赛灵思扩展生态系统重塑嵌入式视觉、工业物联网系统设计的未来

拥有前所未有的软件智能、硬件优化和任意互连水平的系统正在重塑 嵌入式视觉 和 工业物联网 (IIoT)  的未来。

赛灵思于今年 2 月在德国纽伦堡举办的嵌入式世界大会上宣布其已强化并扩展了生态系统，为基于赛灵思 ALL Programmable 器件的工业物联网(IIoT)和嵌入式视觉系统开发提供更强大的支持。赛灵思及其生态系统合作伙伴在这次展会上演示了多种解决方案，这些解决方案让用户各类 更智能、互联互通 和 高度差异化 系统的开发更加简单容易。

赛灵思在嵌入式世界大会所发布的生态系统包括赛灵思在去年实现的三大里程碑。其中包括， 2015 年 3 月 9 日赛灵思宣布推出 SDSoC 开发环境，支持用 C/C++ 语言编写程序的软件设计人员能够使用赛灵思 Zynq-7000 SoC。该设计环境针对的是那些算法开发人员， 使其无需深入底层和使用 Verilog 或 VHDL 修改硬件，但又能从赛灵思器件卓越的性能和出众的性能功耗比中受益；2015 年 9 月 30 日赛灵思宣布其已经开始发货 Zynq UltraScale+ MPSoC；接着在 2016 年 2 月 16 日，赛灵思宣布强化和扩展生态系统，进一步支持嵌入式视觉和工业物联网领域的 Zynq 设计。

工业/嵌入式视觉和工业物联网 (IIoT) 领域新涌现的激动人心的应用，涵盖了工业、科研、医疗、专业音/视频、消费电子、航空航天与军用，以及汽车等各个细分市场。

阻碍发挥赛灵思 All Programmable 器件卓越性能和出色性能功耗比优势的主要障碍，一直都是编程的模式。

通过扩展生态系统，赛灵思正在让自己 All Programmable 器件的使用和 CPU 以及 GPU 一样方便，而且性能功耗比更高一筹。

C/C++ 用户更习惯于为 CPU （最近更多为 GPU）编写代码。借助赛灵思面向软件定义硬件开发的 Vivado 高层次综合 (HLS) 工具和面向软件定义系统开发的 SDx 开发环境，将有更多系统开发人员能够用上赛灵思 Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 系列中的软件定义 All Programmable 器件。通过扩展生态系统，赛灵思正在让自己的 All Programmable 器件的使用和 CPU 以及 GPU 一样方便，而且性能功耗比更高一筹。

嵌入式视觉和工业物联网 (IIoT) 系统的流水线有很多共同点。两者都是从感应和数据采集开始的。对嵌入式视觉系统，该数据的形式为一系列图像或一个视频流。工业物联网系统的感测数据包括视频，但还覆盖一长串其他感测到的参数，包括加速度和振动、声音/超声波、化学与气体、电/磁、流体、力、负载、扭矩与应变、湿度与水分、泄漏与水平、机器视觉、光、运动、速度与位移、位置、存在与接近度、压力和温度。

正在兴起的传感器融合需求  

多类嵌入式视觉和工业物联网系统要求传感器融合，或将来自多个不同类型传感器的数据处理和融合为行动信息。   对于嵌入式视频系统，多个视频流可以整合生成更可用或更有用的视频流。例如车载视频系统

往往将来自４个、５个、６个或更多视频摄像头的视频流结合起来，生成一个鸟瞰图，为驾驶员提供 360 度 2D 平面或 3D 球面全视觉。视觉系统既驱动本地显示，也发送本地处理的视频到云端中供进一步处理，或者与其他视频流整合，以及存储等。

工业物联网(IIoT) 系统可将视频与其它感测到的数据整合在一起,以定义必须采取的行动。例如片上系统工程（SoC-e；第 14 页文章）提供的新型 CPPS-Gate40 智能门户采用工业控制系统中常见的各种 I/O 端口，结合本地高速数据处理，并将结果数据放置在使用高可用无缝冗余/并行冗余协议 (HSR/ PRP) 的双冗余光学以太环网上。

工业物联网系统的典型特性是能够使用感测到的数据实现依靠云处理和决策所无法做到的高速实时控制。

当然有许多使用 CPU 或 GPU 设计此类系统的备选方法，但在用户设计差异化系统时赛灵思 Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 能带来多种明显的优势和好处：

