Technologies Days FPGA-Power für Embedded- und Automotive-Vision-Systeme

Redakteur: Franz Graser

Auf den Technologies Days am 19./20.06.2017 in Frankfurt am Main hält Vision-Spezialist Dream Chip zwei Vorträge über ,Image Signal Processing‘ und ‚10GBit Ethernet mit Hardware-Beschleunigung‘. Basis ist eine schnelle FPGA-Plattform. Das komplette Vortragsprogramm finden Sie unter www.technologies-days.de.

Firmen zum Thema

System on Module mit dem Arria-SoC von Altera
System on Module mit dem Arria-SoC von Altera
(Bild: Dream Chip Technologies/Arrow)

Einer der größten Wachstumsmärke heute und vor allem in den nächsten Jahren ist der Kamera und Vision Markt. Durch die höheren Datenraten in verschiedensten hoch performanten Rechensystemen nimmt die Komplexität der Anwendungen stetig zu. Damit man den Entwicklungsaufwand im Griff behält und auch noch rechtzeitig sein Time-to-Market-Ziel erfüllt, müssen schnell Lösungen geschaffen werden.

Das FPGA-basierende System-on-Module Arria 10 von der deutschen Firma Dream Chip Technologies zielt genau auf solche Fälle. Das Modul ist auf höchste Qualität und maximalen Datendurchsatz getrimmt. Es ist auch im erweiterten Temperaturbereich verfügbar und in rauen Umgebungen einsetzbar, durch die verwendeten Highspeed-Stecker und -Befestigungen.

Ein sehr wichtiger Punkt ist die thermische Kühlung, wofür Dream Chip Technologies einen angepassten Kühlkörper mitliefert. Das System-on-Module (SOM) kann somit auch bei höchster Auslastung noch zuverlässig arbeiten. Dies ist oft ein Problem bei anderen SOM-Lösungen, die nur unvollständig ausgelegt sind, was die Spannungsversorgung und Kühlung betrifft.

Bei den Arrow Technologies Days am 19./20. Juni 2017 in Frankfurt/Main hält der Image- und Vision-Spezialist Dream Chip Technologies zwei Vorträge zum Thema ,Image Signal Processing‘ und ‚10GBit Ethernet mit Hardware-Beschleunigung für 4k-Echtzeitzeit-Übertragung‘. Dies wird auch Anhand einer Implementierung am System-on-Module Arria 10 erläutert. In einer parallel stattfindenden Ausstellung werden diverse Lösungen dazu gezeigt – zum Beispiel eine auf 6 Kameras basierende Surround View Applikation auf dem Arria 10 SOM.

Das Arria 10 SOM wurde mit Schwerpunkt auf Embedded-Systeme und Automotive-Bildverarbeitungs-Anwendungen entwickelt. Durch die Verwendung des Arria 10 SoC im 29 mm x 29 mm großen Gehäuse, bietet das Modul eine Vielzahl von Schnittstellen und das in einem Formfaktor von 8 cm x 6,5 cm.

Die Verwendung eines SOMs hat viele Vorteile für Kunden, da die meisten schwierigen Herausforderungen beim Einsatz eines Arria 10 bereits gelöst werden, wie z. B. das DDR4 Layout, die Transceiver Auslegung und die Stromversorgung. Durch zwei lange, schlanke 180 Stiftleisten mit zwei Reihen von 0,5 mm Pitch Stifte auf jeder Seite ist es einfach für den Kunden, eine Kosten effiziente Basisplatine mit wenigen Kupferlagen zu entwerfen, bei der Nutzung der umfangreichen Pin-Anbindung von Arria 10 SOM.

Keine Engpässe beim Speicherzugriff

Die beiden separaten Speicher-Schnittstellen am ARM Cortex-A9-Subsystem und dem FPGA-Teil im Arria 10, ermöglichen es Bandbreiten-intensive Anwendungen zu bearbeiten, wie Buffering oder Objekt-Rahmenerkennung und das ohne Engpässe beim Speicherzugriff, welches insbesondere für hohe Frame-Raten, 3D- und 4K-Anwendungen benötigt wird.

32 vielseitige LVDS-Leitungen stehen am Stecker des SOMs zur Verfügung, um eine Vielzahl von Kunden spezifischen differentiellen Hochgeschwindigkeitsdaten zu verarbeiten wie z.B. Bildsensoren, Displays, ADC oder DACs. Jedes LVDS-Paar kann auch einzeln als 2 unabhängige 1,8V verwendet werden, z.B. für Kontrolle & Status-Signale oder andere allgemeinen IO-Funktionen.

