ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT USCONTACT
ETNdigi-superbanner
37  #  square finsk sajt en vecka i maj
2026  # megabox

IN FOCUS

3D-piirit pakottavat suunnittelun huomioimaan lämmön, tehon ja mekaniikan

3D-IC-arkkitehtuureihin siirtyville suunnittelutiimeille suorituskyvyn ja luotettavuuden jatkuva parantaminen tuo mukanaan tuttuja mutta yhä monimutkaisempia haasteita: miten hallitaan tehonkulutusta, poistetaan lämpöä ja otetaan huomioon erilaisten fysikaalisten ilmiöiden monimutkainen vuorovaikutus pinotuissa rakenteissa?

Lue lisää...

ETNtv

 
ECF25 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan
  • Aku Wilenius, CN Rood
  • Tiitus Aho, Tria Technologies
  • Joe Hill, Digi International
  • Timo Poikonen, congatec
  • ECF25 panel
ECF24 videos
  • Timo Poikonen, congatec
  • Petri Sutela, Testhouse Nordic
  • Tomi Engdahl, CVG Convergens
  • Henrik Petersen, Adlink Technology
  • Dan Still , CSC
  • Aleksi Kallio, CSC
  • Antti Tolvanen, Etteplan
ECF23 videos
  • Milan Piskla & David Gustafik, Ciklum
  • Jarno Ahlström, Check Point Software
  • Tiitus Aho, Avnet Embedded
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Pasi Suhonen, Rohde & Schwarz
  • Joachim Preissner, Analog Devices
ECF22 videos
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Timo Poikonen, congatec
  • Kimmo Järvinen, Xiphera
  • Sigurd Hellesvik, Nordic Semiconductor
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Andrea J. Beuter, Real-Time Systems
  • Ronald Singh, Digi International
  • Pertti Jalasvirta, CyberWatch Finland
ECF19 videos
  • Julius Kaluzevicius, Rutronik.com
  • Carsten Kindler, Altium
  • Tino Pyssysalo, Qt Company
  • Timo Poikonen, congatec
  • Wolfgang Meier, Data-Modul
  • Ronald Singh, Digi International
  • Bobby Vale, Advantech
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Zach Shelby, Arm VP of Developers
ECF18 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan CTO
  • Heikki Ailisto, VTT
  • Lauri Koskinen, Minima Processor CTO
  • Tim Jensen, Avnet Integrated
  • Antti Löytynoja, Mathworks
  • Ilmari Veijola, Siemens

ETN

Sep # TME square
TMSNet  advertisement
ETNdigi
A la carte
AUTOMATION DEVICES EMBEDDED NETWORKS TEST&MEASUREMENT SOFTWARE POWER BUSINESS NEW PRODUCTS
ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT US CONTACT
Share on Facebook Share on Twitter Share on LinkedIn

TECHNICAL ARTICLES

Kamerasovellus vaatii uniikkia suunnittelua

Tietoja
Kirjoittanut Ted Marena, Microsemi
Julkaistu: 21.07.2017
  • Suunnittelu & ohjelmointi

Älypuhelinten kamerapiirit piirit ovat edullisia ja vähävirtaisia. Sen takia niillä voidaan toteuttaa hyvin erilaisia akkukäyttöisiä kamerasovelluksia. Lämpökameroiden ja intervallikuvauskameroiden toteutus onnistuu vähävirtaisten FPGA-piirien avulla.

Artikkelin kirjoittaja Ted Marena toimii Microsemillä FPGA- ja SOC-tuotteiden markkinointijohtajana. Hänellä on yli 20 vuoden kokemus FPGA-piireistä. Hän on aiemmin työskennellyt suunnittelussa, teknisessä myynnissä, liiketoiminnan kehityksessä ja tuotemarkkinoinnissa. Vuonna 2014 hänet palkittiin vuoden innovaattorin palkinnolla, kun hän työskenteli Lattice Semiconductorilla. Tedillä on elektroniikkainsinööriin tutkinto Connecticutin yliopistosta ja MBA-tutkinto Bentley Collegesta.

Paristovoimaisten laitteiden liikuteltavuus kasvaa kaikilla aloilla. Kun älypuhelimia on kaikkialla, ihmiset ympäri maailman odottavat liikuteltavuudelta yhä enemmän.

