走在剃刀细线：平衡嵌入式系统的功耗和性能

小型化是当今大多数嵌入式系统的关键特性。每个人都希望口袋里有更多的计算能力。大多数基于FPGA的嵌入式系统也遵循相同的趋势。消费者需要更小的工业和专业摄像头、医疗手持设备、更小的可编程逻辑控制器 （PLC） 和汽车中的驾驶员辅助模块。小型化也带来了额外的挑战——最大的挑战可以浓缩为一个术语，即“节能性能”。通常，如果系统性能提高，其功耗也会提高，这反过来又会增加散热。在较小的模块中，散热是设计人员每天都要应对的令人头疼的系统。冷却模块以使其能够在散热受限的环境中运行通常会成为性能的瓶颈。

这篇博文重点介绍了现场可编程门阵列（FPGA）如何通过为每个行业的许多新的大批量应用提供高能效性能来实现下一代技术革命。小型摄像头可用于许多不同的事情，例如运行人工智能算法通过无人机图像引导农民，在零售连锁店中提供视频分析，计算运输中的乘客，以及在收费站读取车牌。在医疗领域，便携式超声机正在使该领域的护理服务民主化。内窥镜和手术辅助智能眼镜为医生提供比以往任何时候都更高分辨率的图像。旨在保护边境免受入侵者的基于热成像的监控系统也变得越来越智能。这些系统通常部署在远程位置，必须在保持隐藏的同时自主运行。

即使是业余内容创作者也在推动对基于 FPGA 的流视频转换器的需求，因为他们需要选择在 HDMI、SDI、USB 或 PCIe 等任何格式之间转换 4K 视频流。

工业自动化还受益于基于 FPGA 的架构的灵活性以及 Microchip FPGA 超过 20 年的使用寿命。如今，汽车中的驾驶员辅助系统可确保驾驶员和乘客在汽车中的安全。

FPGA架构已经走了很长一段路。从在性能和功耗之间进行选择，到仅用作昂贵的ASIC的原型平台，FPGA现在被认为是主流，提供高度可靠和成本优化的架构，以及灵活易用的软件。

让我们来看看PolarFire FPGA或PolarFire® SoC及其硬化的RISC-V处理器系统发挥至关重要作用的各种示例用例。

1） 专业无人机

专业无人机对飞行安全有严格的要求：

精确控制和定位，包括防撞

安全的通信和控制频率

可预测的飞行时间

为了在大型无人机市场取得成功，无人机制造商需要通过提供高分辨率成像和人工智能等附加功能来区分自己。无人机通常需要多个传感器，对传感器数据进行预处理或融合，并通过无线连接传输数据，使其成为复杂的系统。

应用范围非常广泛，包括监测农业中的作物健康和生长状态、物体检测以及警务、军事或消防部门或警察紧急情况下的远程判断中的潜在跟踪。

飞行控制电子设备必须能够在尺寸、重量和功率受限的环境中处理电机控制和旋翼速度，与传感器交互并与远程设备连接。

此类系统的框图可能类似于以下内容：

利用灵活的FPGA架构，电机由磁场定向控制（FOC）算法驱动，由于FPGA的性能，控制可以时域多路复用。多个电机由一个通用电机控制 IP 控制，电机的确切数量取决于所选的 FPGA 架构。

FOC的高精度允许电机上的恒定扭矩，从而更平稳地运行，振动更少，噪音产生更少，最重要的是，与使用简单微控制器的标准电机控制器相比，飞行时间延长了约10%或更多。

用于支持机器视觉等增强功能的其他接口（如视觉、运动或红外传感器）需要仔细考虑，并且历来需要专业知识。Microchip的VectorBlox™ SDK和矩阵处理器IP可帮助新手FPGA开发人员在FPGA结构中部署复杂的神经网络算法。这允许以非常低的功耗封装进行分类或检测。在这个加速器-IP上运行的神经网络是使用TensorFlow或Caffe等标准框架设计的。

所有结果都缓冲在本地板载存储器中，然后传输到板载无线模块。这与接收收集的数据以供存储和进一步使用的操作员进行通信。PolarFire 设备的一流安全功能可保护传输的数据和无人机本身免受未经授权的访问。

由于复杂的无人机架构需要多个应用领域、电机控制、飞行控制和成像，使用 FPGA 可以同时实现各个“任务”的并行运行。

专业无人机系统通常需要在 5 瓦或更低的紧张功率预算下运行。使用 PolarFire FPGA 管理多个应用，预计 FPGA 的功耗（包括神经网络的运行）将低于 1.5 W。

2） 便携式超声波

由于小型化的驱动力，加上高能效的边缘计算资源和增强的散热考虑，低功耗医学成像创新正在突飞猛进地发展。领先的是即时诊断，例如便携式超声设备，包括手持式换能器、读取超声数据并将其发送到标准智能手机。传输可以通过简单的电缆或无线方式进行。这些系统正在彻底改变和民主化事故现场事故现场急救人员的诊断能力，并帮助医疗专业人员在传统医院环境之外做出诊断决策。

