Zynq UltraScale+ MPSoC-System på moduler för LiDAR

(Bildkälla: iWave Systems)

LiDAR har utvecklats till en viktig fjärranalysteknik för många vetenskapliga och militära tillämpningar. Tekniken ger högupplösta och exakta mätningar av 3D-strukturer, omvandlar enkelt de mottagna uppgifterna till 3D-kartor för att tolka omgivningen och förblir opåverkad även under svåra väder- och ljusförhållanden.

Anpassningsbarheten hos Zynq UltraScale+ MPSoC för att stödja LiDAR-teknik

Enheterna Zynq UltraScale+ MPSoC möjliggör en adaptiv SoC-baserad produktkonstruktion, vilket är mycket lovande för implementering av LiDAR-tillämpningar. Genom att integrera både processorn och FPGA-arkitekturen i en enda enhet kan en flexibel och samtidigt optimerad lösning för en given domän snabbt tas i bruk.

Programmerbarheten i FPGA ger stor flexibilitet vid utveckling av anpassade funktioner för produkten. FPGA har även potential att påskynda bearbetningen genom att använda parallellism på flera nivåer.

Serien Zynq UltraScale+ MPSoC kombinerar realtidsstyrning med mjuk- och hårdvarumotorer för grafik, video, vågform och paketbehandling. MPSoC-enheterna är därför tillräckligt kraftfulla och flexibla för att ge avancerade funktioner för LiDAR-sensorer: signalbehandling, förbehandling av punktmoln och acceleration av maskininlärning av punktmoln. MPSoC-enheterna Zynq är dessutom kända för att vara energieffektiva, vilket är avgörande för LiDAR.

Varför använda tillvägagångssättet SoM för att bygga LiDAR-produkter?

Att använda ett system på moduler för att bygga LiDAR-produkter ger betydande fördelar genom att man slipper flera komplicerade moment i konstruktionsfasen. En produktkonstruktör kan fokusera på att utveckla inbyggd programvara och programvarustackar genom att eliminera den komplicerade hårdvarudelen av konstruktionen. Detta förkortar tiden till marknaden betydligt, med minskade kostnader för produktutveckling.

System på moduler ger dessutom konstruktören en enorm skalbarhet och flexibilitet när denne ska övergå till en SoM med högre beräkningskapacitet utan att ändra konstruktionen av grundkortet.

Funktioner i Zynq MPSoC-system på modul för LiDAR

MPSoC SoM Zynq UltraScale+ innehåller den heterogena FPGA-arkitekturen Arm®+ och är en en robust kombination av bearbetningssystem och programmerbar logik.

• Bearbetningssystemet innehåller en fyrkärnig Arm Cortex®-A53 processor med en hastighet på upp till 1,5 GHz och en enhet för realtidsbearbetning utrustad med Arm Cortex-R5 processorer med en hastighet på upp till 600 MHz.
• Den programmerbara logiken baseras på 16 nm-arkitekturen UltraScale+ som innehåller upp till 504 K konfigurerbara logikblock, Block RAM och DSP-element.

Figur 1: Zynq UltraScale+ MPSoC SoM. (Bildkälla: iWave Systems)

Andra fördelar innefattar:

• Alla till alla-gränssnitt
• Verktygskedjor för konstruktion
• Bildbehandlingsfunktioner
• Accelererat neuralt nätverk
• Säkerhets- och skyddsfunktioner

Alla till alla-gränssnitt

Överensstämmelse med olika gränssnittsstandarder är en stor utmaning när det gäller gränssnitt och bearbetning av sensorer. En typisk lösning bör ha kapacitet att stödja höghastighetsgränssnitt som MIPI, JESD204B, LVDS och GigE för att stödja sensorer med hög bandbredd som kameror, RADAR och LiDAR. Gränssnitt och bearbetning av sensorer kommer också att krävas för att kunna koppla ihop dessa med sensorer med lägre bandbredd som använder standarder som CAN, SPI, I2C och UART:ar för accelerometrar.

Bearbetningssystemet och den programmerbara logiken i Zynq UltraScale+ MPSoC har stöd för en mängd olika industristandardgränssnitt som CAN, SPI, I2C, UART och GigE. Den programmerbara logikens I/O-flexibilitet möjliggör direkt gränssnitt med MIPI-, LVDS- och GigaBit Serial Links, som möjliggör högre nivåer av implementering av protokoll inom den programmerbara logiken.

Genom att tillhandahålla rätt PHY i hårdvarukonstruktionen gör den programmerbara logiken det möjligt att implementera vilket gränssnitt som helst, vilket ger en gränssnittsfunktion från alla till alla.

Verktygskedjor för konstruktion

Enheterna Zynq UltraScale+ levereras med Vivado Design Suite för att konfigurera designen av bearbetningssystemet och den programmerbara logiken. Vivado erbjuder en komplett utvecklingsupplevelse för programmerbar logik, inklusive stöd för syntes, placering och hopkoppling samt simulering.

Vitis blir aktuellt när det handlar om att utveckla programvarulösningar. Vitis stöder utveckling av inbyggda Linux med PetaLinux och realtidsoperativsystem som FreeRTOS.

Utöver systemutvecklingsfunktioner har Vitis stöd för kernel-acceleration i den programmerbara logiken med hjälp av OpenCL.

Bildbehandlingsfunktioner

Bildbehandling är avgörande i LiDAR-tillämpningar för navigering och övervakning. De algoritmer som används i dessa system skapas och modelleras vanligtvis i ramverk på hög nivå som OpenCV.

En enhet med en H.264/H.265 video-codec ingår i serien Zynq UltraScale+ MPSoC EV för att stödja bildbehandling.

Accelererat neuralt nätverk

Förutom bildbehandling är maskininlärning en viktig teknik för att utveckla automatiserade tillämpningar. Maskininlärning gör det lättare att klassificera objekt på motorvägen eller observera och övervaka passagerare.

För att möjliggöra detta tillhandahåller Viti AI Model Zoo, AI-kompilator, Optimizer, Quantizer och profilerare för att distribuera applikationen till processorenheten för djupinlärning.

Säkerhets- och skyddsfunktioner

Advanced Encryption Standard (AES) används för att skydda konfigurationen av Xilinx-enheter.

MPSoc-enheterna Zynq UltraScale+ implementerar ytterligare lösningar med säkerhetslager via enheten för konfigurationssäkerhet (CSU) i bearbetningssystemet. CSU har stöd för AES 256-GCM, 4096 RSA Multiplier och SHA-384, vilket ger sekretess-, autentiserings- och integritetsfunktioner.

Reaktionen på sabotage via den inbyggda systemövervakningen gör det möjligt för kunden att övervaka enhetens spänningar och kretstemperaturer i SoM.

Skalbarhet för iWave Zynq MPSoC SoM

iWave har ett omfattande sortiment av system på moduler för MPSoC-serien Zynq UltraScale+ från modellen ZU4 till ZU19. Modulerna är avsedda för en mängd olika branscher, inklusive avancerade industriella, militära och försvarsrelaterade branscher.

När det gäller konstruktion av logiktäthet, I/O-tillgänglighet, antal transceiverbanor och DDR-minne med hög hastighet, ger dessa system på moduler utmärkt skalbarhet för slutanvändare. Ett konstruerat grundkort kan därigenom omfatta flera I/O-portar för ett brett utbud av slutprodukter, från ZU4 med 192 K logikceller till ZU19 med upp till 1,1 M logikceller.