Älypuhelinten piirisarjat ovat edullisia ja vähävirtaisia. Tämän takia yhä useampaan laitteeseen integroidaan sovellusprosessoreja, langattomia modeemeja, kameroita ja näyttöjä. Erityisesti kamerat ja näytöt ovat tulleet nopeasti laajaan valikoimaan laitteita. Näiden laitteiden suunnitteluun tulee kuitenkin haasteita, kun niissä mennään kauemmaksi älypuhelinspesifeistä arkkitehtuureista.

Yksi haaste on kameran tai näytön liitäntä prosessorille, joka ei ole sovellusprosessori. Toinen ongelma on se, ettei ainutlaatuisia oheislaitteita, kuten lämpökamera-antureita tai viivakoodin lukimia ole älypuhelimissa. Tämä on ongelma niiden suunnittelijoiden kannalta, jotka haluavat hyödyntää älypuhelinpiirisarjoja. Kysymys kuuluu, kuinka näihin haasteisiin pitäisi suhtautua?

Tunne arkkitehtuurisi

Ymmärtääkseen, mistä suunnitteluhaasteet alkavat, täytyy tuntea älypuhelimien ja tablettien avainkomponentit (kuva 1). Alustan suuria volyymejä voidaan hyödyntää muissa sovelluksissa. Mutta miksi älypuhelinpiirejä käytetään niin laajasti muissa tuotteitta? Älypuhelinpiiri on monelle looginen lähtökohta, koska sen arkkitehtuurissa on monia ominaisuuksia - alhainen tehokulutus, aggressiivinen hinnoittelu - joita tarvitaan valtaosassa kannettavia laitteita niin lääketieteessä, teollisuudessa kuin muillakin markkinoilla.

 

Kuva 1. MIPI Alliancen mobiilijärjestelmän kaavakuva.

Kuten kuvasta nähdään, järjestelmän ydin on sovellusprosessori. Se on vähävirtainen, erittäin suorituskykyinen ja se tukee useita yleisiä oheislaiteliitäntöjä. Lisäksi useimmista älypuhelimista löytyvät kamera ja näyttö ovat vielä prosessoriakin suositumpia sulautetuissa suunnitteluissa. Erityisesti kuva-anturit ovat hyvin kompakteja, vähävirtaisia ja laadukkaita komponentteja.

Älypuhelinkamera

Älypuhelimen kuva-anturi on usein looginen valinta kannettavaan laitteisiin. Katsotaanpa muutamia tuote-esimerkkejä ja niiden erityisiä haasteita.

Ensiksi ajatellaan kädessä pidettävän teollisuuden lämpökameran suunnittelua. Kuten aiemmin mainittiin, hyvä lähtökohta voi olla sovellusprosessori. Se voi ajaa näyttöä, liittyä langattomiin verkkomodeemeihin ja liittyä sisäiseen tallennusmuistiin, johon kuvia tai videota voidaan tallentaa. Sovellusprosessoria ei voida kuitenkaan suoraan liittää valtaosaan lämpökamera-antureita.

Älypuhelimen kuva-anturissa on toisen polven kamerasarjaliitäntä (MIPI Camera Serial Interface eli MIPI CSI-2), joka sijaitsee sovellusprosessorilla. Lämpökamera-anturi yleensä käyttää rinnakkaista CMOS- tai LVDS-liitäntää. Voitaisiin suunnitella pieni, vähävirtainen FPGA, joka toimisi siltana rinnakkaisen CMOS-väylän ja CSI-2:n välillä, mutta sen pitäisi generoida niin vähän lämpöä, ettei se häiritse lämpökamera-anturia. CSI-2-liitäntää ei lisäksi ole suunniteltu liittymään pikseleihin, jotka lukevat lämpötiloja, kuten lämpökamera-anturi tekee. Sen sijaan sovellusprosessori odottaa dataa väripikseleistä. Tämä edellyttää, että jokin muu laite tekee lämpökameran kuvan prosessoinnin.

