FPGA-pohjaiset liitäntäsiltapiirit ovat tärkeä osa monimutkaisissa autosovelluksissa. Niiden avulla lisätään sovellusten joustavuutta, sovitettavuutta ja saumatonta yhteentoimivuutta, jolloin on mahdollista toteuttaa yhteensopiva liitettävyys eri laiterajapintojen välillä jopa pitkän matkan päähän.

Kameroiden ja näyttöjen lisääntynyt käyttö uusissa ajoneuvoissa on mullistanut ajokokemusta, mahdollistanut uudenlaisia turvaominaisuuksia, tehostanut navigointia ja monipuolistanut viihdesovellusten valikoimaa (kuva 1). Samalla yhä lisääntyvä komponenttien määrä asettaa kuitenkin suuria haasteita autovalmistajille: miten toteuttaa saumattomasti eri järjestelmien välinen yhteenliitettävyys ja -toimivuus. Yksi suurimmista haasteista on, miten hallita lähiliitettävyys ajoneuvon sisällä.

Kuva 1: Kameroiden ja näyttöjen käyttökohteita moderneissa ajoneuvoissa (Lähde: MIPI Alliance).

Nopeasti ja luotettavasti pitkilläkin etäisyyksillä

MIPI-protokollien (Mobile Industry Processor Interface) yläkerroksia käytetään yleisesti ajoneuvoissa yhdistämään antureita ja näyttöjä toimintaympäristön ohjausyksikköihin ja muihin auton tietokoneisiin. Kameroiden, näyttöjen ja muiden autojärjestelmien välisen kommunikoinnin helpottamiseksi dataa siirretään perinteisesti käyttämällä lähdesynkronoituja yhteyksiä kuten MIPI D-PHY:tä ja MIPI C-PHY:tä. Nämä rajapinnat toimivat tehokkaasti lyhyillä yhteyksillä, mutta ovat epäluotettavia siirtämään dataa pitkillä etäisyyksillä ajoneuvoissa.

Tämä ongelma on pyritty ratkaisemaan käyttämällä kaapeliyhteyksiä kuten MIPI A-PHY:tä, jotka on sovitettu kameroiden ja näyttöjen datansiirtoon ajoneuvoissa. A-PHY on asymmetrinen pisteestä pisteeseen topologian mukainen datayhteys, joka mahdollistaa yksittäisessä kaapelissa nopean yksisuuntaisen datan siirron, sulautetun kaksisuuntaisen ohjausdatan siirron ja valinnaisen tehonsyötön.

A-PHY:tä käyttämällä on mahdollista toteuttaa tehokkaasti tiedonsiirto pitkilläkin etäisyyksillä – aina 15 metrin kaapelin pituuksiin asti – ja taata samalla nopea, luotettava ja tehokas tiedonsiirto ajoneuvossa eri komponenttien välillä. MIPI A-PHY v 1.0 tukee viittä nopeustasoa (2, 4, 8, 12 ja 16 Gb/s), mikä tuo lisää joustavuutta suunnitteluun.

Uusin versio MIPI A-PHY v 1.1 kaksinkertaistaa downlinkin kokonaiskaistanleveyden 16:sta 32:een Gb/s:iin käyttämällä Star Quad (STQ) -kaapeleita, joissa on kaksi eriytynyttä johdinparia kaapeloituna samaan suojakuoreen. Tällöin on mahdollista käyttää yhdellä kaapelilla kahta A-PHY-porttia, mikä vähentää kustannuksia, painoa ja monimutkaisuutta verrattuna siihen, että käytettäisiin kahta erillistä koaksiaalikaapelia tai kierrettyä parikaapelia.

Siltapiiri yhdistää eri liitäntäprotokollat

Liitäntästandardien käyttöönotto tuo kuitenkin mukanaan monia haasteita. Eri toimittajat käyttävät omia patentoituja protokollia tai laitteistoliitäntöjä, mikä voi johtaa yhteensopivuusongelmiin ja hajanaisten ekosysteemien käyttöön. Liitäntästandardien käyttöönottoa autovalmistajat voivat helpottaa ohjelmoitavilla FPGA-pohjaisilla liitäntäsiltapiireillä.

