Zynq UltraScale+ MPSoC-systeem op modules voor LiDAR

(Bron afbeelding: iWave Systems)

LiDAR is uitgegroeid tot een belangrijke teledetectietechnologie voor vele wetenschappelijke en militaire toepassingen. Het biedt nauwkeurige metingen met hoge resolutie van 3D-structuren, zet de ontvangen gegevens gemakkelijk om in 3D-kaarten om de omgeving te interpreteren, en blijft onaangetast, zelfs in moeilijke weers- en lichtomstandigheden.

Het aanpassingsvermogen van Zynq UltraScale+ MPSoC om LiDAR-technologie te ondersteunen

De Zynq UltraScale+ MPSoC-apparaten maken een adaptief SoC-gebaseerd productontwerp mogelijk, dat uiterst veelbelovend is voor de implementatie van LiDAR-toepassingen. Door zowel de processor- als de FPGA-architectuur in één apparaat te integreren, kan snel een flexibele maar geoptimaliseerde oplossing voor een bepaald domein worden ingezet.

De programmeerbaarheid van FPGA biedt een grote flexibiliteit bij de ontwikkeling van aangepaste mogelijkheden voor het product. Ook kunnen FPGA's de verwerking versnellen door gebruik te maken van meerlagig parallellisme.

De Zynq UltraScale+ MPSoC-serie combineert real-time besturing met soft en hard engines voor graphics, video, golfvorm en pakketverwerking. Daardoor zijn MPSoC-apparaten krachtig en flexibel genoeg om geavanceerde mogelijkheden te bieden voor LiDAR-sensoren: signaalverwerking, voorbewerking van puntenwolken en versnelling van machine learning van puntenwolken. Bovendien staan Zynq MPSoC-apparaten bekend om hun energie-efficiëntie, wat van cruciaal belang is voor LiDAR's.

Waarom een SoM-benadering gebruiken om LiDAR-producten te bouwen?

Het gebruik van een "System on Module"-aanpak voor het bouwen van LiDAR-producten biedt aanzienlijke voordelen doordat verschillende complexiteiten in de ontwerpcyclus wegvallen. Een productontwerper kan zich concentreren op de ontwikkeling van firmware en softwarestacks door het complexe hardwaregedeelte van het ontwerp te elimineren. Dit verkort de marktintroductietijd aanzienlijk en verlaagt de productontwikkelingskosten.

Bovendien bieden System on Modules een enorme schaalbaarheid en flexibiliteit voor een ontwerper bij het migreren naar een SoM met meer rekenkracht zonder het ontwerp van een draagkaart te wijzigen.

Zynq MPSoC systeem op module functies voor LiDAR

De Zynq UltraScale+ MPSoC SoM is voorzien van de heterogene Arm® + FPGA-architectuur en biedt een robuuste combinatie van het verwerkingssysteem (PS) en programmeerbare logica (PL).

• De PS bevat een quad-core Arm Cortex®-A53 processor die werkt op maximaal 1,5 GHz en een real-time verwerkingseenheid uitgerust met Arm Cortex-R5 processoren die werken op maximaal 600 MHz.
• PL gebaseerd op 16 nm UltraScale+ architectuur die tot 504 K configureerbare logica, Block RAM en DSP-elementen bevat.

Afbeelding 1: De Zynq UltraScale+ MPSoC SoM. (Bron afbeelding: iWave Systems)

Andere voordelen zijn:

• Elke interfacing
• Ontwerptoolchains
• Beeldverwerkingsmogelijkheden
• Versneld neuraal netwerk
• Veiligheid en beveiliging

Elke interfacing

Naleving van verschillende interfacenormen is een belangrijke uitdaging bij de interfacing en verwerking van sensoren. Een typische oplossing moet hogesnelheidsinterfaces kunnen ondersteunen, zoals MIPI, JESD204B, LVDS en GigE, ter ondersteuning van sensoren met hoge bandbreedte, zoals camera's, RADAR en LiDAR. Sensorinterfacing en -verwerking zullen ook nodig zijn voor de interface met sensoren met lagere bandbreedte die gebruik maken van normen zoals CAN, SPI, I2C en UART's voor versnellingsmeters.

De Zynq UltraScale+ MPSoC's PS en PL ondersteunen diverse industriestandaard interfaces zoals CAN, SPI, I2C, UART en GigE. De flexibiliteit van de PL I/O maakt directe interfacing met MIPI, LVDS en GigaBit Serial Links mogelijk, waardoor hogere niveaus van protocolimplementatie binnen de PL mogelijk worden.

Door de juiste PHY in het hardwareontwerp op te nemen, maakt de PL het mogelijk elke interface te implementeren, waardoor een any-to-any-interfacing mogelijk wordt.

Ontwerptoolchains

De Zynq UltraScale+ apparaten worden geleverd met Vivado Design Suite om het PS- en PL-ontwerp te configureren. Vivado biedt de volledige PL-ontwikkelervaring, inclusief ondersteuning voor synthese, plaats en route, en simulatie.

Vitis komt om de hoek kijken bij het ontwikkelen van softwareoplossingen. Vitis ondersteunt Embedded Linux-ontwikkeling met PetaLinux en real-time besturingssystemen zoals FreeRTOS.

Naast de mogelijkheden voor systeemontwikkeling ondersteunt Vitis kernelversnelling binnen de PL met behulp van OpenCL.

Beeldverwerkingsmogelijkheden

Beeldverwerking is van cruciaal belang bij LiDAR-toepassingen voor navigatie en monitoring. Gewoonlijk worden de in deze systemen gebruikte algoritmen gemaakt en gemodelleerd in high-level frameworks zoals OpenCV.

In de Zynq UltraScale+ MPSoC EV-serie is een H.264/H.265 videocodec opgenomen ter ondersteuning van beeldverwerking.

Versneld neuraal netwerk

Naast beeldverwerking is machinaal leren een cruciale technologie voor de ontwikkeling van geautomatiseerde toepassingen. Machine learning helpt bij het classificeren van objecten op de snelweg of het observeren en controleren van inzittenden.

Om dit mogelijk te maken, levert Viti AI Model Zoo, AI compiler, Optimizer, Quantizer en profiler om de toepassing in te zetten op de deep learning processing unit.

Veiligheid en beveiliging

De Advanced Encryption Standard (AES) wordt gebruikt om de configuratie van Xilinx apparaten te beveiligen.

De Zynq UltraScale+ MPSoC-apparaten implementeren verder gelaagde beveiligingsoplossingen via configuratiebeveiligingseenheid (CSU) binnen de PS. De CSU ondersteunt AES 256-GCM, 4096 RSA-multiplicator en SHA-384, voor vertrouwelijkheids-, authenticatie- en integriteitsfuncties.

Anti-tamper respons via de ingebouwde systeemmonitor stelt de klant in staat om apparaatspanningen en matrijstemperaturen van de SoM te volgen.

Schaalbaarheid in de iWave Zynq MPSoC SoM

iWave biedt een uitgebreid portfolio van System on Modules voor Zynq UltraScale+ MPSoC series, variërend van ZU4- tot ZU19-varianten. Deze modules bedienen een verscheidenheid aan industrieën, waaronder high-end industrieel, militair en defensie.

In termen van logicadichtheid, I/O-beschikbaarheid, aantal transceiver lanes en high-speed DDR-ontwerp bieden deze System on Modules een uitstekende schaalbaarheid voor eindtoepassingen. Een ontworpen draagkaart kan dus meerdere I/O-poorten dekken voor een breed scala van eindproducten, van ZU4 met 192 K logische cellen tot ZU19 met maximaal 1,1 M logische cellen.