Moduły SOM (system-on-module) MPSoC Zynq UltraScale+ dla technologii LiDAR

(Źródło ilustracji: iWave Systems)

LiDAR stała się ważną technologią teledetekcji dla wielu zastosowań naukowych i wojskowych. Zapewnia wysoką rozdzielczość i dokładne pomiary konstrukcji trójwymiarowych, łatwo konwertuje otrzymane dane na trójwymiarowe mapy w celu zinterpretowania otoczenia i nie poddaje się wpływom trudnych warunków pogodowych i oświetleniowych.

Możliwość dostosowania modułu SOM (system-on-module) MPSoC Zynq UltraScale+ do obsługi technologii LiDAR

Urządzenia MPSoCZynq UltraScale+ umożliwiają tworzenie adaptacyjnych projektów produktów w oparciu o układy SoC, co jest niezwykle obiecujące w przypadku implementacji zastosowań w technologii LiDAR. Integracja zarówno architektury procesora, jak i bezpośrednio programowalnej macierzy bramek (FPGA) w jednym urządzeniu pozwala na szybkie wdrożenie elastycznego, a jednocześnie zoptymalizowanego rozwiązania do dowolnego zastosowania.

Możliwość programowania macierzy FPGA zapewnia dużą elastyczność w rozwijaniu niestandardowych możliwości produktu. Ponadto bezpośrednio programowalne macierze bramek (FPGA) przyspieszają przetwarzanie dzięki zastosowaniu równoległości wielopoziomowej.

Seria urządzeń MPSoC Zynq UltraScale+ łączy sterowanie w czasie rzeczywistym z programowymi i sprzętowymi aparatami do przetwarzania grafiki, wideo, przebiegów i pakietów danych. W rezultacie urządzenia MPSoC są wystarczająco wydajne i elastyczne, aby zapewnić zaawansowane możliwości dla czujników wykorzystujących technologię LiDAR: przetwarzanie sygnałów, wstępne przetwarzanie chmury punktów i przyspieszenie uczenia maszynowego z chmury punktów. Ponadto urządzenia Zynq MPSoC są dobrze znane ze swojej sprawności energetycznej, która ma kluczowe znaczenie dla technologii LiDAR.

Dlaczego warto używać podejścia modułów SOM (system-on-module) do budowania produktów wykorzystujących technologię LiDAR

Zastosowanie podejścia wykorzystującego moduły SOM (system-on-module) do budowania produktów z technologią LiDAR zapewnia znaczące korzyści poprzez zniwelowanie kilku utrudnień związanych z cyklem projektowania. Projektanci produktów mogą skupić się na opracowaniu oprogramowania układowego i stosów oprogramowania, eliminując skomplikowaną sprzętową część projektu. Znacznie skraca to czas wprowadzania produktu na rynek i obniża koszty rozwojowe produktu.

Ponadto moduły SOM (system-on-module) zapewniają projektantom ogromną skalowalność i elastyczność podczas migracji na model o większej mocy obliczeniowej bez zmiany konstrukcji płytki nośnej.

Charakterystyka modułu SOM (system-on-module) MPSoC Zynq dla technologii LiDAR

Moduł SOM (system-on-module) MPSoC Zynq UltraScale+ charakteryzuje się architekturą heterogeniczną Arm® + FPGA oraz stanowi potężną kombinację systemu przetwarzania (PS) i logiki programowalnej (PL).

• System przetwarzania zawiera czterordzeniowy procesor Arm Cortex®-A53 działający z częstotliwością do 1,5GHz oraz jednostkę przetwarzania w czasie rzeczywistym z procesorami Arm Cortex-R5 działającymi z częstotliwością do 600MHz
• Logika programowalna oparta na architekturze 16nm UltraScale+ zawiera konfigurowany blok logiczny o maks. pojemności 504K, blok pamięci RAM i elementy cyfrowego procesora sygnałowego (DSP)

Ilustracja 1: moduł SOM (system-on-module) MPSoC Zynq UltraScale+. (Źródło ilustracji: iWave Systems)

Pozostałe korzyści to:

• Wzajemna kompatybilność różnych typów interfejsów
• Łańcuchy narzędziowe projektowania
• Możliwości przetwarzania obrazu
• Akcelerowana sieć neuronowa
• Funkcje bezpieczeństwa i zabezpieczeń

Wzajemna kompatybilność różnych typów interfejsów

Zapewnienie zgodności z różnymi normami dotyczącymi interfejsów jest poważnym wyzwaniem, jeśli chodzi o łączenie czujników i przetwarzanie pozyskanych z nich danych. Typowe rozwiązanie powinno mieć możliwość obsługi szybkich interfejsów, takich jak MIPI, JESD204B, LVDS i GigE w celu obsługi czujników o dużej przepustowości, takich jak kamery, czujników w technologii RADAR i LiDAR. Połączenie z czujnikiem i przetwarzanie pozyskanych z niego danych jest również wymagane dla współpracy z czujnikami o mniejszej przepustowości, które wykorzystują standardy takie jak CAN, SPI, I2C oraz UART dla przyspieszeniomierzy.

