构建更好的视频桥接解决方案

构建更好的视频桥接解决方案

投稿人：Digi-Key's North American Editors
2017-01-24
嵌入式系统开发人员正在利用移动处理器的创新、广泛接纳的 MIPI 标准接口，以及新一代低成本图像传感器和显示器，构建高性能低成本的产品， 但仍然需要解决许多挑战。
随着性能的快速提升，如何预测所需的接口类型和数量？ 如何在利用这些处理器具备的创新特点的同时，又保留对传统显示器和/或图像传感器巨大投入的价值？ 如何快速、低成本地桥接不同接口类型，确保设计成功？
本文将介绍与迁移到新接口和桥接新旧设备相关的影响和设计问题，并介绍一些可行的解决方案和应用方法。
桥接新旧视频接口
人们对创新的低成本视频桥接解决方案的需求正与日俱增。 例如，构建监控系统、无人机或 DSLR 摄像头的设计人员想要利用上热门移动应用处理器 (AP) 的最新创新。 为此，他们通常必须将信号从专有的传统图像传感器接口转换到大多数 AP 上采用的移动 MIPI CSI-2 图像传感器接口。
如果设计人员构建的是下一代虚拟现实 (VR) 耳机，则需要对来自单个 MIPI DSI 接口的视频进行转换并拆分到两个 MIPI DSI 显示器上。 这样不仅提升了系统性能，同时产品沉浸效果更强（图 1）。 如果 AP 仅提供单个 DSI 接口或其中一个可用接口已经专门用于其他功能，如何向这些新兴应用提供支持呢？