最高性能功耗比。赛灵思 All Programmable 器件把硬件、软件和 I/O 编程功能完美结合在一起，让用户能够将双芯片、三芯片或四芯片设计集成为单芯片，在降低功耗的同时最大化系统性能。

传感器融合。赛灵思 All Programmable 器件提供了一些独特的功能，能够获取并处理多种不同类型的信息，从温度和压力这样的低比特率数据到多信道同步高清或超高清视频流这样的高比特率数据，无所不有。

任意连接。从多种视频接口标准（例如 MIPI 和 HDMI）到智能传感器接口（例如 I2C 和 SPI）以及高速模数转换器（包括 JESD204B 和 LVDS），赛灵思 Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 无与伦比的可编程 I/O 功能可满足近乎任何可以想象到的传感器 I/O 要求。

多级保密性和多层安全性。Zynq UltraScale+ MPSoC 的四核 ARM Cortex-A53 应用处理器和双核 ARM Cortex-R5 实时处理器具备硬件安全特性，能够独特地实现保密性和功能安全协议。

“变色龙”All Programmable 平台。Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 的软硬件处理和 I/O 灵活性，便于用户创建出可重用的软件定义硬件平台（这些平台具有可配置、可扩展性，成本在最终产品成本上下浮动，从低成本系统到高性能系统不等），并将自己的品牌打入覆盖多功能产品线的新市场。这并非是一种假想的优势：许多赛灵思客户已经将它变为现实。

这里有四个“变色龙”All Programmable 平台的实例，均将赛灵思 Zynq UltraScale+ MPSoC 运用于不同的目标市场。

1   高级驾驶员辅助系统

高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 将来自多个视频摄像头的视频数据以及其他车辆传感器数据融合在一起（包括惯性导航数据甚至 GPS 地图数据），以决定是制动、转向还是发出驾驶员警告等。图 1 方框图显示了基于 Zynq UltraScale+ MPSoC 的典型 ADAS 设计。

图 1 - 该高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 设计采用了 Zynq UltraScale+ MPSoC 中 ARM Cortex 内核的异构处理功能。

如图 1 所示，该设计采用赛灵思 Zynq UltraScale+ MPSoC 中提供的四核 ARM Cortex-A53 应用处理器和双核 ARM Cortex-R5 实时处理器的异构处理功能。该图中的五个红色方框显示的是赛灵思直接提供的 MIPI 视频接口 IP。六个蓝色方框显示的是由赛灵思生态系统合作伙伴中的其他公司提供的高速 IP 处理模块，这些模块可用于实现行人检测、驾驶员监控、车道偏离监测、盲点检测和传感器融合等高级功能。

所示的 ADAS 系统充分发挥了 Zynq UltraScale+ MPSoC 任意连接功能的作用，能与任何传感器接口通信，包括用于视频摄像头的 MIPI 在内。来自竞争厂家的不可编程器件如果不添加用于处理额外 I/O 接口和协议的 I/O 芯片，就很难满足新的传感器接口要求。此外，Zynq UltraScale+ MPSoC 还拥有卓越的硬件视频处理性能，与竞争对手的标准器件相比，能够处理更多视频信道。和这些标准器件不同，Zynq UltraScale+ MPSoC 还能处理视频流可编程的数量。

由于 Zynq UltraScale+ MPSoC 具有高度的 I/O 灵活性和强大的处理能力，除传感器和外部存储器外，MPSoC 本身之外基本不需要其它硬件。与主要竞争对手提供的基于 CPU 芯片的可比系统相比，该 MPSoC 系统的性能功耗比是其三倍左右。

2   4K 视频监控

图 2 显示了 4K 多信道多传感器视频监视系统中与多个传感器（包括不同类型的视频摄像头）连接的 Zynq UltraScale+ MPSoC。该方框图中红色方框仍表示赛灵思接口 IP，这些 IP 用于 MIPI 连接的视频摄像头和显示器，以及连接其他类型传感器的不同 I/O 接口。6 个全蓝方框代表赛灵思生态系统公司提供的处理 IP。两个红/蓝方框代表赛灵思及其扩展的生态系统中的公司所提供的 IP 模块。