System przetwarzania oraz logika programowalna w układzie MPSoC Zynq UltraScale+ obsługują wiele interfejsów zgodnych ze standardami branżowymi, takich jak CAN, SPI, I2C, UART i GigE. Elastyczność wejść-wyjść logiki programowalnej umożliwia bezpośrednią współpracę z łączami szeregowymi MIPI, LVDS i Gigabit, co pozwala na wyższy poziom implementacji protokołu w obrębie logiki programowalnej.

Dzięki zapewnieniu prawidłowej warstwy fizycznej (PHY) w projekcie sprzętu, logika programowalna umożliwia wdrożenie dowolnego interfejsu, a w efekcie wzajemną kompatybilność różnych typów interfejsów.

Łańcuchy narzędziowe projektowania

Urządzenia Zynq UltraScale+ są dostarczane z pakietem do projektowania Vivado pozwalającym na konfigurację projektów systemu przetwarzania (PS) i logik programowalnej (PL). Pakiet Vivado stanowi kompletne środowisko rozwojowe dla logiki programowalnej, zapewniając wsparcie w zakresie jego syntezy, lokalizacji i trasy, a także symulacji.

Jeśli chodzi o opracowywanie rozwiązań programowych, na scenę wkracza Vitis. Oprogramowanie Vitis wspomaga tworzenie linuksowych systemów wbudowanych przy użyciu systemu PetaLinux i systemów operacyjnych czasu rzeczywistego, np. FreeRTOS.

Oprócz możliwości opracowania systemu, oprogramowanie Vitis obsługuje akcelerację jądra w obrębie logiki programowalnej przy użyciu standardu OpenCL.

Możliwości przetwarzania obrazu

Przetwarzanie obrazu ma kluczowe znaczenie w rozwiązaniach do nawigacji i monitorowania wykorzystujących technologię LiDAR. Zazwyczaj algorytmy stosowane w tych systemach są tworzone i modelowane w środowiskach wysokiego poziomu, takich jak OpenCV.

Na potrzeby obsługi przetwarzania obrazu, serię urządzeń MPSoC EV Zynq UltraScale+ wyposażono w kodek wideo H.264/H.265.

Akcelerowana sieć neuronowa

Uczenie maszynowe jest obok przetwarzania obrazu kluczową technologią w tworzeniu rozwiązań zautomatyzowanych. Uczenie maszynowe pomaga w klasyfikacji obiektów na autostradzie lub obserwowaniu i monitorowaniu pasażerów.

Aby umożliwić korzystanie z takich funkcji, oprogramowanie Vitis AI oferuje narzędzia takie jak Model Zoo, kompilator sztucznej inteligencji, optymalizator, kwantyzator i profiler do wdrażania aplikacji w jednostce przetwarzającej do głębokiego uczenia.

Funkcje bezpieczeństwa i zabezpieczeń

Zaawansowany standard szyfrowania (AES) służy do zabezpieczania konfiguracji urządzeń Xilinx.

Urządzenia MPSoC Zynq UltraScale+ dodatkowo wdrażają warstwowe rozwiązania bezpieczeństwa za pośrednictwem jednostki zabezpieczeń konfiguracji (CSU) w systemie przetwarzania (PS). Jednostka zabezpieczeń konfiguracji (CSU) obsługuje tryby szyfrowania AES 256-GCM, 4096 RSA Multiplier oraz SHA-384, oferując poufność, szyfrowanie i funkcje zapewnienia integralności danych.

Reagowanie na nieautoryzowaną ingerencję w postaci wbudowanego monitora układu umożliwia klientowi śledzenie napięć urządzenia i temperatur struktur w module SOM (system-on-module).

Skalowalność modułu SOM (system-on-module) MPSoC Zynq firmy iWave

Firma iWave oferuje szeroką gamę modułów SOM (system-on-module) do układów MPSoC z serii Zynq UltraScale+, od wersji ZU4 do ZU19. Moduły te są wykorzystywane w różnych dziedzinach, na przykład w zaawansowanym przemyśle, wojskowości i obronności.

Jeśli chodzi o gęstość logiczną, dostępność wejścia-wyjścia, liczbę torów nadajniko-odbiornika i architekturę pamięci DDR wysokiej szybkości, omawiane moduły zapewniają doskonałą skalowalność zastosowań końcowych. W związku z tym projektowana płytka nośna może być wyposażona w wiele portów wejścia-wyjścia, z myślą o szerokiej gamie produktów końcowych, począwszy od wersji ZU4 zawierającej 192 tys. komórek logicznych, a skończywszy na ZU19 zawierającej nawet 1,1 miliona komórek logicznych.