SoC FPGA异构芯片在智能家电领域的差异化设计

智能家电的发展需求

随着技术的进步和信息化程度的提高，人们对智能家电的要求也越来越高。智能家电产品在升级进阶的过程中，针对家电产品的技术方面，包括电机运动控制、HMI的可视化控制、远程无线控制等诸多方面的多元化应用都有了高层次的需求。

多集成强算力SoC FPGA助力AIoT快速发展

在AIoT时代，智能家电的主控IC将不再只是负责核心控制，而是需要融合推理和运算等AI能力，更将图像分析、生物识别等多种人工智能算法融入家电领域，已经成为智能家电产品发展的必然趋势之一。

新一代SoC FPGA凭借其强大的并行处理数据的能力和实时性的特点在AIoT领域发挥着独特的作用。随着集成电路的发展，SoC FPGA的性能不断提高，同时较为先进的控制理论和控制算法的成熟，使得BLDC变频电机等运动控制的应用越来越广泛，各种先进的控制算法可以通过SoC FPGA中FPGA部分高效实现。图像处理方面，相比使用单一MCU或CPU，FPGA能够达到较高的实时性，可以进行实时流水线运算。在深度神经网络方面，FPGA对卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）和较复杂的并行神经网络算法的加速具有一定的优势。

在人机交互界面（HMI）方面，相比之前用低主频/小存储的单一MCU实现方案，基于强大处理能力的SoC FPGA异构芯片能够帮助客户快速实现定制化且精美的人机图形界面。

目前较为流行的嵌入式图形库包括：LVGL（Little VGL）emWinQT和TouchGFX等，比较而言，LVGL界面更加精美，支持更多图形控件，更重要的是消耗资源少，是一款轻量级的GUI工具。LVGL对硬件和开发环境有如下要求：

应用于16、32或64位微控制器或处理器；

Flash大于64kB，RAM大于8kB（最小内存64kB Flash，8kB RAM）；

推荐主频大于16MHz的微控制器；

LVGL的图形缓冲区大于水平分辨率像素；

使用C编写以获得最大兼容性（兼容C++）；

需要C99或者更新的编译器。

SoC FPGA异构芯片在智能家电领域的优势

结合现代智能家电的发展和应用需求，一方面需要对电气做出快速、精准的控制，另一方面又要为消费者提供优质的人机交互界面（HMI），本文介绍的HME SoC FPGA异构芯片在性能、功耗、计算速度、人机交互处理等方面均具有一定的优势。这类新型的异构芯片更适用于新需求下智能家电领域的解决方案。

HME-M7的特点

HME-M7系列芯片是自主研发的国产SoC FPGA，集成了ARM Cortex-M3内核和高性能FPGA，采用高达12K容量的新型LP结构，优化了FPGA与Cortex-M3内核的通信接口。设计者可根据设计需求在FPGA上实现不同类型接口，如：USB2.0 Host/Device接口、PCI（33M/66M）接口、AHB2APB Bridge接口、SDR SDRAM Controller接口、FIFO/AHB接口、FIFO接口、AHB接口、EMB接口等，M7系列芯片将FPGA、CPU、SRAM、ASIC、Flash以及模拟单元等功能模块集成在单一芯片上，不仅极大地降低了工程师的设计难度，有效减小了所需要的板间面积，还成功降低了系统成本，具备超高的系统性价比。

在智能家电方案中，该芯片可利用硬件描述语言Verilog进行电气控制各个模块的编写，同时通过内嵌的Cortex-M3内核进行HMI方案的整体设计。表1是不同型号的HME-M7系列芯片的具体参数，由于HMI的开发需要较大的FramBuffer来缓存图像数据，M7M12N5型号配置有64Mb的SDRAM可用作图像的FramBuffer。此外，还配有11,520个LUT（Look-Up-Table查找表），7,680个寄存器，EMB（Embedded Memory Block内嵌存储模块）容量最大值为648Kb；在SRAM（Static Random Access Memory）方面，Instruction区有128KB，Data区有64KB，4路PLL（Phase-Locked-Loop），1个Cortex-M3内核，3路UART，2路SPI，用户I/O有310个，结合以上资源情况M7M12N5型号芯片适用于HMI的方案设计。因此完全适合在其上集成开发HMI方案与电气业务逻辑的功能处理。下面给出基于M7M12N5和HMI设计方案。

表1. HME-M7系列芯片具体参数

硬件方案

硬件架构如下图所示，该方案设计的屏幕选用TFT LCD+Touch 5寸屏，分辨率480*854，每个pixel为RGB888。使用到M7 ARM部分的USB、RTC、NandFlash、IIC、UART等控制器。外设应用如下：

UART用作GUI与电气控制的指令交互传输；

USB功能用于U盘下载图片和字库等资源到NandFlash中；

NorFlash存储Bootloader和App程序文件；

NandFlash用于存储图片和字库等资源；

LCD的触控功能是通过IIC信号控制GT911触控芯片实现；

Buzzer用于音效设计，通过pwm来控制；

RTC为系统提供时间功能。

软件开发流程

Python脚本生成图片和字体资源

通过Python脚本对图片、字体、多语言的资源处理：

该方案中移植的LVGL支持两种图片资源格式：背景图片和OSD图片。其中背景图片只能是和屏幕一样大小，不支持透明度，像素格式为RGB888；OSD图片不限制大小，像素格式为A8R5G6B5。通过Python脚本将这些图片转化成像素值的二进制文件的格式。

字体资源是通过Python脚本从标准的字体库文件里面提取文字，由于字体库包含了大量字体，所以没有将所有字体都存储成bin文件。为了节约NandFlash的存储空间，需要根据实际用到的汉字进行字体选择，获取到字体形状的像素值保存至字体的二进制文件中。同时，方案的GUI支持中文、英文、俄罗斯语、西班牙语等多种语言。

BootLoader资源下载与App程序引导

BootLoader主要有三个功能：

将U盘的图片资源和App执行程序下载到Nandflash和NorFlash中；

初始化LCD及Touch功能；

引导App程序启动运行。

APP图形界面开发

在开发中可以使用PC端图形模拟器对GUI进行测试和调试，能更快的设计GUI和找出设计过程中的问题。模拟器配合不同的IDE软件即可在不同的操作系统上运行，本设计采用Windows系统下的Visual Studio。

Visual Studio模拟环境可以用来开发与硬件无关的GUI功能，直接对GUI的效果进行设计，并可与MDK工程的代码同步，便于加速板级程序开发。为了达到流畅的视觉效果，方案中利用SDRAM实现3 FramBuffer作为图像界面的缓存，如设计一个日期和时间显示页面。示例代码和Visual Studio模拟器运行效果如下：