SoC FPGA異構(gòu)芯片在智能家電領(lǐng)域的差異化設(shè)計(jì)

智能家電的發(fā)展需求

隨著技術(shù)的進(jìn)步和信息化程度的提高，人們對智能家電的要求也越來越高。智能家電產(chǎn)品在升級進(jìn)階的過程中，針對家電產(chǎn)品的技術(shù)方面，包括電機(jī)運(yùn)動控制、HMI的可視化控制、遠(yuǎn)程無線控制等諸多方面的多元化應(yīng)用都有了高層次的需求。

多集成強(qiáng)算力SoC FPGA助力AIoT快速發(fā)展

在AIoT時(shí)代，智能家電的主控IC將不再只是負(fù)責(zé)核心控制，而是需要融合推理和運(yùn)算等AI能力，更將圖像分析、生物識別等多種人工智能算法融入家電領(lǐng)域，已經(jīng)成為智能家電產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢之一。

新一代SoC FPGA憑借其強(qiáng)大的并行處理數(shù)據(jù)的能力和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)在AIoT領(lǐng)域發(fā)揮著獨(dú)特的作用。隨著集成電路的發(fā)展，SoC FPGA的性能不斷提高，同時(shí)較為先進(jìn)的控制理論和控制算法的成熟，使得BLDC變頻電機(jī)等運(yùn)動控制的應(yīng)用越來越廣泛，各種先進(jìn)的控制算法可以通過SoC FPGA中FPGA部分高效實(shí)現(xiàn)。圖像處理方面，相比使用單一MCU或CPU，F(xiàn)PGA能夠達(dá)到較高的實(shí)時(shí)性，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)流水線運(yùn)算。在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方面，F(xiàn)PGA對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）和較復(fù)雜的并行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的加速具有一定的優(yōu)勢。

?

在人機(jī)交互界面（HMI）方面，相比之前用低主頻/小存儲的單一MCU實(shí)現(xiàn)方案，基于強(qiáng)大處理能力的SoC FPGA異構(gòu)芯片能夠幫助客戶快速實(shí)現(xiàn)定制化且精美的人機(jī)圖形界面。

目前較為流行的嵌入式圖形庫包括：LVGL（Little VGL）emWinQT和TouchGFX等，比較而言，LVGL界面更加精美，支持更多圖形控件，更重要的是消耗資源少，是一款輕量級的GUI工具。LVGL對硬件和開發(fā)環(huán)境有如下要求：

應(yīng)用于16、32或64位微控制器或處理器；

Flash大于64kB，RAM大于8kB（最小內(nèi)存64kB Flash，8kB RAM）；

推薦主頻大于16MHz的微控制器；

LVGL的圖形緩沖區(qū)大于水平分辨率像素；

使用C編寫以獲得最大兼容性（兼容C++）；

需要C99或者更新的編譯器。

?

SoC FPGA異構(gòu)芯片在智能家電領(lǐng)域的優(yōu)勢

結(jié)合現(xiàn)代智能家電的發(fā)展和應(yīng)用需求，一方面需要對電氣做出快速、精準(zhǔn)的控制，另一方面又要為消費(fèi)者提供優(yōu)質(zhì)的人機(jī)交互界面（HMI），本文介紹的HME SoC FPGA異構(gòu)芯片在性能、功耗、計(jì)算速度、人機(jī)交互處理等方面均具有一定的優(yōu)勢。這類新型的異構(gòu)芯片更適用于新需求下智能家電領(lǐng)域的解決方案。

HME-M7的特點(diǎn)

HME-M7系列芯片是自主研發(fā)的國產(chǎn)SoC FPGA，集成了ARM Cortex-M3內(nèi)核和高性能FPGA，采用高達(dá)12K容量的新型LP結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了FPGA與Cortex-M3內(nèi)核的通信接口。設(shè)計(jì)者可根據(jù)設(shè)計(jì)需求在FPGA上實(shí)現(xiàn)不同類型接口，如：USB2.0 Host/Device接口、PCI（33M/66M）接口、AHB2APB Bridge接口、SDR SDRAM Controller接口、FIFO/AHB接口、FIFO接口、AHB接口、EMB接口等，M7系列芯片將FPGA、CPU、SRAM、ASIC、Flash以及模擬單元等功能模塊集成在單一芯片上，不僅極大地降低了工程師的設(shè)計(jì)難度，有效減小了所需要的板間面積，還成功降低了系統(tǒng)成本，具備超高的系統(tǒng)性價(jià)比。

?