Vähävirtainen FPGA-piri voisi olla hyvä valinta, mikäli se kuluttaisi vähän tehoa, generoisi hyvin vähän lämpöä ja voisi liittyä sovellusprosessoriin riittävällä väylänopeudella. Yleisin riittävän nopea prosessoriväylä on PCIe-väylä.

Vähävirtaisen PCIe-väyläisen FPGA-piirin, joka ei tuota lämpökameraa häiritsevää lämpöä, valinta on keskeistä. Hyvä vaihtoehto on flash-pohjainen IGLOO2-piiri, jonka tehokulutus on paljon SRAM-pohjaisia FPGA-piirejä alhaisempi, ei tuota paljon lämpöä ja johon PCIe Gen2 -liitäntä on sisäänrakennettu kovakoodattuna. Lisäksi tämä yksisiruinen FPGA-piiri on pakattu pieneen 11x11-milliseen koteloon.

Tässä sovelluksessa IGLOO2-piiri liittyy lämpökuva-anturiin ja suorittaa vaaditut laskennat (kuva 2). Se muuntaa lämpötiladatan vastaaviksi väreiksi valitulla väriskaalalla, joka voidaan tallentaa piirin flash-muistiin tai sulautettuihin muistilohkoihin. Jokainen linja prosessoidaan ja sen jälkeen muunnetaan lähetettäväksi PCIe-väylän läpi sovellusprosessorille. Kun kuva on vastaanotettu, prosessori ajaa sen näytölle, tallentaa sen paikallismuistiin tai lähettää sen langattomaan modeemiin. FPGA:n ja muiden älypuhelinpiirien yhdistelmällä voidaan toteuttaa kilpailukykyinen lämpökamera teollisuuteen, lääketieteeseen, sekä militaari- ja muille markkinoille.

Kuva 2. Lämpökuvakameran lohkokaavio.

Intervallikuvauskamera

Toinen esimerkki, jota voimme tutkia, on intervallikuvauskamera (time-lapse camera), joka sieppaa hitaasti muuttuvaa sisältöä kerran sekunnissa tai tunnissa, tai jopa kerran päivässä. Kyse on kannettavasta akkukäyttöisestä laitteesta, jonka täytyy kuvata ja tallentaa kuva nopean käynnistymisen ja sammuttamisen välillä säästääkseen tehoa. Kameralla voidaan kuvata kukkien kasvua, auringonlaskua ja valmistuvia rakennuksia. Kuvatun sisällön takia intervallikuvauskameroiden täytyy toimia akuilla jopa useiden kuukausien ajan.

Tässä suunnittelussa looginen valinta on kuva-anturi, joka on alun perin suunniteltu älypuhelimeen. Toisaalta sovellusprosessori ei ole kovin hyvä valinta. Vaikka sovellusprosessorit kuluttavat hyvin vähän virtaa, kun ne eivät ole päällä, toiminnassa ne kuluttavat paljon virtaa. Niillä kestää myös epämääräisen kauan siirtyä erittäin alhaisen tehonkulutuksen tilaan, mikä kuluttaa akkua.

Parempi valinta on vähävirtainen FPGA-piiri, joka käynnistyy välittömästi, jolla on DSP-lohkoja kuvankäsittelyä varten, ja joka voi liittyä kuva-anturin CSI-2-väylään. Lisäksi olisi energiatehokkaampaa käyttää vähävirtaista mikro-ohjainta kuvien tallennukseen ulkoiseen flash-muistiin sekä USB-liitännän hallintaan, kun dataa ladataan PC:lle.

Siksi flash-pohjainen SmartFusion2 SoC FPGA -piiri on tässä erinomainen valinta. Se on vähävirtainen, välittömästi käynnistyvä ja sisältää ARM Cortex-M3-prosessorin, jonka mikro-ohjainalijärjestelmä sisältää USB OTG (on-the-go) -ytimen. SmartFusion2:een on myös sisäänrakennettu DSP-lohkoja, riittävästi logiikkaa, sulautetut muistilohkot, ja sen voi liittää suoraan CSI-2-väylään kuva-anturia varten (ks. kuva 3).

Kuva 3. Intervallikuvauskameran lohkokaavio.

