System-on-Module MPSoC Zynq UltraScale+ per LiDAR

(Immagine per gentile concessione di iWave Systems)

Il LiDAR è emerso come un'importante tecnologia di telerilevamento per molte applicazioni scientifiche e militari. Fornisce misurazioni accurate e ad alta risoluzione di strutture 3D, converte facilmente i dati ricevuti in mappe 3D per interpretare l'ambiente circostante e rimane inalterato anche in condizioni atmosferiche e di illuminazione difficili.

L'adattabilità dell'MPSoC Zynq UltraScale+ per supportare la tecnologia LiDAR

I dispositivi MPSoC Zynq UltraScale+ consentono di progettare prodotti basati su SoC adattivi, estremamente promettenti per l'implementazione di applicazioni LiDAR. L'integrazione dell'architettura del processore e dell'FPGA in un unico dispositivo consente una rapida implementazione di una soluzione flessibile e ottimizzata per ogni settore.

La programmabilità dell'FPGA offre una grande flessibilità nello sviluppo di funzionalità personalizzate per il prodotto. Inoltre, gli FPGA hanno il potenziale di accelerare l'elaborazione utilizzando il parallelismo multi-livello.

La serie di MPSoC Zynq UltraScale+ combina il controllo in tempo reale con motori software e hardware per elaborazione di grafica, video, forme d'onda e pacchetti. Di conseguenza, i dispositivi MPSoC sono sufficientemente potenti e flessibili per offrire funzionalità avanzate per i sensori LiDAR: elaborazione del segnale, pre-elaborazione della nuvola di punti e accelerazione dell'apprendimento automatico. Inoltre, i dispositivi MPSoC Zynq sono noti per la loro efficienza energetica, che è fondamentale per i LiDAR.

Perché utilizzare un approccio SoM per costruire prodotti LiDAR

L'utilizzo di un approccio System-on-Module per la costruzione di prodotti LiDAR offre vantaggi significativi, eliminando diverse complessità del ciclo di progettazione. Un progettista di prodotti può concentrarsi sullo sviluppo di firmware e stack software, eliminando la complessa parte hardware della progettazione. Questo abbatte significativamente il time-to-market con una riduzione dei costi di sviluppo del prodotto.

Inoltre, i System-on-Module offrono al progettista un'enorme scalabilità e flessibilità quando si tratta di migrare a un SoM di calcolo superiore senza modificare il progetto di una scheda di supporto.

Caratteristiche del System-on-Module MPSoC Zynq per LiDAR

Il SoM MPSoC Zynq UltraScale+ è caratterizzato dall'architettura eterogenea Arm® + FPGA e offre una robusta combinazione di sistema di elaborazione (PS) e logica programmabile (PL).

• Il PS contiene un processore quad-core Arm Cortex®-A53 funzionante fino a 1,5 GHz e un'unità di elaborazione in tempo reale dotata di processori Arm Cortex-R5 funzionanti fino a 600 MHz.
• Il PL si basa sull'architettura UltraScale+ a 16 nm che contiene fino a 504.000 blocchi logici configurabili, RAM a blocchi ed elementi DSP.

Figura 1: Il SoM MPSoC Zynq UltraScale+. (Immagine per gentile concessione di iWave Systems)

Altri vantaggi includono:

• Interfacciamento universale
• Catene di strumenti di progettazione
• Capacità di elaborazione delle immagini
• Rete neurale accelerata
• Caratteristiche di sicurezza e protezione

Interfacciamento universale

La conformità a diversi standard di interfacciamento è una grossa sfida per l'interfacciamento e l'elaborazione dei sensori. Una soluzione tipica dovrebbe essere in grado di supportare interfacce ad alta velocità come MIPI, JESD204B, LVDS e GigE per supportare sensori ad alta larghezza di banda come telecamere, RADAR e LiDAR. L'interfacciamento e l'elaborazione dei sensori saranno necessari anche per interfacciarsi con sensori a bassa larghezza di banda che utilizzano standard come CAN, SPI, I²C e UART per gli accelerometri.

Gli MPSoC Zynq UltraScale+ PS e PL supportano una serie di interfacce standard del settore come CAN, SPI, I²C, UART e GigE. La flessibilità I/O del PL consente l'interfacciamento diretto con collegamenti seriali MIPI, LVDS e GigaBit, per livelli più elevati di implementazione del protocollo all'interno del PL.

Fornendo il PHY corretto nella progettazione hardware, il PL consente di implementare qualsiasi interfaccia, per un supporto universale.

Catene di strumenti di progettazione

I dispositivi Zynq UltraScale+ sono forniti con Vivado Design Suite per configurare i progetti PS e PL. Vivado offre un'esperienza di sviluppo PL completa, che comprende il supporto per sintesi, posizionamento, instradamento e simulazione.

Vitis entra in gioco quando si tratta di sviluppare soluzioni software. Vitis supporta lo sviluppo di Linux embedded utilizzando PetaLinux e sistemi operativi in tempo reale come FreeRTOS.

Oltre alle funzionalità di sviluppo del sistema, Vitis supporta l'accelerazione del kernel all'interno del PL utilizzando OpenCL.

Capacità di elaborazione delle immagini

L'elaborazione delle immagini è fondamentale nelle applicazioni LiDAR per la navigazione e il monitoraggio. In genere, gli algoritmi utilizzati in questi sistemi sono creati e modellati in framework di alto livello come OpenCV.

La serie di MPSoC Zynq UltraScale+ EV include un codec video H.264/H.265 per supportare l'elaborazione delle immagini.

Rete neurale accelerata

Oltre all'elaborazione delle immagini, l'apprendimento automatico è una tecnologia fondamentale per lo sviluppo di applicazioni automatizzate. L'apprendimento automatico aiuta a classificare gli oggetti in autostrada o a osservare e monitorare gli occupanti.

A tal fine, Viti AI fornisce Model Zoo, compilatore AI, ottimizzatore, quantizzatore e profilatore per distribuire l'applicazione sull'unità di elaborazione di apprendimento profondo.

Caratteristiche di sicurezza e protezione

Advanced Encryption Standard (AES) è utilizzato per proteggere la configurazione dei dispositivi di Xilinx.

I dispositivi MPSoC Zynq UltraScale+ implementano inoltre soluzioni di sicurezza multi-livello tramite l'unità di sicurezza della configurazione (CSU) all'interno del PS. CSU supporta AES 256-GCM, 4096 RSA Multiplier e SHA-384, fornendo funzioni di riservatezza, autenticazione e integrità.

La risposta anti-manomissione attraverso il monitor di sistema integrato consente al cliente di monitorare le tensioni del dispositivo e le temperature del die del SoM.

Scalabilità del SoM MPSoC Zynq di iWave

iWave offre un'ampia gamma di System-on-Module per la serie di MPSoC Zynq UltraScale+, dalle varianti ZU4 a ZU19. Questi moduli servono una varietà di settori, tra cui quello industriale, militare e della difesa di alto livello.

In termini di densità logica, disponibilità di I/O, numero di corsie transceiver e design DDR ad alta velocità, questi System-on-Module offrono un'eccellente scalabilità per le applicazioni finali. In tal modo, una scheda di supporto progettata può coprire più porte di I/O per un'ampia gamma di prodotti finali, da ZU4 con 192.000 celle logiche a ZU19 con anche 1,1 milioni di celle logiche.