Lattice Semiconductor CrosslLink MIPI DSI displays
图 1：视频桥接解决方案可用于在传统应用处理器上扩展端口数量，或提高带宽及整体性能。 （来源：Lattice Semiconductor）
同样，人机接口 (HMI) 解决方案或智能显示器的开发人员可能也希望保留对工业级显示器巨大投入的价值。 但要做到这一点，他们必须从 OpenLDI/LVDS 或专用接口桥接到移动 AP 上的 CSI-2 接口。
有时候，可能需要将多个视频流汇总到一个更大的帧输出，从而创建深度感知或增强现实系统。 这时候，就需要一个位于摄像头传感器和图像处理器之间的桥接解决方案，可及时地在同一个点捕捉多个 CSI-2 输出并实现最小延时。 这就需要通用引脚控制。 多个合成的视频流也需要共享同一个时钟，且在某些情况下，可能需要单独的上电程序。 要实现每个功能，就需要可轻松定制的 I/O。
MIPI 移动处理器的应用甚至已经深入到了传统工业应用，例如汽车制造业。 随着汽车电子设备和摄像头数量的不断增长，汽车的高级辅助驾驶系统 (ADAS) 和信息娱乐子系统需要更多的视频桥接功能。
摄像头最初开发用于帮助驾驶员在倒车时进行观察，现在制造商利用摄像头可提供车辆的全方位视角。 例如，一些汽车制造商正在用摄像头取代后侧镜，从而减少空气阻力并提高燃料效率。 设计人员构建的视频桥接解决方案使制造商能够汇总多个图像传感器的数据并将其通过单个 CSI-2 接口传输到 AP。
通用开关
为了解决基础桥接解决方案的需求，设计人员一般会使用通用型开关。 Texas Instruments 的 HD3SS3212 是通用 2 通道多路复用器/解复用器无源开关的典型实例，用于在电路板上两个位置之间发送信号（图 2）。 该器件兼容 MIPI DSI/CSI、FPDLinkII、LVDS 和 PCIE Gen IIII 标准，支持高达 10 Gbps 的数据速率。
Texas instruments’ HD3SS3212 2-channel mux/demux passive switch
图 2：Texas instruments HD3SS3212 2 通道多路复用器/解复用器无源开关功能框图，可用于在电路板上发送信号，速率高达 10 Gbps。 （来源：Texas Instruments）
设计人员可将该器件用于任何需要 0 至 2 V 共模电压范围和 1800 mVPP
差分幅值的接口应用。 自适应跟踪可确保通道在整个共模电压范围内保持不变。
HD3SS3212 附带多种工具和支持软件，包括用于 USB Type-C Minidock 板的评估模块和评估板，以及带视频和充电支持的参考设计。
可编程解决方案
解决该问题的另一个方法是使用半定制或定制视频桥接解决方案。 但这些解决方案通常专注于适用范围相对狭窄的应用，有着较长的开发周期和较高的非经常性工程 (NRE) 成本，ASIC 就是一个典型。
为了弥补通用和定制视频桥接解决方案之间的差距，视频桥接器件需要结合设计灵活性和较短 FPGA 开发周期，以及特定应用型标准产品 (ASSP) 的功能性能。 针对这些特性，我们不妨了解下 Lattice Semiconductor CrossLink LIF-MD6000 Master Link 评估板及其可编程 ASSP (pASSP)（图 3）。 CrossLinkIF-MD6000 随该评估板提供，在 Lattice 的 Diamond 设计软件中充当空闲 IP。 每个 pASSP 通过移动 FPGA 结构包围着两个 MIPI D-PHY 硬块。 器件上每个 MIPI D-PHY 块均具有多达四个数据通道和一个时钟，用于支持传输和接收（Tx 和 Rx）。 D-PHY 传输高达 4K 超高清分辨率，速率为12 Gb/s。 两组可编程 I/O 支持多种接口和协议，包括 MIPI D-PHY、MIPI CSI-2 和 MIPI DSI，以及 CMOS、RGB、MIPI DPI、MIPI DBI、subLVDS、SLVS、LVDS 和 OpenLDI。
相邻的 FPGA 结构包含 5,936 LUT、180 Kb 的块 RAM，以及 47 Kb 的分布式 RAM。 LUT 沿可编程功能单元 (PFU) 中的专用寄存器分布，用作逻辑、算 术、RAM 和 ROM 功能的基础构件。 可编程路由网络连接 PFU 块。
Lattice Semiconductor CrossLink LIF-MD6000 Master Link board
图 3：CrossLink LIF-MD6000 Master Link 评估板能让您快速开发定制视频接口解决方案并通过 Lattice 的 Diamond 软件配置 CrossLink IP。 （来源：Lattice Semiconductor）
各列带可编程 I/O 组的 sysMEM 嵌入式块 RAM (EBR)、嵌入式 I2
C 和嵌入式 MIPI D-PHY 散布在 PFU 列之间。 通过 Lattice 的 Diamond 设计软件可配置 PFU 块并对每个设计进行布线。
配置和设置过程有多种支持工具和软件供选择。 除了桥接器件，LIF-MD6000 Master Link 评估板还向 FTDI 添加了 Mini USB B 型连接器，使用 SPI 将 FTDI 添加至 CrossLink 电路，使用 JTAG 和 GPIO 资源将 FTDI 添加至 X03LF 器件 。 同时您还可以浏览多个演示、可选 Tx/Rx 链路板的信息和其他说明文档。 套件还包括两个接口板、LIFMD-IOL-EVN SMA IO 连接接口板和一个分线 IO 链路板。 此外，LIF-MD6000 Raspberry Pi 开发板包括了一个参考设计和 CrossLink 软 IP，以便将两个 Raspberry Pi 图像传感器连接到一个 Raspberry Pi 处理器板。
为简化和加快开发，Lattice Semiconductor 为四种常见的视频桥接解决方案提供预先设计好的软 IP 模块。 第一种解决方案展示的是如何桥接多个 CSI-2 图像传感器到单个 CSI-2 输出（图 4）。 这种解决方案适用的应用包括设计中的 AP 未提供支持图像传感器输入数量的足够接口，或图像传感器和成像数据之间存在处理延时的情况。
Two Lattice MIPI CSI-2 image sensors used to create depth perception
图 4：预配置软 IP 为设计人员提供了一个简化的解决方案，用于将创建深度感知的两个 MIPI CSI-2 图像传感器的输入转换为图像处理器上的单个 MIPI CSI-2 接口。 （来源：Lattice Semiconductor）
第二种解决方案专注于 1:2 和 1:1 DSI 显示接口桥接。 这种 IP 目标针对上升的带宽要求超出显示能力，而处理器持续提供高性能接口功能的应用环境。 通过将旧显示器替换为新显示器，您可以在升级设计的同时保留巨大的 AP 投入。 这种桥接方式还可将单个源的输出扩展为两个 DSI 显示器，而非一个。
第三种示例解决方案提供了使用 LIF-MD6000 器件时 CMOS 到 MIPI D-PHY 接口桥接的关键 IP。 虽然 MIPI D-PHY 最初是开发用于解决智能手机中摄像头和显示器的互连问题，但是现在许多处理器和显示器仍然使用 RGB、CMOS 或 MIPI D-PHY 接口。 在带有 RGB 接口的处理器和带有 MIPI DSI 接口的显示器之间，或 者是带有 MOS 接口的摄像头和带 CSI-2 接口的处理器之间，该解决方案可充当桥接器。
第四种摄像头接口桥接器解决了 AP 和早期图像传感器之间不匹配的问题。 虽然现在许多 AP 使用 MIPI CSI-2 接口，一些高分辨率的图像传感器则使用专用的次 LVDS 输出格式。 这种桥接器解决了这两种接口类型之间不兼容的问题。 该桥接器还可用于 LVDS、CSI-2、HiSPi 以及其它格式的相互转换。
总结
随着设计人员越来越多地将最初为移动手持设备开发的元器件用于更多的应用，他们常常遇到系统中的设备无法直接相连的情况。 有时，AP 上的接口类型或数量与系统的图像传感器或显示器不匹配。
对于一些基础的多路复用器/解复用器应用，现成的标准模拟开关可能就能满足需求。 但随着设计人员执行一些更加复杂的桥接任务，如转换不兼容的接口、组合多个视频流、或将视频流拆分至多个接口，基于 FPGA 的可编程桥接解决方案则具有多项优势。
首先，这些解决方案能够让您利用旧有设备的现有投入，即使您将设计迁移到新的 AP 以及 MIPI 接口的图像传感器和显示器时仍然适用。 其次，通过实现不同接口的多种设备之间的桥接，这些桥接解决方案使您可以选择更多种类的元器件。 最终，您可以实现更大的设计灵活性。 Digi-Key Electronics - Electronic Components Distributor

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