以下框图显示了一个示例实现：

在手持式医疗设备中利用 PolarFire FPGA 可提供最低的总系统功耗，从而实现高效的散热，并保持换能器头冷却，允许直接接触皮肤。这些效率在仅 11x11 mm² 的紧凑封装尺寸中延长了运行时间，支持非常小的探头外壳。

3） 视频转换器

另一个灵活性与低功耗和小物理占用空间相结合至关重要的领域是视频转换器领域。高性能专业相机通常提供单个数据接口，从而限制了支持该特定接口的后处理设备的选择。视频转换器提供了与多个接口标准的桥梁，从而可以灵活地选择后处理设备。由于众多千兆位收发器支持多协议，支持高达 12.7 Gbps 的优化线速，支持 HDMI、CoaXPress®、SDI 和以太网协议，因此性能不会受到影响。转换器外形紧凑，不再需要散热器和风扇。基于PolarFire技术的视频转换器估计需要不到两瓦的功耗。

下面是一个视频转换器设计示例：

4） 工业自动化

以两种不同的用例为例，工业相机和可编程逻辑控制器（PLC）。

工业相机通常需要高帧率、高分辨率和小尺寸，这使得热成像设计成为一项挑战。得益于优化的封装布局和高效的热特性，可以轻松应对这一挑战。低静态功耗使器件保持低温，从而增强了热管理设计考虑因素。分辨率不受影响，MIPI CSI-4接收器接口本地支持高达60.2 Gbps/线路，可以轻松处理高达1K和5帧/秒的图像数据。

尽管作为一个完整的系统，PLC在物理上更大，但它与相机一样受到空间和功率的限制。

这些基于机架的系统是模块化的，允许最终用户定制他们的系统并提供标准机箱宽度。处理性能仍然是支持工业以太网、人机界面、电机/驱动器控制和实时操作系统 （RTOS） 的必要条件。

下图显示了此类系统的通用框图，映射到PolarFire SoC，这是第一个基于四核RISC-V处理器构建的FPGA-SoC。PolarFire SoC 原生支持非对称多处理 （AMP），以及向各个处理器固定、细粒度分配缓存方式。这种原生 AMP 支持允许多任务处理。例如，可以为工业以太网协议栈分配单个处理器内核，而第二个内核可以运行 Linux 操作系统。相应的缓存是固定的，Linux 与其他硬件资源分离。此外，其他两个可用内核可用于处理电机控制或逆变器所需的算法。

同样，低功耗在保持叶片模块内部电子元件的低温方面起着重要作用，即使在环境温度为60°C等具有挑战性的热环境中也是如此。

工业自动化涵盖了广泛的应用和要求。工业产品中常见的是需要提供20年或更长时间的设备支持和可用性。Microchip完全致力于满足这一长寿命要求，并通过强大的“供应保证”计划提供支持。

5） 汽车

当今汽车市场中的许多不同的应用都需要FPGA的灵活性，从LIDAR、成像雷达或摄像头等传感器到更隐藏的功能，例如通过高压驱动器实现高精度和紧密同步的电动机驱动。一个新兴的应用是使用摄像头进行碰撞警告。这些摄像头允许通过向驾驶员反馈来检测危险情况，或者还可以直接控制车辆，例如自动激活制动器。这些系统对功能安全、安保和低延迟处理有很高的要求，并能够在发动机热量和阳光引起的高温环境中可靠运行。

下图显示了使用 PolarFire MPF050T 的系统设置，安全元件以黄色绘制，安全元素以绿色绘制：

集成的安全非易失性存储器 （sNVM） 允许存储车队密钥，以便在车辆网络中的摄像头模块内进行身份验证。接收到的图像帧使用FPGA的并行特性在流模式下进行处理，并额外提供额外的安全信息，如帧数和CRC，以实现通信的端到端保护。图像数据的流处理避免了使用内存中“冻结图像”的危险，并允许以固定的执行时间进行处理，直接转化为系统做出反应的更多时间。根据确切的OEM要求，FPGA还提供了所需的灵活性，以支持与各种已建立的专有串行器的接口。

所有应用程序共有，但上面未详述的是将成功产品推向市场的业务驱动因素。要考虑如何降低风险，同时领先于竞争对手的客户，并在实现利润的同时优化系统成本，需要仔细考虑您的系统架构和供应合作伙伴。全面的Microchip产品组合提供了全面的系统解决方案合作伙伴关系。受益于关键组件和参考设计解决方案，以降低开发风险和组件数量。设计人员还可以节省时间和金钱，因为解决方案经过交叉功能验证，并在许多情况下提供保修。

审核编辑：郭婷