Systemmodule mit Zynq-UltraScale+-MPSoC für LiDAR

(Bildquelle: iWave Systems)

LiDAR hat sich zu einer wichtigen Fernmesstechnologie für viele wissenschaftliche und militärische Anwendungen entwickelt. Es liefert hochauflösende und genaue Messungen von 3D-Strukturen, wandelt die empfangenen Daten einfach in 3D-Karten um, um die Umgebung zu interpretieren, und bleibt auch bei schwierigen Wetter- und Lichtverhältnissen unbeeinflusst.

Die Anpassungsfähigkeit des Zynq-UltraScale+-MPSoC zur Unterstützung der LiDAR-Technologie

Die Zynq-UltraScale+-MPSoC-Bausteine ermöglichen ein adaptives SoC-basiertes Produktdesign, das für die Implementierung von LiDAR-Anwendungen äußerst vielversprechend ist. Die Integration der Prozessor- und FPGA-Architektur in ein einziges Gerät ermöglicht die schnelle Bereitstellung einer flexiblen und dennoch optimierten Lösung für jeden beliebigen Bereich.

Die Programmierbarkeit von FPGA bietet ein hohes Maß an Flexibilität bei der Entwicklung kundenspezifischer Funktionen für das Produkt. Außerdem haben FPGAs das Potenzial, die Verarbeitung durch den Einsatz von Multi-Level-Parallelität zu beschleunigen.

Die Zynq-UltraScale+-MPSoC-Serie kombiniert Echtzeitsteuerung mit Soft- und Hard-Engines für Grafik-, Video-, Wellenform- und Paketverarbeitung. Daher sind MPSoC-Bausteine leistungsfähig und flexibel genug, um fortschrittliche Funktionen für LiDAR-Sensoren bereitzustellen: Signalverarbeitung, Vorverarbeitung von Punktwolken und Beschleunigung des maschinellen Lernens über Punktwolken. Darüber hinaus sind die Zynq-MPSoC-Bausteine für ihre Energieeffizienz bekannt, die für LiDARs von entscheidender Bedeutung ist.

Warum ein SoM-Ansatz für die Entwicklung von LiDAR-Produkten?

Die Verwendung eines Ansatzes über ein Systemmodul für die Entwicklung von LiDAR-Produkten bietet erhebliche Vorteile, da mehrere komplexe Vorgänge im Entwicklungszyklus entfallen. Ein Produktentwickler kann sich auf die Entwicklung von Firmware und Software-Stacks konzentrieren, indem er den komplexen Hardware-Teil des Designs eliminiert. Dadurch wird die Zeit bis zur Markteinführung erheblich verkürzt und die Produktentwicklungskosten werden gesenkt.

Darüber hinaus bieten Systemmodule dem Entwickler eine enorme Skalierbarkeit und Flexibilität bei der Migration zu einem SoM mit höherer Rechenleistung, ohne dass das Design einer Trägerkarte geändert werden muss.

Merkmale der Zynq-MPSoC-Systemmodule für LiDAR

Das Zynq-UltraScale+-MPSoC-SoM verfügt über die heterogene Arm®+FPGA-Architektur und bietet eine robuste Kombination aus Verarbeitungssystem (PS) und programmierbarer Logik (PL).

• Das PS enthält einen Quad-Core-Arm-Cortex®-A53-Prozessor mit einer Taktfrequenz von bis zu 1,5 GHz und eine Echtzeitverarbeitungseinheit mit Arm-Cortex-R5-Prozessoren mit einer Taktfrequenz von bis zu 600 MHz
• Die PL basiert auf der 16nm-UltraScale+-Architektur, die bis zu 504K an konfigurierbaren Logikblöcken, Block-RAM und DSP-Elemente enthält

Abbildung 1: Das Zynq-UltraScale+-MPSoC-SoM. (Bildquelle: iWave Systems)

Weitere Vorteile beinhalten:

• Jede beliebige Schnittstelle
• Entwurf von Toolchains
• Bildverarbeitungsfunktionen
• Beschleunigtes neuronales Netz
• Schutz- und Sicherheitsmerkmale

Jede beliebige Schnittstelle

Die Einhaltung unterschiedlicher Schnittstellenstandards ist eine große Herausforderung bei der Sensoranbindung und -verarbeitung. Eine typische Lösung sollte in der Lage sein, Highspeed-Schnittstellen wie MIPI, JESD204B, LVDS und GigE zu unterstützen, um Sensoren mit hoher Bandbreite wie Kameras, RADAR und LiDAR zu unterstützen. Sensorschnittstellen und -verarbeitung sind auch für Sensoren mit geringerer Bandbreite erforderlich, die Standards wie CAN, SPI, I2C und UARTs für Beschleunigungsmesser verwenden.