Tässä suunnittelussa FPGA-piiri liittyy suoraan kuva-anturiin ja kuvan prosessointi tehdään DSP-lohkojen sulautetussa muistissa sekä FPGA-matriisissa. SmartFusion2 käynnistyy samaan aikaan kun kameraan tulee virta. Ruudut siepataan ja prosessoidaan FPGA:lla ja tallennetaan integroituun flash-muistiin. Kun kaikki tehtävät on suoritettu, kamera ja FPGA-piiri sulkeutuvat nopeasti.

Vaikka useimmat tämän suunnittelun toiminnot voitaisin tehdä SRAM-pohjaisella FPGA-piirillä, tehonkulutus ja käynnistymiseen kuluva aika puhumattakaan akkua rasittavista tehonkulutuspiikeistä tekee SRAM-tekniikasta vähemmän kuin ideaalisen. Flash-pohjaisen SmartFusion2-piirin staattinen tehonkulutus ja kokonaistehonkulutus ovat hyvin alhaisia, mikä on ihanteellista tällaiseen paristokäyttöiseen laitteeseen. Kaiken lisäksi piirille on sisäänrakennettu ARM Cortex-M3- ja USB OTG -ohjain, joiden ansiosta tallennetut kuvat voidaan siirtää PC:lle myöhempää editointia tai katselua varten.

Jatkossa

Liikuteltavuus yleistyy elektroniikkalaitteissa. Vain joitakin älypuhelimesta rtuttuja komponentteja käyttävien suunnittelijoiden kohtaamiin haasteisiin voidaan vastata.

Yksi ratkaisu on hyödyntää vähävirtaisia, flash-pohjaisia FOGA-piirejä ja flash-pohjaisia FPGA-järjestelmäpiirejä. Näillä järjestelmäsuunnittelijoiden käytössä olevilla vaihtoehdoilla voidaan luoda lukuisia laiteyhdistelmiä, joilla saadaan toteutettu optimaalinen kannettava tuote.

MORE NEWS

Googlen jätti-investointi: aika on kypsä uudelle ydinvoimalle

Googlen 13 miljardin euron investointi Suomeen on valtava uutinen. Vielä suurempi uutinen saattaa kuitenkin olla se, mitä investointi kertoo Suomen sähköntarpeesta. Tekoäly tarvitsee sähköä. Paljon sähköä, tasaisesti ja ympäri vuorokauden.

Näkyvän valon netti sammui

Skotlantilainen Purelifi, yksi valoon perustuvan langattoman tiedonsiirron pioneereista, on asetettu maksukyvyttömyysmenettelyyn. Itse LiFi-tekniikka saatiin toimimaan ja tietoturva oli yksi sen vahvimmista valteista, mutta rahat loppuivat ennen kuin liiketoiminta ehti kannattavaksi. Kaikki yhtiön 42 työntekijää on irtisanottu.

Uusi 3D-rakenne kutistaa analogiapiirin vaatiman tilan viidesosaan

Japanilainen Nisshinbo Micro Devices on kehittänyt uuden 3D-rakenteen, jossa analoginen IC-piiri ja sen tarvitsemat passiivikomponentit voidaan yhdistää samaan koteloon. Silicon Motherboard -prototyypissä ratkaisu pienensi piirilevyltä tarvittavaa asennuspinta-alaa noin 80 prosenttia.

80 wattia irti tulitikkuaskin kokoisesta teholähteestä

Sveitsiläinen Traco Power on tuonut markkinoille TEN 80WI -sarjan DC/DC-muuntimet, jotka tuottavat 80 watin tehon vain 2 × 1 tuuman kokoisesta kotelosta. Mitoiltaan noin 51 × 25 millimetrin teholähde on siis suunnilleen tulitikkuaskin kokoinen.

Omron automatisoinut Suomea 40 vuoden ajan

Japanilainen automaatioyhtiö Omron juhlii tänä vuonna 40-vuotista toimintaansa Suomessa. Yhtiö vie syyskuussa automaatioteknologiaansa viidelle paikkakunnalle kiertueella, joka päättyy 40-vuotisjuhlaan Espoossa.

