Sistema em módulos Zynq UltraScale+ MPSoC para LiDAR

(Fonte da imagem: iWave Systems)

O LiDAR surgiu como uma importante tecnologia de sensoriamento remoto para muitas aplicações científicas e militares. Ele fornece medições precisas e de alta resolução de estruturas 3D, converte facilmente os dados recebidos em mapas 3D para interpretar o entorno, e permanece inalterado mesmo em condições climáticas e de iluminação desafiadoras.

A adaptabilidade do Zynq UltraScale+ MPSoC para suportar a tecnologia LiDAR

Os dispositivos Zynq UltraScale+ MPSoC permitem um projeto adaptativo do produto baseado em SoC, o que é extremamente promissor para a implementação da aplicação LiDAR. A integração tanto do processador quanto da arquitetura FPGA em um único dispositivo permite a rápida implementação de uma solução flexível, porém otimizada para qualquer domínio.

A programabilidade do FPGA proporciona uma grande flexibilidade no desenvolvimento de capacidades personalizadas para o produto. Além disso, os FPGAs têm o potencial de acelerar o processamento, empregando paralelismo de vários níveis.

A série Zynq UltraScale+ MPSoC combina controle em tempo real com mecanismos de software e hardware para gráficos, vídeo, forma de onda e processamento de pacotes. Como resultado, os dispositivos MPSoC são poderosos e flexíveis o suficiente para fornecer capacidades avançadas para os sensores LiDAR: processamento de sinais, pré-processamento da nuvem de pontos e aceleração da aprendizagem da máquina da nuvem de pontos. Além disso, os dispositivos Zynq MPSoC são bem conhecidos por serem eficientes no consumo de energia, o que é crítico para os LiDARs.

Por que usar uma abordagem SoM para construir produtos LiDAR

O uso de uma abordagem System-on-Module, ou sistema em módulo, para a construção de produtos LiDAR oferece benefícios significativos ao se livrar de várias complexidades envolvidas no ciclo de projeto. Um projetista de produto pode se concentrar no desenvolvimento de firmware e pilhas de software, eliminando a parte complexa de hardware do projeto. Isto reduz significativamente o tempo de colocação no mercado com custos reduzidos de desenvolvimento de produtos.

Além disso, o sistema em módulos oferece enorme escalabilidade e flexibilidade a um projetista ao migrar para um SoM de computação mais elevada, sem alterar o projeto de uma placa portadora.

Características do sistema em módulo Zynq MPSoC para LiDAR

O SoM Zynq UltraScale+ MPSoC apresenta a arquitetura heterogênea Arm® + FPGA e fornece uma combinação robusta do sistema de processamento (PS) e lógica programável (PL).

• O PS contém um processador Cortex®-A53 de quatro núcleos operando em até 1,5 GHz e uma unidade de processamento em tempo real equipada com processadores Arm Cortex-R5 operando em até 600 MHz
• PL baseado na arquitetura UltraScale+ de 16 nm que contém até 504 K de blocos lógicos configuráveis, RAM de bloco e elementos DSP

Figura 1: O SoM Zynq UltraScale+ MPSoC. (Fonte da imagem: iWave Systems)

Outros benefícios incluem:

• Interface universal
• Cadeias de ferramentas de projeto
• Capacidades de processamento de imagem
• Rede neural acelerada
• Características de segurança e proteção

Interface universal

O cumprimento de diferentes padrões de interface é um desafio significativo apresentado pela interface e processamento de sensores. Uma solução típica deve ter a capacidade de suportar interfaces de alta velocidade como MIPI, JESD204B, LVDS e GigE para suportar sensores de alta largura de banda como câmeras, RADAR e LiDAR. A interface e o processamento de sensores também serão necessários para conectar com sensores de menor largura de banda que utilizam padrões como CAN, SPI, I2C e UARTs para acelerômetros.

Os PS e PL do Zynq UltraScale+ MPSoCs suportam uma variedade de interfaces padrões da indústria como CAN, SPI, I2C, UART e GigE. A flexibilidade de E/S do PL permite uma interface direta com conexões seriais MIPI, LVDS e GigaBit, permitindo níveis mais altos de implementação de protocolos dentro do PL.

Ao fornecer o PHY correto no projeto do hardware, o PL permite que qualquer interface seja implementada, proporcionando uma interface universal.

Cadeias de ferramentas de projeto

Os dispositivos Zynq UltraScale+ vêm com o Vivado Design Suite para configurar o projeto PS e PL. Vivado fornece a experiência completa de desenvolvimento PL, incluindo o suporte para síntese, local e rota, e simulação.

O Vitis entra em jogo quando se trata de desenvolver soluções de software. O Vitis suporta o desenvolvimento do Linux embarcado, usando PetaLinux e sistemas operacionais em tempo real, como o FreeRTOS.

Além das capacidades de desenvolvimento do sistema, o Vitis suporta a aceleração do kernel dentro do PL usando OpenCL.

Capacidades de processamento de imagem

O processamento de imagens é crítico nas aplicações LiDAR para navegação e monitoramento. Normalmente, os algoritmos usados nestes sistemas são criados e modelados em estruturas de alto nível, como o OpenCV.

Uma unidade de codec de vídeo H.264/H.265 está incluída na série Zynq UltraScale+ MPSoC EV para suportar o processamento de imagens.

Rede neural acelerada

Além do processamento de imagens, o aprendizado de máquinas é uma tecnologia crítica para o desenvolvimento de aplicações automatizadas. O aprendizado da máquina ajuda a classificar objetos na rodovia ou a observar e monitorar os ocupantes.

Para permitir isso, o Viti AI fornece o Model Zoo, AI compiler, Optimizer, Quantizer e profiler para implantar a aplicação na unidade de processamento de aprendizado profundo.

Características de segurança e proteção

O Advanced Encryption Standard (AES) é usado para garantir a configuração dos dispositivos Xilinx.

Os dispositivos Zynq UltraScale+ MPSoC implementam ainda mais soluções de segurança em camadas através da unidade de segurança de configuração (CSU) dentro do PS. A CSU suporta AES 256-GCM, 4096 RSA Multiplier e SHA-384, fornecendo funções de confidencialidade, autenticação e integridade.

A resposta antiadulteração através do monitor do sistema embutido permite ao cliente rastrear as tensões do dispositivo e as temperaturas da matriz do SoM.

Escalabilidade através do SoM Zynq MPSoC da iWave

A iWave oferece um extenso portfólio de Sistemas em Módulos para a série Zynq UltraScale+ MPSoC variando desde ZU4 a ZU19. Estes módulos atendem a uma variedade de indústrias, incluindo as de alta tecnologia, militares e de defesa.

Em termos de densidade lógica, disponibilidade de E/S, número de pistas transceptoras e projeto DDR de alta velocidade, estes Sistemas em Módulos oferecem excelente escalabilidade para aplicações finais. Assim, uma placa portadora projetada pode cobrir várias portas de E/S para uma ampla gama de produtos finais, desde ZU4 com 192 K de células lógicas a ZU19 com até 1,1 M de células lógicas.