Die PS und PL des Zynq-UltraScale+-MPSoCs unterstützen eine Vielzahl von Industriestandard-Schnittstellen wie CAN, SPI, I2C, UART und GigE. Die PL-I/O-Flexibilität ermöglicht die direkte Anbindung an MIPI-, LVDS- und GigaBit-Serial-Links, was eine höhere Protokollimplementierung innerhalb des PL ermöglicht.

Durch die Bereitstellung des richtigen PHY im Hardware-Design ermöglicht die PL die Implementierung jeder beliebigen Schnittstelle und bietet somit eine beliebige Anbindung.

Entwurf von Toolchains

Die Zynq-UltraScale+-Komponenten werden mit der Vivado Design Suite geliefert, um das PS- und PL-Design zu konfigurieren. Vivado bietet die komplette PL-Entwicklungserfahrung, einschließlich der Unterstützung für Synthese, Plazierung und Routing sowie Simulation.

Vitis kommt ins Spiel, wenn es um die Entwicklung von Softwarelösungen geht. Vitis unterstützt die Entwicklung von Embedded Linux mit PetaLinux und Echtzeitbetriebssystemen wie FreeRTOS.

Zusätzlich zu den Systementwicklungsfunktionen unterstützt Vitis die Kernel-Beschleunigung innerhalb der PL mit OpenCL.

Bildverarbeitungsfunktionen

Die Bildverarbeitung ist bei LiDAR-Anwendungen für die Navigation und Überwachung von entscheidender Bedeutung. In der Regel werden die in diesen Systemen verwendeten Algorithmen in High-Level-Frameworks wie OpenCV erstellt und modelliert.

Die Zynq-UltraScale+-MPSoC-EV-Serie enthält einen H.264/H.265-Videocodec zur Unterstützung der Bildverarbeitung.

Beschleunigtes neuronales Netz

Neben der Bildverarbeitung ist das maschinelle Lernen eine wichtige Technologie für die Entwicklung automatisierter Anwendungen. Maschinelles Lernen hilft bei der Klassifizierung von Objekten auf der Straße oder bei der Beobachtung und Überwachung von Insassen.

Um dies zu ermöglichen, bietet Viti AI die Module Model Zoo, AI Compiler, Optimizer, Quantizer und Profiler an, um die Anwendung auf der Deep-Learning-Verarbeitungseinheit einzusetzen.

Schutz- und Sicherheitsmerkmale

AES (Advanced Encryption Standard) wird verwendet, um die Konfiguration von Xilinx-Geräten zu sichern.

Die Zynq-UltraScale+-MPSoC-Bausteine implementieren darüber hinaus mehrschichtige Sicherheitslösungen über die CSU (Configuration Security Unit) innerhalb der PS. Die CSU unterstützt AES 256-GCM, 4096 RSA Multiplier und SHA-384 und bietet damit Funktionen für Vertraulichkeit, Authentifizierung und Integrität.

Durch den eingebauten Systemmonitor kann der Kunde die Bauteilspannungen und Chip-Temperaturen des SoM überwachen.

Skalierbarkeit über das Zynq-MPSoC-SoM von iWave

iWave bietet ein umfangreiches Portfolio an Systemmodulen für die Zynq-UltraScale+-MPSoC-Serie an, das von ZU4- bis ZU19-Varianten reicht. Diese Module werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, darunter High-End-Industrie, Militär und Verteidigung.

In Bezug auf die Logikdichte, die I/O-Verfügbarkeit, die Anzahl der Transceiver-Spuren und das Highspeed-DDR-Design bieten diese Systemmodule eine hervorragende Skalierbarkeit für Endanwendungen. So kann eine Trägerplatine mehrere I/O-Ports für eine breite Palette von Endprodukten abdecken, von ZU4 mit 192K an Logikzellen bis ZU19 mit bis zu 1,1M Logikzellen.