Sistema Zynq UltraScale+ MPSoC en módulos para LiDAR

(Fuente de la imagen: iWave Systems)

El LiDAR se ha convertido en una importante tecnología de teledetección para muchas aplicaciones científicas y militares. Proporciona mediciones precisas y de alta resolución de estructuras 3D, convierte fácilmente los datos recibidos en mapas 3D para interpretar el entorno y no se ve afectado ni siquiera en condiciones meteorológicas y de iluminación difíciles.

La adaptabilidad de Zynq UltraScale+ MPSoC para admitir la tecnología LiDAR

Los dispositivos Zynq UltraScale+ MPSoC permiten un diseño de producto basado en un SoC adaptativo, lo que resulta muy prometedor para la implementación de aplicaciones LiDAR. La integración de la arquitectura del procesador y de la FPGA en un único dispositivo permite la rápida implantación de una solución flexible y optimizada para cualquier ámbito.

La programabilidad de la FPGA proporciona una gran flexibilidad en el desarrollo de capacidades personalizadas para el producto. Además, las FPGA tienen el potencial de acelerar el procesamiento empleando el paralelismo multinivel.

La serie Zynq UltraScale+ MPSoC combina el control en tiempo real con motores blandos y duros para el procesamiento de gráficos, vídeo, formas de onda y paquetes. Como resultado, los dispositivos MPSoC son lo suficientemente potentes y flexibles como para ofrecer capacidades avanzadas para los sensores LiDAR: procesamiento de señales, preprocesamiento de nubes de puntos y aceleración del aprendizaje automático de nubes de puntos. Además, los dispositivos Zynq MPSoC son bien conocidos por su eficiencia energética, lo que es fundamental para los LiDAR.

Por qué utilizar un enfoque SoM para construir productos LiDAR

El uso de un enfoque de sistema en módulo para la construcción de productos LiDAR ofrece importantes ventajas al descargar varias complejidades del ciclo de diseño. Un diseñador de productos puede centrarse en el desarrollo de pilas de firmware y software eliminando la compleja parte de hardware del diseño. Esto reduce significativamente el tiempo de comercialización con un menor costo de desarrollo del producto.

Además, el Sistema en Módulos proporciona una enorme escalabilidad y flexibilidad a un diseñador a la hora de migrar a un SoM de mayor computación sin cambiar el diseño de una tarjeta portadora.

Características del sistema Zynq MPSoC en módulo para LiDAR

El Zynq UltraScale+ MPSoC SoM cuenta con la arquitectura heterogénea Arm® + FPGA y ofrece una sólida combinación del sistema de procesamiento (PS) y la lógica programable (PL).

• El PS contiene un procesador Arm Cortex®-A53 de cuatro núcleos que funciona a un máximo de 1,5 GHz y una unidad de procesamiento en tiempo real equipada con procesadores Arm Cortex-R5 que funcionan a un máximo de 600 MHz
• PL basado en la arquitectura UltraScale+ de 16 nm que contiene hasta un bloque lógico configurable de 504 K, RAM en bloque y elementos DSP

Figura 1: El SoM Zynq UltraScale+ MPSoC. (Fuente de la imagen: iWave Systems)

Otras ventajas son:

• Interfaz cualquiera a cualquiera
• Cadenas de herramientas de diseño
• Capacidades de procesamiento de imágenes
• Red neuronal acelerada
• Elementos de seguridad y protección

Interfaz cualquiera a cualquiera

El cumplimiento de las diferentes normas de interconexión es un reto importante que presenta la interconexión y el procesamiento de los sensores. Una solución típica debe tener la capacidad de admitir interfaces de alta velocidad como MIPI, JESD204B, LVDS y GigE para admitir sensores de gran ancho de banda como cámaras, RADAR y LiDAR. También se requerirá la interconexión y el procesamiento de los sensores para interactuar con los sensores de menor ancho de banda que utilizan estándares como CAN, SPI, I2C y UART para los acelerómetros.

Los Zynq UltraScale+ MPSoCs PS y PL son compatibles con una variedad de interfaces estándar del sector, como CAN, SPI, I2C, UART y GigE. La flexibilidad de la E/S del PL permite la interconexión directa con enlaces seriales MIPI, LVDS y GigaBit, lo que permite niveles más altos de implementación de protocolos dentro del PL.

Al proporcionar el PHY correcto en el diseño del hardware, el PL permite implementar cualquier interfaz, proporcionando una interconexión de cualquiera a cualquiera.

Cadenas de herramientas de diseño

Los dispositivos Zynq UltraScale+ vienen con Vivado Design Suite para configurar el diseño PS y PL. Vivado proporciona la experiencia completa de desarrollo de PL, incluyendo el soporte para la síntesis, la colocación y la ruta, y la simulación.

Vitis entra en juego cuando se trata de desarrollar soluciones de software. Vitis soporta el desarrollo de Linux embebido utilizando PetaLinux y sistemas operativos en tiempo real como FreeRTOS.

Además de las capacidades de desarrollo del sistema, Vitis admite la aceleración del núcleo dentro del PL mediante OpenCL.

Capacidades de procesamiento de imágenes

El procesamiento de imágenes es fundamental en las aplicaciones LiDAR para la navegación y la vigilancia. Normalmente, los algoritmos utilizados en estos sistemas se crean y modelan en marcos de alto nivel como OpenCV.

La serie Zynq UltraScale+ MPSoC EV incluye una unidad de códec de vídeo H.264/H.265 para el procesamiento de imágenes.

Red neuronal acelerada

Además del procesamiento de imágenes, el aprendizaje automático es una tecnología fundamental para el desarrollo de aplicaciones automatizadas. El aprendizaje automático ayuda a clasificar objetos en la carretera o a observar y vigilar a los ocupantes.

Para ello, Viti AI proporciona Model Zoo, AI compiler, Optimizer, Quantizer y profiler para desplegar la aplicación en la unidad de procesamiento de aprendizaje profundo.

Elementos de seguridad y protección

El estándar de cifrado avanzado (AES) se utiliza para asegurar la configuración de los dispositivos Xilinx.

Los dispositivos Zynq UltraScale+ MPSoC implementan además soluciones de seguridad por capas a través de la unidad de seguridad de configuración (CSU) dentro del PS. El CSU es compatible con AES 256-GCM, 4096 RSA Multiplier y SHA-384, proporcionando funciones de confidencialidad, autenticación e integridad.

La respuesta antimanipulación a través del monitor del sistema incorporado permite al cliente realizar un seguimiento de los voltajes del dispositivo y de las temperaturas de la matriz del SoM.

Escalabilidad en el SoM iWave Zynq MPSoC

iWave ofrece una amplia cartera de módulos System on para la serie Zynq UltraScale+ MPSoC que va desde las variantes ZU4 a ZU19. Estos módulos sirven a una gran variedad de industrias, como la industrial de alta gama, la militar y la de defensa.

En términos de densidad lógica, disponibilidad de E/S, número de carriles de transceptores y diseño DDR de alta velocidad, estos sistemas en módulos proporcionan una excelente escalabilidad para las aplicaciones finales. Así, una placa portadora diseñada puede cubrir múltiples puertos de E/S para una amplia gama de productos finales, desde ZU4 con 192 K células lógicas hasta ZU19 con hasta 1.1 M células lógicas.