在智能家電方案中，該芯片可利用硬件描述語言Verilog進(jìn)行電氣控制各個(gè)模塊的編寫，同時(shí)通過內(nèi)嵌的Cortex-M3內(nèi)核進(jìn)行HMI方案的整體設(shè)計(jì)。表1是不同型號的HME-M7系列芯片的具體參數(shù)，由于HMI的開發(fā)需要較大的FramBuffer來緩存圖像數(shù)據(jù)，M7M12N5型號配置有64Mb的SDRAM可用作圖像的FramBuffer。此外，還配有11,520個(gè)LUT（Look-Up-Table查找表），7,680個(gè)寄存器，EMB（Embedded Memory Block內(nèi)嵌存儲模塊）容量最大值為648Kb；在SRAM（Static Random Access Memory）方面，Instruction區(qū)有128KB，Data區(qū)有64KB，4路PLL（Phase-Locked-Loop），1個(gè)Cortex-M3內(nèi)核，3路UART，2路SPI，用戶I/O有310個(gè)，結(jié)合以上資源情況M7M12N5型號芯片適用于HMI的方案設(shè)計(jì)。因此完全適合在其上集成開發(fā)HMI方案與電氣業(yè)務(wù)邏輯的功能處理。下面給出基于M7M12N5和HMI設(shè)計(jì)方案。

表1. HME-M7系列芯片具體參數(shù)

硬件方案

硬件架構(gòu)如下圖所示，該方案設(shè)計(jì)的屏幕選用TFT LCD+Touch 5寸屏，分辨率480*854，每個(gè)pixel為RGB888。使用到M7 ARM部分的USB、RTC、NandFlash、IIC、UART等控制器。外設(shè)應(yīng)用如下：

UART用作GUI與電氣控制的指令交互傳輸；

USB功能用于U盤下載圖片和字庫等資源到NandFlash中；

NorFlash存儲Bootloader和App程序文件；

NandFlash用于存儲圖片和字庫等資源；

LCD的觸控功能是通過IIC信號控制GT911觸控芯片實(shí)現(xiàn)；

Buzzer用于音效設(shè)計(jì)，通過pwm來控制；

RTC為系統(tǒng)提供時(shí)間功能。

軟件開發(fā)流程

1

Python腳本生成圖片和字體資源

通過Python腳本對圖片、字體、多語言的資源處理：

--該方案中移植的LVGL支-持兩種圖片資源格式：背景圖片和OSD圖片。其中背景圖片只能是和屏幕一樣大小，不支持透明度，像素格式為RGB888；OSD圖片不限制大小，像素格式為A8R5G6B5。通過Python腳本將這些圖片轉(zhuǎn)化成像素值的二進(jìn)制文件的格式。

字體資源是通過Python腳本從標(biāo)準(zhǔn)的字體庫文件里面提取文字，由于字體庫包含了大量字體，所以沒有將所有字體都存儲成bin文件。為了節(jié)約NandFlash的存儲空間，需要根據(jù)實(shí)際用到的漢字進(jìn)行字體選擇，獲取到字體形狀的像素值保存至字體的二進(jìn)制文件中。同時(shí)，方案的GUI支持中文、英文、俄羅斯語、西班牙語等多種語言。

2

BootLoader資源下載與App程序引導(dǎo)

BootLoader主要有三個(gè)功能：

將U盤的圖片資源和App執(zhí)行程序下載到Nandflash和NorFlash中；

初始化LCD及Touch功能；

引導(dǎo)App程序啟動運(yùn)行。

3

APP圖形界面開發(fā)

在開發(fā)中可以使用PC端圖形模擬器對GUI進(jìn)行測試和調(diào)試，能更快的設(shè)計(jì)GUI和找出設(shè)計(jì)過程中的問題。模擬器配合不同的IDE軟件即可在不同的操作系統(tǒng)上運(yùn)行，本設(shè)計(jì)采用Windows系統(tǒng)下的Visual Studio。

Visual Studio模擬環(huán)境可以用來開發(fā)與硬件無關(guān)的GUI功能，直接對GUI的效果進(jìn)行設(shè)計(jì)，并可與MDK工程的代碼同步，便于加速板級程序開發(fā)。為了達(dá)到流暢的視覺效果，方案中利用SDRAM實(shí)現(xiàn)3 FramBuffer作為圖像界面的緩存，如設(shè)計(jì)一個(gè)日期和時(shí)間顯示頁面。示例代碼和Visual Studio模擬器運(yùn)行效果如下：

日期和時(shí)間顯示中使用到6個(gè)roller，分別對應(yīng)年、月、日、時(shí)、分、上/下午的設(shè)定，回調(diào)函數(shù)中將roller選擇的相應(yīng)日期和時(shí)間設(shè)定到RTC的時(shí)間里。Visual Studio工程的代碼會同步到MDK工程中，對GUI顯示的設(shè)計(jì)完成后可編譯APP部分的MDK工程的代碼。

總結(jié)

綜上，HME SoC FPGA適用于智能家電的經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品中的HMI設(shè)計(jì)方案旨在為開發(fā)者提供簡便/美觀的人機(jī)交互與顯示設(shè)計(jì)方案。此外，基于FPGA平臺的電機(jī)控制方案可將電機(jī)控制的時(shí)延做得更小和更精準(zhǔn)，可以將電機(jī)的能效做得更高，這樣就使得電機(jī)設(shè)備的差異化優(yōu)勢更大。

隨著大數(shù)據(jù)及AIoT的發(fā)展，具備低功耗/低延時(shí)/高性能/高并發(fā)處理能力的SoC FPGA異構(gòu)計(jì)算變得愈發(fā)重要，而其最大的優(yōu)點(diǎn)是具有比傳統(tǒng)MCU/CPU并行計(jì)算更高效率和更低延時(shí)的計(jì)算性能。

編輯：黃飛

?