ChatGPT:stä löytyi vakava tietoturva-aukko

Check Point Research löysi OpenAI:n ChatGPT-palvelusta haavoittuvuuden, jonka avulla hyökkääjä pystyi komentamaan toisen käyttäjän tekoälyistuntoa salaa. Demonstraatiossa ChatGPT luki uhrin Gmailista tietoja ja välitti ne hyökkääjälle käyttäjän huomaamatta. Haavoittuvuus on jo korjattu.

Uusi piiri tasapainottaa litiumkennot nopeammin

STMicroelectronics on tuonut markkinoille uuden akunhallintapiirin, joka nopeuttaa litiumakkujen kennojen tasapainotusta. L9962 tarjoaa 70 milliampeerin balansointivirran ja valvoo jopa kymmentä sarjaan kytkettyä kennoa.

Fujitsu rakensi timanttispineihin perustuvan kvanttitietokoneen

Fujitsu kertoo rakentaneensa maailman ensimmäisen toimivan kvanttitietokoneprototyypin, jossa timantin tina-vakanssikeskuksiin perustuvat spinkubitit on yhdistetty fotonisiin integroituihin piireihin.

Suprajohtava piiri voi ratkaista CMOSin teho-ongelman

Belgialainen tutkimuslaitos Imec vie suprajohtavia piirejä kohti teollista valmistusta. Uudessa NbTiN-prosessissa johdot on kutistettu 30 nanometriin ja Josephson-liitoksia voidaan pakata miljoonia neliösentille. Tekniikasta haetaan huomattavasti CMOSia energiatehokkaampaa ratkaisua tulevien AI- ja HPC-järjestelmien laskentaan.

AI-agentit tulevat FPGA-kehitykseen

Tänään Tukholmassa järjestettävä FPGAworld osoittaa, kuinka tekoäly muuttaa FPGA-alaa kahdesta suunnasta. FPGA-piirit saavat kasvavan roolin fyysisessä tekoälyssä ja robotiikassa, mutta samalla AI-agentit ovat tulossa osaksi itse FPGA-suunnittelun ja verifioinnin työkaluja.

Satelliittiyhteys tulee yli sataan miljoonaan autoon

Satelliittiyhteydet ovat tulossa nopeasti osaksi autojen tietoliikennettä. Omdian ennusteen mukaan satelliitti-IoT-yhteydellä varustettujen ajoneuvojen määrä kasvaa vuoden 2023 vain 11 000 autosta yli 112 miljoonaan vuoteen 2035 mennessä.

Minikaiutin tarvitsee litran tuhannesosan ilmaa toimiakseen oikein

Minikaiuttimen suorituskyky ei riipu vain itse kaiutinelementistä. Jo yhden kuutiosenttimetrin eli litran tuhannesosan kokoinen ilmatila elementin takana voi ratkaista, saavutetaanko sille luvattu suorituskyky. Same Sky on tuonut tähän tarkoitukseen valmiit prototyyppikotelot.

Pikalatauskaapeli voi olla jopa 100 metrin mittainen

Saksalainen Vector on kehittänyt raskaan liikenteen DC-lataukseen ratkaisun, jossa ajoneuvon ja keskitetyn latauslaitteiston välinen kaapelointi voi olla jopa 100 metriä pitkä. Kyse ei ole siitä, että kuljettaja käsittelisi satametristä kaapelia, vaan latauspistoke voidaan sijoittaa kauas keskitetystä tehoelektroniikasta esimerkiksi bussi- tai kuorma-autovarikolla.

Trumpin politiikka näkyy jo siruvalmistuksessa

Donald Trumpin hallinnon voimakas pyrkimys palauttaa puolijohteiden tuotantoa Yhdysvaltoihin alkaa näkyä konkreettisina muutoksina siruteollisuuden toimitusketjuissa. Tehopuolijohteita kehittävä Navitas Semiconductor aloittaa tässä kuussa uusimpien GaN-piiriensä valmistuksen Globalfoundriesin tehtaalla Vermontissa.

SSD-valmistajat hylkäävät kuluttajia

NAND-valmistajat siirtävät tuotantokapasiteettia kuluttajien SSD-levyistä paremmin tuottaviin datakeskuslevyihin. AI-palvelimien kysyntä on nostanut enterprise-SSD-markkinan ennätykseen ja samalla kiristänyt kuluttajamarkkinan tarjontaa.

