתכנון IP ניתנים לשימוש חוזר באופן מלא דרך שימוש במשפחות המוצרים CrossLink ו- CrossLinkPlus.
חברת Lattice מציעה גם כלי חומרה ותוכנה קלים לשימוש אשר מדמים התנהגות פונקציונלית, מאמתים פונקציות ברמת מערכת ומאיצים את פיתוח המוצרים. הוספה של זיכרון הבזק משובץ על ההתקן מאפשרת לאנשי התכנון לענות במהירות על דרישות השוק המשתנות, על ידי ביצוע שדרוג בשטח באמצעות רצפי סיביות (bitstream) אל זיכרון ההבזק. התקן CrossLinkPlus החדש והמורחב מסייע למהנדסים גם לעמוד במגבלות הקשוחות יותר של מקום וחום, בלי לנצל את צריכת ההספק המצטרפת לשימוש בזיכרון הבזק חיצוני. מנקודת מבט תחרותית, ההתקן מספק את המהירות המוקשחת הגבוהה ביותר בשטחה של D–PHY בתקן MIPI, ליחידת שטח.
בהשוואה להתקנים דומים ממקורות מתחרים בתעשייה, CrossLinkPlus של Lattice מציע ביצועים של D–PHY טובים יותר משל המתחרים, בעקבת מעגל קטנה יותר מאשר המתחרים ובצריכת הספק נמוכה יותר מזו שהם מציעים.
איור 2: התקן FPGA מסוג CrossLinkPlus של Lattice מספק ממשק D–PHY בתקן
MIPI תוך כדי שמירה על צריכת הספק נמוכה ביותר
חברת Lattice מציעה תמיכה נרחבת בתהליך האצת פיתוח המוצר. לדוגמה, Lattice מוציאה לשוק באופן קבוע תכנונים לדוגמה עבור CrossLink ו- CrossLinkPlus. תכנונים לדוגמה אלו תפורים לפי תכונות גישור הווידיאו הנדרשות ביותר, ואשר מיועדות לתכנונים של מוצרים חדשים וקיימים.
יישומים חדשים
מקרי שימוש נפוצים של CrossLinkPlus מציגים את הדרגה הגבוהה של גמישות התכנון שהם מעניקים לאנשי התכנון. איור 3 בהמשך מדגים כיצד אפשר להשתמש בהתקן על מנת לגשר בין חיישנים לבין מעבדים עם שלושה ממשקים. במקרה זה הוצגה בפני אנשי התכנון בעיה: מצד אחד הם מבקשים לנצל את היתרונות – הטמונים בעלות, בביצועים ובעקבת מעגל – שמוצעים על ידי שימוש במעבדים בתקן MIPI.
באותו זמן, הם רוצים לשמור את היכולות של מצלמה מסורתית המיוצרת לפי תקנים תעשייתיים. ביישום של ראיית מכונה, המופיע באיור 3, אנשי תכנון היו משתמשים ב- CrossLinkPlus כדי ליצור מגשר בין המצלמה המסורתית שבה משתמשים בממשק Sub–LVDS לבין מעבד בתקן MIPI שבו משולב ממשק D–PHY.
איור 3: בדוגמת יישום זו, התקן FPGA מסוג CrossLinkPlus של Lattice
משמש כמגשר בין מצלמת Sub–LVDS לבין כניסות ויציאות בתקן MIPI על מעבד
ראיית המכונה של ההתקן.
שימוש אפשרי נוסף במגשר CrossLinkPlus של Lattice הוא צירוף של קלט המתקבל מריבוי חיישנים אל תוך מעבד היישום. למשל, באיור 4, שלושה חיישני תמונה מתחברים בממשק עם התקן CrossLinkPlus דרך שלושה חיבורי D–PHY. מגשר CrossLinkPlus מצרף את נתוני החיישן ליציאה יחידה של חיבור D–PHY אל המעבד. יכולת צירוף זו מאפשרת לאנשי התכנון לשפר עד למקסימום את השימוש במשאבי הכניסות והיציאות של המעבד שלהם,אשר לעתים קרובות הם מוגבלים.
