[FPGA] 基于Intel(Altera)MAX10系列FPGA的设计案例描述

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 楼主 | 2018-12-14 19:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 haoxingheng 于 2019-4-21 20:52 编辑

       基于Intel(Altera)MAX10系列FPGA的设计案例描述
本文作者:Hello,Panda

       书接前回,不知大家是否还记得2015年公历最后一天,熊猫君给大家推荐了Altera(当时的Altera还是Altera)的MAX10系列FPGA呢?三年后的今天,熊猫君想继续展开聊聊,分享分享这三年里实施过的或看到别人实施过的基于MAX10系列FPGA的应用方案,当然啦,这些应用还是主要集中在控制类、接口类领域,毕竟能力和定位在那里。
       案例一:工业相机系统
对一部分工业相机而言,前端最多的是实现Sensor采集(或许还有一些简单预处理)和传输,算法应用处理大多在计算机上,一般的方案架构如下:
新建 Microsoft Office Visio 绘图.jpg
图1  部分工业相机的架构图
    (1)如图1所示,核心是个FPGA(需要做预处理的可能会挂一片SRAM或者DDR),主要担负Sensor的配置与数据采集、与工控机的控制交互和图像数据上传等工作;
    (2)Sensor通常分辨率不会太大,也有可能是Mono的,也有可能帧率较高,输出接口则是五花八门,有可能是LVDS、Hispi、BT601/656/1120等等各种;配置总线接口则基本是SPI或IIC;通过FPGA逻辑实现数据接收和配置总线接口;
    (3)控制接口与计算机交互控制命令或状态,控制命令有可能是设置相机、同步触发等,物理层可能通过RS-232/422/485或者CAN总线等;通过FPGA IP资源实现控制接口;
    (4)这里的数据接口输出相机前端系统的数据到工业相机,物理层常用的有a)USB3.0,通常采用Cypress的转接桥片,FPGA实现一个并行存储总线逻辑;b)以太网,一般会用UDP传输,要求高一些的会走一些握手协议,GigE Vision目前用的比较多,会利用FPGA IP资源来实现(当然GigEVison IP并不免费,有人选择花钱买第三方的,也有公司选择自主开发); c)CameraLink,这个大家都熟悉,工业相机用了好些年了;
    (5)有一些简单预处理的,会选择挂SRAM或DDR来缓存,做一些类似于几何拼接、坏点校正、简单的降噪、增强或者Gamma之类的(有的用到18*18乘法器,看具体算法);
   实际上这里选哪家的FPGA并没有什么特殊的优势或者门槛,有用Xilinx或Altera Cyclon的,也有用Lattice的。我这里想说的是,这几年用MAX10的越来越多了。大家或许是基于下面的一些原因考虑的吧:
    (1)性价比因素:比Xilinx的便宜得多,就算是MAX10系列的器件和Lattice同规模的相比较价格也在同一个水平上,但是用起来会更方便、IP资源也多、社区生态也更丰富;
    (2)单电源3.3V或者双电源(2.5V和1.2V)供电:这样能极大的简化电源方案,如果选用单电源3.3V的,基本上只要一个电轨就够了;
    (3)内置Flash:无需再外接程序或数据存储的Flash;
    (4)汽车认证:AEC-Q100认证,这对有些应用来说很重要。
      综合来讲,用MAX10系列器件能够大幅的减少电路尺寸、节省BOM成本,但是也有一些缺点,主要集中在单电源供电的器件发热稍大、部分器件的交期较长。
       案例二:电源控制
      在复杂的系统中往往有多个处理器或处理单元、模组,对掉电、上电和电源调节有特殊的要求,主要体现在时序和反馈调节上。在这里使用CPLD太弱、使用其它FPGA太费,熊猫君看到用得比较多的是单电源供电的10M02(或者10M04,毕竟还是有一些逻辑需求在里面),封装一般用M153的(8mm*8mm)。主要实现的功能如下:
    (1)上电和掉电时序控制,这个简单,GPIO输出个高低电平OK;
