基於Intel(Altera)MAX10系列FPGA的設計案例簡述 

                                                                                                                                 作者：Hello,Panda於北京

       書接前回，不知大家是否還記得2015年公曆最後一天，熊貓君給大家推薦了Altera（當時的Altera還是Altera）的MAX10系列FPGA呢？三年後的今天，熊貓君想繼續展開聊聊，分享分享這三年裡實施過的或看到別人實施過的基於MAX10系列FPGA的應用方案，當然啦，這些應用還是主要集中在控制類、介面類領域，畢竟能力和定位在那裡。

     案例一：工業相機系統

       對一部分工業相機而言，前端最多的是實現影象Sensor採集（或許還有一些簡單預處理）和傳輸，演算法應用處理大多在計算機上，一般的方案架構如下：

                                                                           圖1  部分工業相機的架構圖

     （2）Sensor通常解析度不會太大，也有可能是Mono的，也有可能幀率較高，輸出介面則是五花八門，有可能是LVDS、Hispi、BT601/656/1120等等各種；配置匯流排介面則基本是SPI或IIC;通過FPGA邏輯實現資料接收和配置匯流排介面；

     （3）控制介面與計算機互動控制命令或狀態，控制命令有可能是設定相機、同步觸發等，物理層可能通過RS-232/422/485或者CAN匯流排等；通過FPGA IP資源實現控制介面；

     （4）這裡的資料介面輸出相機前端系統的資料到工業相機，物理層常用的有a)USB3.0，通常採用Cypress的轉接橋片，FPGA實現一個並行儲存匯流排邏輯；b）乙太網，一般會用UDP傳輸，要求高一些的會走一些握手協議，GigE Vision目前用的比較多，會利用FPGA IP資源來實現（當然GigE Vison IP並不免費，有人選擇花錢買第三方的，也有公司選擇自主開發）; c)CameraLink,這個大家都熟悉，工業相機用了好些年了；

    （5）有一些簡單預處理的，會選擇掛SRAM或DDR來快取，做一些類似於幾何拼接、壞點校正、簡單的降噪、增強或者Gamma之類的（有的用到18*18乘法器，看具體演算法）；

       實際上這裡選哪家的FPGA並沒有什麼特殊的優勢或者門檻，有用Xilinx或Altera Cyclon的，也有用Lattice的。我這裡想說的是，這幾年用MAX10的越來越多了。大家或許是基於下面的一些原因考慮的吧：

    （1）價效比因素：比Xilinx的便宜得多，就算是MAX10系列的器件和Lattice同規模的相比較價格也在同一個水平上，但是用起來會更方便、IP資源也多、社群生態也更豐富；

    （2）單電源3.3V或者雙電源（2.5V和1.2V）供電：這樣能極大的簡化電源方案，如果選用單電源3.3V的，基本上只要一個電軌就夠了；

    （3）內建Flash：無需再外接程式或資料儲存的Flash；

    （4）汽車認證：AEC-Q100認證，這對有些應用來說很重要。

   綜合來講，用MAX10系列器件能夠大幅的減少電路尺寸、節省BOM成本，但是也有一些缺點，主要集中在單電源供電的器件發熱稍大、部分器件的交期較長。

   案例二：電源控制

       在複雜的系統中往往有多個處理器或處理單元、模組，對掉電、上電和電源調節有特殊的要求，主要體現在時序和反饋調節上。在這裡使用CPLD太弱、使用其它FPGA太費，熊貓君看到用得比較多的是單電源供電的10M02（或者10M04，畢竟還是有一些邏輯需求在裡面），封裝一般用M153的（8mm*8mm）。主要實現的功能如下：

     （1）上電和掉電時序控制，這個簡單，GPIO輸出個高低電平OK；

     （2）反饋調節：用片上的SAR ADC取樣電壓或者電流資料，通過SMBUS對電源管理晶片進行實時調節(也有用DAC調節電源FB基準的)；

     （3）風扇控制：取樣溫度、PWM調節風扇轉速的；

     （4）有的還會和處理器建立一個通訊介面，一般是SPI或者IIC。

      用起來特別方便，一個3.3V電源，一片MAX10晶片搞定一切，佔的地方小，也便宜。

    案例三、電機控制

      電機控制這一塊兒的應用有用作控制步進電機的，也有用在BLDC（FOC）控制上的。

     （1）步進電機：比較簡單，就是一個根據輸入命令訊號生成相位脈衝，真的很簡單，主要還是用10M02的器件；

     （2）用作介面轉接的：主要是在BLDC（FOC）控制中取樣編碼器之類反饋器件的值，編碼器介面的協議眾多，FPGA採集到後經過濾波處理（有的用到18×18乘法器，看演算法）通過匯流排送到主處理器如TI的TMS320F28335/ TMS320F28069之類的專用的電機控制DSP上。對較為複雜的如多機械關節的地方，接入的編碼器路數可能還會比較多，這一塊兒主要還是用10M02和10M04的器件較多。

     案例四、影象介面

        一個是體現在其它介面與MIPI D-PHY之間的轉接上，監控和顯示領域用得比較多，早期主要是用的Lattice的方案（基本上自己沒法改動），現在也有一些用MAX10方案的：

       （1）監控領域：主要是做sensor的採集到主處理器MIPI介面輸入(早幾年TI的方案上也有轉並口BT1120的)，監控行業現在主要是和華為海思主處理器的MIPI D-PHY CSI介面對接；

       （2）顯示領域：主要是MIPI D-PHY DSI轉SDI（用第三方收發器晶片）、HDMI、LVDS用於中大型屏顯示的。

       這兩種應用大多會用10M25和10M40雙電源（單電源的LVDS工作速率要低）的器件。

       二個是一些特殊的應用，比如說模擬輸出的影象在前端又不能用較大面積電路的。如製冷型探測器的影象取樣：

       （1）傳統的辦法是分成2級或者3級：a）最前端是信號板，套在探測器的脖子上（業內人士清楚這種方式）； b）中間是AD板（這一級也有可能沒有，直接放到影象處理板上），主要進行ADC取樣，離信號板的距離相對近（因模擬訊號不適合遠距離傳輸，即使轉成差分的）；c）影象板：接收AD板取樣的訊號（或者是板上本來就有AD取樣電路）和紅外影象處理。這樣子帶來的不利影響是模擬訊號需要較長距離的線上傳輸，可能會帶來干擾或衰減，影響影象質量（這對紅外影象系統很重要）；電路多且分散，也會對可靠性帶來影響。

       （2）採用MAX10的方案，將低功耗ADC和信號板合併，實現模擬訊號傳輸路徑最優，轉成LVDS數字訊號抗干擾能增強。已知現有的主要是用M153封裝（8*8mm面積）的那顆料。

       另外還有一些其他介面的應用，比如說子母時鐘系統，對時碼輸出有秒對齊要求的，會用它來做介面板輸出串列埠、1X9或其他介面的時碼。

       總之呢，MAX10的器件在價效比、資源和易用性上還是很有優勢的。不過，就目前的國際形勢來看，中國還是需要有且必須有自己的真正能夠達到規模商用水平的FPGA，熊貓君期待那一天儘快到來。

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