איור 4: אפשר לצרף יחד אותות של חיישנים מרובים בעזרת CrossLinkPlus של
Lattice דרך חיבור אחד, על מנת לחסוך בכניסות ויציאות של מעבד.
אנשי התכנון יכולים גם להשתמש במגשר CrossLinkPlus כדי לממש מפצל אותות או מכפל אותות בתקן MIPI. באיור 5, ניתן לראות כיצד אנשי תכנון מזינים אות מחיישן לתוך התקן CrossLinkPlus, ולאחר מכן מפצלים את המוצא או מכפילים אותו אל תוך שתי יציאות נפרדות. בחברת Lattice רואים שהשימוש בגישה זו מתרחב ביישומי ADAS לכלי רכב לשימוש במכוניות חכמות או ביישומים שבהם יש חשיבות ליתירות (redundancy) של הנתונים. במקרה זה, אות שמגיע ממצלמה נכנס להתקן CrossLinkPlus של Lattice ומועתק אל שני רצפי מוצא. רצף אחד נשלח אל מעבד יישומים שמעבד נתונים בזמן אמת. הרצף השני מועבר לאיסוף נתונים מקומי או מבוסס ענן לשם גיבוי, באופן די דומה למה שמתבצע בקופסה שחורה של מטוסים. אם תהיה תקלה או תאונת דרכים, החוקרים יוכלו לחזור אל גיבוי הנתונים כדי לקבוע מה הוביל לאירוע.
איור 5: במערכת ראייה זו בטכנולוגית ADAS , התקן FPGA מסוג CrossLinkPlus
משכפל את מוצא המצלמה כדי לשלוח אותו למעבד של היישום וגם אל גיבוי הנתונים.
איור 6 שבהמשך, מתאר כיצד אנשי התכנון משתמשים במגשר CrossLinkPlus כדי לקשר תצוגה מסורתית אל מעבד יישומים חדש ומתקדם יותר. לרבים מבין יישומי הבקרה התעשייתית נדרש מגשר כדי לחבר בין מעבד יישומים ותצוגה מסורתית באמצעות ממשק OpenLDI, מאחר שתצוגות בדרך כלל OpenLDI גדולות בהרבה מתצוגות MIPI. מעבד היישומים בתקן MIPI החדש מעביר נתונים להתקן CrossLinkPlus דרך חיבור D–PHY. ההתקן מעביר את הנתונים לתצוגה בתקן מסורתי באמצעות ממשק OpenLDI. באופן דומה, אפשר להשתמש במגשר CrossLinkPlus כדי ליצור חיבורים בין חישני תמונה שאינם בתקן MIPIלבין מעבד יישומים הפועל בתקן MIPI.
איור 6: בדוגמת יישום זו, מגשר CrossLinkPlus של Lattice מאפשר לבצע חיבור בין
תצוגה מסורתית לבין מעבד יישומים מודרני.
מסקנות
אנשי התכנון של ימינו, אשר מחפשים דרך חדשה להאיץ את הפיתוח של מערכות ראייה משובצות לא צריכים לחפש רחוק יותר מאשר CrossLinkPlus של Lattice. על ידי הוספת האפשרות לתכנות חוזר של התקני FPGA למערכות ראייה משובצות, המגשר CrossLinkPlus מאפשר לאנשי התכנון לזכות ביתרונות הבאים לידי ביטוי בעלות ובביצועים המוצעים על ידי התקני MIPI. ממשק D–PHY המוקשח מציע ביצועים מובילים בתעשייה, שעה שזיכרון ההבזק המשובץ שלו מאפשר קבלת ביצועי תצוגה שפועלים מיידית. הפעולה שלו בהספק נמוך ועקבת המעגל הקומפקטית שלו מסייעות לפשט את ניהול החום, ותמיכתו במערך של ממשקים מודרניים וממשקים מסורתיים מרחיבה למקסימום את גמישות התכנון. לבסוף, הספרייה המקיפה של CrossLinkPlus של נכסים אינטלקטואליים שעברו אימות מראש והניתנת בחינם, מאיצה את הפיתוח ומאפשרת לאנשי התכנון להשקיע זמן רב יותר בהתמקדות בחלק החשוב ביותר של התכנון שלהם – היתרון התחרותי שלהם.