    (2)反馈调节:用片上的SAR ADC采样电压或者电流数据,通过SMBUS对电源管理芯片进行实时调节(也有用DAC调节电源FB基准的);
    (3)风扇控制:采样温度、PWM调节风扇转速的;
    (4)有的还会和处理器建立一个通信接口,一般是SPI或者IIC。
     用起来特别方便,一个3.3V电源,一片MAX10芯片搞定一切,占的地方小,也便宜。
        案例三、电机控制
        电机控制这一块儿的应用有用作控制步进电机的,也有用在BLDC(FOC)控制上的。
   (1)步进电机:比较简单,就是一个根据输入命令信号生成相位脉冲,真的很简单,主要还是用10M02的器件;
   (2)用作接口转接的:主要是在BLDC(FOC)控制中采样编码器之类反馈器件的值,编码器接口的协议众多,FPGA采集到后经过滤波处理(有的用到18×18乘法器,看算法)通过总线送到主处理器如TI的TMS320F28335/ TMS320F28069之类的专用的电机控制DSP上。对较为复杂的如多机械关节的地方,接入的编码器路数可能还会比较多,这一块儿主要还是用10M02和10M04的器件较多。
        案例四、图像接口
        一个是体现在其它接口与MIPI D-PHY之间的转接上,监控和显示领域用得比较多,早期主要是用的Lattice的方案(基本上自己没法改动),现在也有一些用MAX10方案的:
      (1)监控领域:主要是做sensor的采集到主处理器MIPI接口输入(早几年TI的方案上也有转并口BT1120的),监控行业现在主要是和华为海思主处理器的MIPI D-PHY CSI接口对接;
      (2)显示领域:主要是MIPI D-PHY DSI转SDI(用第三方收发器芯片)、HDMI、LVDS用于中大型屏显示的。
       这两种应用大多会用10M25和10M40双电源(单电源的LVDS工作速率要低)的器件。
       二个是一些特殊的应用,比如说模拟输出的图像在前端又不能用较大面积电路的。如制冷型探测器的图像采样:
      (1)传统的办法是分成2级或者3级:a)最前端是信号板,套在探测器的脖子上(业内人士清楚这种方式); b)中间是AD板(这一级也有可能没有,直接放到图像处理板上),主要进行ADC采样,离信号板的距离相对近(因模拟信号不适合远距离传输,即使转成差分的);c)图像板:接收AD板采样的信号(或者是板上本来就有AD采样电路)和红外图像处理。这样子带来的不利影响是模拟信号需要较长距离的线上传输,可能会带来干扰或衰减,影响图像质量(这对红外图像系统很重要);电路多且分散,也会对可靠性带来影响。
      (2)采用MAX10的方案,将低功耗ADC和信号板合并,实现模拟信号传输路径最优,转成LVDS数字信号抗干扰能增强。已知现有的主要是用M153封装(8*8mm面积)的那颗料。
实物图片.jpg

       另外还有一些其他接口的应用,比如说子母时钟系统,对时码输出有秒对齐要求的,会用它来做接口板输出串口、1X9或其他接口的时码。
       总之呢,MAX10的器件在性价比、资源和易用性上还是很有优势的。不过,就目前的国际形势来看,中国还是需要有且必须有自己的真正能够达到规模商用水平的FPGA,熊猫君期待那一天尽快到来。感兴趣的同行欢迎加入QQ群:300148644进行进一步的技术交流!
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 楼主 | 2018-12-14 20:23 | 显示全部楼层
初次发帖,请多多指教!

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haoxingheng 2018-12-17 12:41 回复TA
@cdlbzh :感谢回复,多多沟通! 
cdlbzh 2018-12-14 21:20 回复TA
谢谢指导。 
| 2018-12-17 18:22 | 显示全部楼层
写的很好!

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haoxingheng 2018-12-18 14:04 回复TA
都是些研发琐事儿,您缪赞了! 
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