Die 12 RX/TX Gigabit-Transceiver können eingesetzt werden für Videostandards mit hoher Bandbreite wie 12G SDI oder Display Port. Dies erfordert eine sorgfältige Clocking-Strategie, um für sensible Anwendungen wie SDI den Jitter zu minimieren.

Die vier Transceiver-Referenz-Clock-Pins sind teilweise auf den separaten programmierbaren Clock-Generatoren geführt, die anderen kommen von der Basisplatine um Schnittstellen zu implementieren wie PCIe Gen3, bei welchen der Reference Clock aus dem System kommt oder darüber hinaus ein Video-Signal Clocking zu ermöglichen.

Die beiden ARM Cortex A9 des Arria 10 SoC bieten viele Lösungen für die Anwendungen. Das Modul bietet schnelle Boot-Zeiten mit einem dedizierten QSPI Flash für das ARM-Subsystem neben dem eMMC-Speicher von bis zu 8 GB für ein Linux Filesystem. Ein 1 GBit Ethernet-PHYs und ein USB-PHYs (Device) sind bereits auf dem SOM vorhanden. Ein zweiter USB (OTG) oder weitere Ethernet-Schnittstelle können auf dem Baseboard mittels PHY realisiert werden.

Modul ist für industriellen Temperaturbereich ausgelegt

Evaluation-Board für das System-on-Modul Arria 10
Evaluation-Board für das System-on-Modul Arria 10
(Bild: Dream Chip Technologies/Arrow)

Alle Komponenten des Moduls sind zertifiziert für industriellen Temperaturbereich und die gewählten Steckverbinder sind für Umgebungen mit intensiver Vibration geeignet. Um die Integration in industriellen Umgebungen zu erleichtern, in welchen IOs größer 1,8 V immer noch üblich sind, werden auf dem SOM Level Shifter bereitgestellt, welche über eine zugängliche Referenz-Spannung eingestellt werden können, für die ARM/HPS I2C, SPI & GPIO Schnittstellen.

Die hohe Anzahl der LVDS-Leitungen und die hohe Speicherbandbreite machen dieses Modul zur richtigen Wahl für anspruchsvolle Bildverarbeitungsanwendungen. Bis zu 8 Bildsensoren mit jeweils 6,4 Gbit/s Videodaten können angeschlossen werden für z. B. ADAS-Anwendungen wie Surround-View bei größeren Fahrzeugen, Bussen oder LKWs. Aufgrund der großen Menge an verfügbarer Logik, sind auch Implementierungen von 3D Stereo-Vision mit intensiven Algorithmen in OpenCL auf nur einem Modul möglich.

Dream Chip bietet neben das Modul selbst, auch ein voll funktionsfähiges Baseboard für die Evaluierung des SOMs, sowie auch um die Entwicklung zu beschleunigen. Es kommt im Format einer kurzen PCIe x4 Karte und beinhaltet Schnittstellen wie DisplayPort In/Out, 10 Gigabit Ethernet, 12 G SDI, 2 x USB, 1 G Ethernet und einen FMC-Connector, über welche die meisten LVDS-Leitungen und Signale auf Erweiterungskarten angebunden werden können. Hier eine Zusammenfassung der Eigenschaften des Arria 10 SOM:

  • Modulgröße 8 cm x 6,5 cm Modul mit zwei robusten Highspeed-Steckverbinder zur Anbindung auf ein kundenspezifisches Baseboard.
  • Arria 10 SoC FPGA mit 160 bis 480 kLE und Cortex A9 Dual-Core-CPU
  • Power-Management auf dem Modul mit definierten richtigen Power ein/aus Sequenzen und Single-Supply 12V
  • Zwei separate DDR4-Speicher Schnittstellen

CPU-Memory-System:

  • 2 GByte mit 32-Bit parallelen Datenbus
  • 8-Bit ECC für sicherheitskritische Anwendungen unterstützt
  • Bis zu 2,4 Gbit/s Speicherbus für eine Gesamtbandbreite von 77 Gbit/s

FPGA-Memory-System:

  • 4GByte mit 64 Bit parallelen Datenbus
  • Bis zu 2,4 Gbit/s für eine Gesamtbandbreite von 153 Gbit/s