图 2 - 该 4K 多信道/多传感器视频监视系统运用了 Zynq UltraScale+ MPSoC 的安全性和保密性功能。

该“变色龙”All Programmable 系统与主要竞争对手提供的基于 CPU/DSP/GPU 芯片的可比系统相比，性能功耗比高出其将近 5 倍。Zynq UltraScale+ MPSoC 的安全性与保密性，包括 ARM TrustZone 功能，以及该器件的硬件 AES 加密功能，在像这样的安全应用中极为有用。

3   智能电网变电站自动化

我们的第三个实例是针对智能电网设计的变电站自动化系统，

这是一个用于处理来自各种负责监控变电站指标的传感组件的多个以太网流的工业物联网 (IIoT) 应用。图 3 是该“变色龙”All Programmable 系统实例的系统方框图。

图 3 - 在本智能电网变电站自动化系统中，一个工业以太网交换机实例化在赛灵思工业物联网生态系统公司 SoC-e 提供的 Zynq UltraScale+ MPSoC 可编程逻辑源 IP 中。

该实例工业物联网系统的一个关键特性是能够通过标准的工业以太网系统，使用标准化的 IEEE-1588 精确时间同步协议 (PTP) 和 IEC 62439 HSR/PRP，连接到大量的接口单元。

该功能的实现方式是使用赛灵思生态系统合作伙伴 SoC-e 公司提供的 IP，在 Zynq UltraScale+ MPSoC 的可编程逻辑中实例化一个兼容的工业以太网交换机。该以太网交换机在本方框图中以大蓝色方框显示。来自各个传感器源的数据可使用赛灵思及其生态系统公司提供的高速 IP 模块（在图中分别以红/蓝框表示）处理。根据性能要求，处理算法也可运行在 Zynq UltraScale+ MPSoC 的六个 ARM 处理器内核的一个或数个之上。

与竞争对手提供的基于 CPU/DSP 芯片的可比系统相比，该系统的性能功耗比是其 1.2 倍。得益于 Zynq UltraScale+ MPSoC 的大规模可编程能力、处理容量和高度的 I/O 灵活性，本设计使用的芯片数量得以减半。显然必须有安全应用来保护电网免遭恶意攻击。

通过生态系统的扩展，赛灵思让产品设计团队能够在紧凑的项目日程下更容易地完成高标准的项目目标。

因此 Zynq UltraScale+ MPSoC 内置的功能安全性和保密性在本应用中尤为重要。

4   工业自动化

最后一个“变色龙”All Programmable 系统实例是用于工业控制目的，其形式可以是运动控制器、可编程逻辑控制器 (PLC) 或人机界面 (HMI) 系统。该工业物联网实例使用 Zynq UltraScale+ MPSoC 把本需要四个芯片（一个 CPU、一个功能安全处理器、一个轴角编码器和一个用于高速电源调制和电机控制的 FPGA）的整个系统集成到单个器件上，将性能功耗比提升高达 30% 且大幅缩减了系统板级空间。该系统的方框图见图 4。

和其他三个实例一样，该工业控制系统也得益于 Zynq UltraScale+ MPSoC 的任意连接以及集成双 ARM Cortex-R5 核处理器的锁步功能内嵌的功能安全特性。

生态系统揭秘  

所有这四个实例都大量使用赛灵思及其生态系统成员公司所提供的硬件和软件 IP。该 IP 对简化用户开发高级智能系统的工作十分必要，特别是“变色龙”平台能够为用一种硬件平台构建的每种产品挑选其中使用的具体 IP。

赛灵思生态系统成员提供四大类的硬件和软件 IP：

针对嵌入式视觉和工业物联网应用的领域专用硬件和软件 IP，加上各种实时操作系统；

设计支持，包括数种高级设计工具；

用于快速硬件开发和推广的基于 Zynq-7000 SoC 或 Zynq UltraScale+ MPSoC 的模块、评估板和生产就绪型系统级模块 (SOM)；

设计服务。

图 4 — 这个工业物联网工业自动化设计采用赛灵思 Zynq UltraScale+ MPSoC 集成了一个完整的系统。采用其他方案可能需要四个芯片才能完成。

即便是在项目要求不断提高性能水平和日趋复杂化产品特性的情况下，每个设计团队依然面临严峻的时间压力。没有设计团队能够迅速地面面俱到。通过最新宣布的生态系统扩展，赛灵思让产品设计团队能够更容易地在紧凑的项目日程下完成高水准的项目目标。