FPGA解決物聯網實現的核心挑戰

原文：FPGAs solve challenges at the core of IoT implementation
作者：Helmut Demel，德國萊迪思半導體公司（Lattice Semiconductor）工程師
譯者：艾美婷 校審：朱正貴
責編：周建丁（zhoujd@csdn.net）

當前，物聯網（IoT）已成為一個廣受歡迎的名詞，幾乎每一個電子裝置相互連線到網際網路上加以使用，都被大家稱為物聯網。它包含了一個從智慧家電、汽車到可穿戴裝置相關的各種應用程式列表，並且這一列表仍在持續呈現爆炸式增長。但這種增長卻恰恰帶來了它的實戰挑戰，需要找到解決方案。

智慧，連線的裝置，和物聯網的生態系統，他們正在幫助創造，致力於改變日常生活。對於個別的消費者，可能意味著使裝置更有效和成本效益的日常任務，讓他們更安全，甚至有助於確保他們過上更健康的生活。對於企業來說，物聯網的承諾技術在自動化、能源效率、資產跟蹤和庫存控制、運輸和位置、安全、個人跟蹤和節能方面具有顯著的優勢。

但要實現將百億量級裝置組成物聯網，設計師必須克服重大的實戰挑戰。其中的一些關鍵，例如提高物聯網裝置的能源效率，處理不相容的介面，以及提供一個處理增長路徑來處理不可避免的裝置效能增長要求。一個基於FPGA的設計方法可以幫助解決這些挑戰。

挑戰1：能源效率

物聯網是一個強大的概念，有希望如字面所述改變社會生活和工作的能力。事實上，目前很多領域都正在向物聯網發展，這將使很多物（things）看起來與今天大不相同，從消費者的角度考慮只是其中的一部分。例如，可穿戴裝置像耐克FuelBand常常需要八九個元件，包括處理器、無線模組、儲存器、顯示器、八個感測器和一個USB介面。在接下來的幾年中，元件數量可能會下降，但三或四個剩餘的元件的複雜性和電晶體數量將迅速增長，因為更多的記憶體和處理能力是必需的，並相應的讓螢幕解析度和亮度增加。實現能源效率使物聯網裝置在單電池下執行多年，不是一件容易的事。它要求使用低功率元件和更有效的電力系統。而且，它將需要在架構和晶片級的相應改善。

如今，幾乎每一個物聯網裝置的設計重點都集中在確保它是儘可能高效節能的（圖1）。例如，對於一個智慧手機，這可能意味著（比現在的）好得太多，但這不會在一夜之間發生。相反，它會分別反應在幾代的產品中，一步一步地優化。而物聯網裝置在每個層面都應該首先保證能源效率。

大多數物聯網應用程式都需要“永遠線上”。最簡單的例子，物聯網終端處於待機模式，等待一些人的互動來喚醒它。然而，如果一個活動的處理器被用來監視使用者互動裝置，該裝置將消耗大量的功率。主處理器，在無線模組中的處理器核心，和顯示一樣是能耗最大的消費者。因此在物聯網終端，必須採用最獨特的方案，最小化功耗的需求。

有一個可提供“永遠線上”的解決方案，使用一個小的、低功耗的FPGA監測感測器、按鈕、甚至語音命令。處理器、無線模組，顯示待機模式，直到FPGA決定使用者的需要“喚醒”終端提供服務。除了低功耗，這種架構不同於其他模式狀態下電源管理，其他裝置實際上是線上或關閉，而它則是休眠或部分喚醒，使處理器能夠動態地從一個階段到另一個。這種方法顯著的節省了功率，從而獲得了更長的電池壽命、更長的顯示壽命和較低的熱輻射。

圖1 監測感測器工作而處理器休眠

挑戰2：不相容的介面

任何物聯網產品都包含幾個具有獨特功能的子系統。根據需求，每個子系統都有許多不同的元件選項。然而，在許多情況下，設計師只能被迫選擇完全基於介面相容性的元件。

例如，物聯網產品設計的核心，可以改變處理器的分配，但在時間和人力資源上，由於需要重構程式碼，配合新的功能，需要非常昂貴的測試和認證。然而，如果你想換一個新的無線模組，因為它更便宜或有一些新的功能，但它需要使用一個新的序列介面，您的處理器不能支援，選擇改變你的處理器，還是找一個解決方案，以低成本的維持這兩個介面，並且不增加原的容量？幸運的是，有一個解決方案：使用一個非常小的、低成本FPGA橋接介面。

現階段我們擁有許多不同介面的橋接參考設計。這些基於FPGA的解決方案，如影像感測器介面，處理器不支援SubLVDS、CSI-2、或HiSPi，或一個處理器只有一個視訊輸出顯示的低成本實現SPI。FPGA能夠解決這個問題，仍然保持著節約成本和形成因素。在圖2中看到一些例子，通過以下5。

圖2 -嵌入式影像感測器和應用處理器橋

圖3–連線一個低解析度的相機處理器的SPI埠

圖4 -轉換顯示介面

圖5處理器空閒到低功耗的重新整理螢幕

挑戰3：適應增長需求遷移到一個新的處理器

俗話說，唯一不變的是變化。這是相當真實的，在所有的電子產品，包括那些涉及物聯網的產品。大多數電子產品的這種變化是新增劑的性質-增加新的功能，新的介面，更多的記憶體，更大的顯示器，改進的無線模組，和新的感測器。這樣的遷移從一代一代產品家族往往需要遷移到一個更大的、更強大的處理器，以容納額外的iOS，更高的頻寬，和新的介面標準。

然而，有另一個選擇——FPGA處理器。一種低成本的FPGA可以用來增加和補充許多處理器的要求，使設計人員能夠保持現有的處理器同時儘量減少影響到韌體。這夥伴FPGA可以擴大iOS的數量，控制一種新的指令，新的序列介面標準的橋樑，或新增更多的感測器，通過擴充套件I2C和SPI串列埠。這裡有一些圖6和圖7的例子。

圖6–處理器擴充套件為DDR3，LED顯示

圖7–擴大物聯網閘道器應用SGMII處理器

結論

隨著物聯網市場的發展，我們將面臨大量智慧的、獨特的互聯裝置的挑戰。這些主要的設計挑戰包括能源效率、在不同的介面之間的互操作性和新的處理器的相容性。然而，解決最常見的設計問題可以用可程式設計邏輯器件如FPGA解決，它提供了一個成本低、體積小、低功耗和物聯網應用解決方案的理想選擇。

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