12 Transceiver mit 12 GBit/s und höher:

  • Unterstützt Schnittstellen wie PCIe Gen3 x 8, 10/40 Gbit/s Ethernet, Display Port und 12 G SDI
  • Dediziertes Clocking auf dem Modul mit niedrigsten Jitter für sensible Anwendungen
  • Bis zu 32 LVDS-Leitungen zum Baseboard:

- Alle entweder RX oder TX

- Unterstützung für Takt-Rückgewinnung

- bis zu 1,6 Gbit/s pro LVDS-Leitung

- Vier dedizierte Clock Ein/Ausgänge, welche zum Beispiel Konfigurationen wie zwei Mal LVDS TX x8 und zugleich zwei weitere LCDS RX x8 Schnittstellen ermöglichen

  • Zwei USB-Schnittstellen, eine davon OTG
  • Gigabit Ethernet
  • ARM I²C, SPI & GPIO Schnittstelle Signale mit Levelshifters am Modul (Benutzer definierte Referenzspannung von 1,8-3,3 V möglich)
  • UART am HPS, 6x 1V8 GPIO vom ARM und FPGA zum Baseboard
  • Bis zu 6x I²C-Schnittstellen

Um Kundenentwicklung zu beschleunigen, wurde das Arria 10 Golden Referenz Design auf das SOM implementiert. Es beinhaltet das FPGA Design mit vorkonfigurierter IP für den HPS und die Speichercontroller, sowie ein spezifisches Uboot und eine Angström Linux-Distribution. Dream Chip bietet ebenfalls Software zur Konfiguration des Clock-Generators auf dem Modul für die kundenspezifischen Takte je nach Anwendung.

Weitere Beispiel Designs werden bald verfügbar sein, wie 4K Display Port-Eingang/Ausgang, 12G SDI Kameraeingang und Mehr-Kamera-Surround-View Anwendungen.

Evaluation-Board für das Arria 10 System-on-Modul

Das Dream Chip Arria 10 SOM Baseboard ist ein Evaluation-Board für das Arria 10 System-on-Modul, bestehend aus Display Port, 12G SDI-Video-I/O und weiteren Schnittstellen. Dream Chip bietet eine Adapterplatine, welches über den FMC-Stecker auf 6 Kamera BCON-Schnittstellen geht. Weitere Funktionen des Baseboards sind 1 GBit Ethernet, 10 GBit Ethernet, PCIe Gen3 x4, USB 2.0 Host/Device, USB, UART, Video Genlock-Eingang, FMC Erweiterungsstecker und LEDs. Eigenschaften des Arria 10 SOM Baseboard:

  • PCIe Einsteckkarten Gen3 x4 oder Stand-alone-Betrieb
  • High-Speed Video und Daten Eingang/Ausgang
  • FMC Erweiterungsstecker für diverse Adapter-Platinen
  • Debug und Steuer-Schnittstellen
  • Display Port 1.2 (bis zu 4 k) und 12G SDI bis 2160p60
  • Gigabit-Ethernet (RJ45) und 10 GBit Ethernet (SFP+)
  • Mini-USB (Daten IOs und Debug) und USB Host Port
  • Abmaße: Kurze PCIe Karte (168 mm x 111 mm)

Arrow als exklusiver Distributor für Dream Chip

Surround-View-Demo mit FPGA-Board und 6 Kameras
Surround-View-Demo mit FPGA-Board und 6 Kameras
(Bild: Dream Chip Technologies/Arrow)

Technologies unterstützt die komplette Designphase des Kunden beim Einsatz des Arria 10 System-on-Modules und bietet somit auch die günstigste am Markt verfügbare Arria 10 Komplett-Lösung an. Auf dem Arrow Technologies Days in Frankfurt können Sie mit Dream-Chip- und den Arrow-Spezialisten ihr Design und die Einsatzmöglichkeiten des Arria 10 SOMs besprechen.

Darüber hinaus hat Dream Chip auch noch weitere Ingenieursleistungen im Angebot, wie ASIC-Entwicklung für kundenspezifische Funktionen oder Obsoleszenz ICs, Software und IP Entwicklung, eine eigene anpassbare Image-Signal-Processing IP für Kamera Anwendungen und Entwicklung von kundenspezifischen Projekten im Highend-Bereich.

(ID:44718214)