原创 基于Intel(Altera)MAX10系列FPGA的设计案例描述概要

书接前回，不知大家是否还记得2015年公历最后一天，熊猫君给大家推荐了Altera（当时的Altera还是Altera）的MAX10系列FPGA呢？三年后的今天，熊猫君想继续展开聊聊，分享分享这三年里实施过的或看到别人实施过的基于MAX10系列FPGA的应用方案，当然啦，这些应用还是主要集中在控制类、接口类领域，毕竟能力和定位在那里。

    案例一：工业相机系统

对一部分工业相机而言，前端最多的是实现Sensor采集（或许还有一些简单预处理）和传输，算法应用处理大多在计算机上，一般的方案架构如下：

图1  部分工业相机的架构图

   （1）如图1所示，核心是个FPGA（需要做预处理的可能会挂一片SRAM或者DDR），主要担负Sensor的配置与数据采集、与工控机的控制交互和图像数据上传等工作；

   （2）Sensor通常分辨率不会太大，也有可能是Mono的，也有可能帧率较高，输出接口则是五花八门，有可能是LVDS、Hispi、BT601/656/1120等等各种；配置总线接口则基本是SPI或IIC;通过FPGA逻辑实现数据接收和配置总线接口；

   （3）控制接口与计算机交互控制命令或状态，控制命令有可能是设置相机、同步触发等，物理层可能通过RS-232/422/485或者CAN总线等；通过FPGA IP资源实现控制接口；

   （4）这里的数据接口输出相机前端系统的数据到工业相机，物理层常用的有a)USB3.0，通常采用Cypress的转接桥片，FPGA实现一个并行存储总线逻辑；b）以太网，一般会用UDP传输，要求高一些的会走一些握手协议，GigE Vision目前用的比较多，会利用FPGA IP资源来实现（当然GigE Vison IP并不免费，有人选择花钱买第三方的，也有公司选择自主开发）; c)CameraLink,这个大家都熟悉，工业相机用了好些年了；

  （5）有一些简单预处理的，会选择挂SRAM或DDR来缓存，做一些类似于几何拼接、坏点校正、简单的降噪、增强或者Gamma之类的（有的用到18*18乘法器，看具体算法）；

    实际上这里选哪家的FPGA并没有什么特殊的优势或者门槛，有用Xilinx或Altera Cyclon的，也有用Lattice的。我这里想说的是，这几年用MAX10的越来越多了。大家或许是基于下面的一些原因考虑的吧：

  （1）性价比因素：比Xilinx的便宜得多，就算是MAX10系列的器件和Lattice同规模的相比较价格也在同一个水平上，但是用起来会更方便、IP资源也多、社区生态也更丰富；

  （2）单电源3.3V或者双电源（2.5V和1.2V）供电：这样能极大的简化电源方案，如果选用单电源3.3V的，基本上只要一个电轨就够了；

  （3）内置Flash：无需再外接程序或数据存储的Flash；

  （4）汽车认证：AEC-Q100认证，这对有些应用来说很重要。

   综合来讲，用MAX10系列器件能够大幅的减少电路尺寸、节省BOM成本，但是也有一些缺点，主要集中在单电源供电的器件发热稍大、部分器件的交期较长。

   案例二：电源控制

   在复杂的系统中往往有多个处理器或处理单元、模组，对掉电、上电和电源调节有特殊的要求，主要体现在时序和反馈调节上。在这里使用CPLD太弱、使用其它FPGA太费，熊猫君看到用得比较多的是单电源供电的10M02（或者10M04，毕竟还是有一些逻辑需求在里面），封装一般用M153的（8mm*8mm）。主要实现的功能如下：

  （1）上电和掉电时序控制，这个简单，GPIO输出个高低电平OK；

  （2）反馈调节：用片上的SAR ADC采样电压或者电流数据，通过SMBUS对电源管理芯片进行实时调节(也有用DAC调节电源FB基准的)；

  （3）风扇控制：采样温度、PWM调节风扇转速的；

  （4）有的还会和处理器建立一个通信接口，一般是SPI或者IIC。

    用起来特别方便，一个3.3V电源，一片MAX10芯片搞定一切，占的地方小，也便宜。

    案例三、电机控制

    电机控制这一块儿的应用有用作控制步进电机的，也有用在BLDC（FOC）控制上的。

   （1）步进电机：比较简单，就是一个根据输入命令信号生成相位脉冲，真的很简单，主要还是用10M02的器件；

   （2）用作接口转接的：主要是在BLDC（FOC）控制中采样编码器之类反馈器件的值，编码器接口的协议众多，FPGA采集到后经过滤波处理（有的用到18×18乘法器，看算法）通过总线送到主处理器如TI的TMS320F28335/ TMS320F28069之类的专用的电机控制DSP上。对较为复杂的如多机械关节的地方，接入的编码器路数可能还会比较多，这一块儿主要还是用10M02和10M04的器件较多。

     案例四、图像接口

   一个是体现在其它接口与MIPI D-PHY之间的转接上，监控和显示领域用得比较多，早期主要是用的Lattice的方案（基本上自己没法改动），现在也有一些用MAX10方案的：

   （1）监控领域：主要是做sensor的采集到主处理器MIPI接口输入(早几年TI的方案上也有转并口BT1120的)，监控行业现在主要是和华为海思主处理器的MIPI D-PHY CSI接口对接；

   （2）显示领域：主要是MIPI D-PHY DSI转SDI（用第三方收发器芯片）、HDMI、LVDS用于中大型屏显示的。

    这两种应用大多会用10M25和10M40双电源（单电源的LVDS工作速率要低）的器件。

    二个是一些特殊的应用，比如说模拟输出的图像在前端又不能用较大面积电路的。如制冷型探测器的焦平面输出AD采样：

   （1）传统的办法是分成2级或者3级：a）最前端是信号板，套在探测器的脖子上（业内人士清楚这种方式）； b）中间是AD板（这一级也有可能没有，直接放到图像处理板上），主要进行ADC采样，离信号板的距离相对近（因模拟信号不适合远距离传输，即使转成差分的）；c）图像板：接收AD板采样的信号（或者是板上本来就有AD采样电路）和红外图像处理。这样子带来的不利影响是模拟信号需要较长距离的线上传输，可能会带来干扰或衰减，影响图像质量（这对红外图像系统很重要）；电路多且分散，也会对可靠性带来影响。

   （2）采用MAX10的方案，将低功耗ADC和信号板合并，实现模拟信号传输路径最优，转成LVDS数字信号抗干扰能增强。已知现有的主要是用M153封装（8*8mm面积）的那颗料。

     另外还有一些其他接口的应用，比如说子母时钟系统，对时码输出有秒对齐要求的，会用它来做接口板输出串口、1X9或其他接口的时码。