Ne toimivat monipuolisina ratkaisuina ajoneuvojen arkkitehtuurissa yhdistämällä eri liitäntäprotokollia sekä parantamalla yhteensopivuutta ja joustavuutta. FPGA-pohjaiset liitäntäsiltapiirit mahdollistavat useiden laitteistoliitäntöjen integroimisen helpottamalla erilaisten komponenttien yhdistämistä, ryhmittämistä, ohjausta ja alustamista (kuva 2).

Niiden avulla on mahdollista ottaa käyttöön edistyneitä toimintoja kuten esikäsittely ja puskurointi esimerkiksi kamera- ja näyttödatan reaaliaikaista käsittelyä varten. Alle 15 ms viiveen omaavina FPGA-piirien vasteajat ovat merkittävästi lyhyempiä kuin SoC-pohjaisilla ratkaisuilla, joissa viive on tyypillisesti noin 30 ms. Ne tukevat myös kompressiomenetelmiä, jotka mahdollistavat hyvin suuren resoluution ja kaapeliyhteydessä suuret kuva- ja datanopeudet. Autovalmistajat voivat näin tuoda kuljettajien ja matkustajien saataville huippuluokan visuaalisen kokemuksen auton suorituskyvyn tai tehokkuuden kärsimättä.

Kuva 2: FPGA-piirit soveltuvat älykkäiksi liitännöiksi erilaisia standardeja ja protokollia noudattavien komponenttien välille (Lähde: MIPI Alliance).

Gowin FPGA -piirien käyttäminen autosovellusten LED-taustavalaistuksen ohjaamisessa antaa monia etuja (kuva 3). Ne ovat kohtuuhintaisia räätälöitävissä olevia logiikkapiirejä, joiden avulla voidaan toteuttaa nopeasti prototyyppejä, ohjata tarkasti LED:n kirkkautta ja väriä, lisätä näytön luettavuutta ja kuljettajan viihtyvyyttä. Lisäksi FPGA-piirien tehonkulutus on suunniteltu pieneksi, mikä on tärkeä piirre ajoneuvon energiatehokkuuden kannalta. Ne täyttävät tiukimmat autoteollisuuden standardien mukaiset vaatimukset luotettavuuden ja lämmönkestävyyden osalta. Niiden avulla yhdelle puolijohdesirulle on mahdollista integroida saumaton liitettävyys ajoneuvon muiden järjestelmien kanssa sekä monipuoliset ohjaus- ja valvontatoiminnot.

Kuva 3: Gowin FPGA -piirit tarjoavat autosovellusten LED-taustavalaistuksen ohjaamisessa monia etuja: Ne ovat kohtuuhintaisia räätälöitävissä olevia logiikkapiirejä, joiden avulla voidaan toteuttaa nopeasti prototyyppejä, ohjata tarkasti LED:n kirkkautta ja väriä, niiden tehonkulutus on suunniteltu pieneksi, ne täyttävät tiukimmat autoteollisuuden standardien mukaiset vaatimukset luotettavuuden ja lämmönkestävyyden osalta, ne mahdollistavat saumattoman liitettävyyden ajoneuvon muiden järjestelmien kanssa ja niiden avulla yhdelle puolijohdesirulle on mahdollista integroida monipuoliset ohjaus- ja valvontatoiminnot.

Yhteenveto

FPGA-pohjaisilla liitäntäsiltapiireillä autonvalmistaja voi ratkaista kamera- ja näyttöliitäntöihin liittyviä haasteita ja taata saumattoman liitettävyyden ja standardinmukaisten kommunikointiprotokollien toimivuuden ajoneuvossa.

Sen lisäksi, että nämä ratkaisut parantavat kuljettajan ajokokemusta, ne mahdollistavat uusien innovaatioiden syntymistä autotekniikassa. Teollisuuden alan uudistuessa FPGA-pohjaisilla liitäntäsiltaratkaisuilla tulee olemaan suuri merkitys tulevaisuuden verkottuneissa ajoneuvoissa.