5G:n peitto paranee ilman uusia tukiasemia

5G-verkon peittoa voidaan parantaa etenkin solujen reuna-alueilla ja sisätiloissa ilman tukiasemien lähetystehon kasvattamista tai uuden verkkoinfrastruktuurin rakentamista. Anritsu ja Mediatek ovat nyt verifioineet tähän tarkoitetut 3GPP Release 17 -ominaisuudet.

Puolijohteiden valmistuslaitteiden myynti kiihtyy Euroopassa

Puolijohteiden valmistuslaitteiden markkinat kasvavat nyt nopeasti, ja Euroopassa vauhti on selvästi maailman keskiarvoa kovempaa. SEMI:n mukaan laitemyynti kasvoi Euroopassa toisella neljänneksellä peräti 70 prosenttia vuodentakaisesta.

16 gigabitin avoin linkki vie grafiikan auton näytölle

Marelli ja Microchip ovat toteuttaneet auton keskuslaskennan ja näyttöjen välisen videoyhteyden avoimella ASA Motion Link -standardilla. Ratkaisu siirtää grafiikkaa ja videota jopa 16 gigabitin sekuntinopeudella.

EU:n uusi kybervelvoite iskee siruvalmistajiin viikon päästä

EU:n kyberkestävyyssäädöksen eli CRA:n (Cyber Resilience Act) ensimmäiset käytännön velvoitteet tulevat voimaan 11. syyskuuta. Viikon päästä valmistajien on alettava raportoida aktiivisesti hyväksikäytetyistä haavoittuvuuksista ja vakavista tietoturvapoikkeamista. Velvoite koskee myös EU:n ulkopuolisia puolijohdeyrityksiä, jos niiden tuotteita myydään unionin markkinoilla.

Uusi SiC-transistori avaa tien 600 asteen elektroniikkaan

Kioton yliopiston tutkijat ovat kehittäneet piikarbidista transistorin, joka toimii jopa 600 celsiusasteen lämpötilassa. Uusi SiC-rakenne voisi mahdollistaa integroidut piirit ympäristöihin, joissa tavallinen piielektroniikka ei enää selviä.

Sep # puffbox mobox till tme native
37  #  mobox för square
2026  # mobox för megabox
Sep  # puffbox mobox till square
TMSNet  advertisement

© Elektroniikkalehti

 
 

TECHNICAL ARTICLES

Suojattu flash suojaa kaikki nettiin liitetyt laitteet

ETN - Technical articleSuojattu flash-muisti tarjoaa verkkoon liitetyille laitteille ja järjestelmille laitteistopohjaisen suojauskerroksen ja täyttää NIST SP800-193 -ohjeistuksen mukaiset häiriönsietovaatimukset. Muistipiireihin erikoistuneen Winbondin kehittämä suojattu flash-piiri on myös suoraan korvaava ja täysin yhteensopiva tavanomaisten NOR-flash-piirien kanssa.

Lue lisää...

OPINION

Googlen jätti-investointi: aika on kypsä uudelle ydinvoimalle

Googlen 13 miljardin euron investointi Suomeen on valtava uutinen. Vielä suurempi uutinen saattaa kuitenkin olla se, mitä investointi kertoo Suomen sähköntarpeesta. Tekoäly tarvitsee sähköä. Paljon sähköä, tasaisesti ja ympäri vuorokauden.

Lue lisää...

 

LATEST NEWS

  • Googlen jätti-investointi: aika on kypsä uudelle ydinvoimalle
  • Näkyvän valon netti sammui
  • Uusi 3D-rakenne kutistaa analogiapiirin vaatiman tilan viidesosaan
  • 80 wattia irti tulitikkuaskin kokoisesta teholähteestä
  • Omron automatisoinut Suomea 40 vuoden ajan

NEW PRODUCTS

  • 80 wattia irti tulitikkuaskin kokoisesta teholähteestä
  • Uusi piiri tasapainottaa litiumkennot nopeammin
  • Mediatekin uusin tuo kielimallit kodinkoneisiin
  • Bluetooth haastaa UWB:n etäisyysmittauksessa
  • 6 watin DC/DC-muunnin mahtuu tuuman koteloon
 
 

Section Tapet