FPGA解决物联网实现的核心挑战

作者：Helmut Demel，德国莱迪思半导体公司（Lattice Semiconductor）工程师

当前，物联网（IoT）已成为一个广受欢迎的名词，几乎每一个电子设备相互连接到互联网上加以使用，都被大家称为物联网。它包含了一个从智能家电、汽车到可穿戴设备相关的各种应用程序列表，并且这一列表仍在持续呈现爆炸式增长。但这种增长却恰恰带来了它的实战挑战，需要找到解决方案。

智能，连接的设备，和物联网的生态系统，他们正在帮助创造，致力于改变日常生活。对于个别的消费者，可能意味着使设备更有效和成本效益的日常任务，让他们更安全，甚至有助于确保他们过上更健康的生活。对于企业来说，物联网的承诺技术在自动化、能源效率、资产跟踪和库存控制、运输和位置、安全、个人跟踪和节能方面具有显著的优势。

但要实现将百亿量级设备组成物联网，设计师必须克服重大的实战挑战。其中的一些关键，例如提高物联网设备的能源效率，处理不兼容的接口，以及提供一个处理增长路径来处理不可避免的设备性能增长要求。一个基于FPGA的设计方法可以帮助解决这些挑战。

挑战1：能源效率

物联网是一个强大的概念，有希望如字面所述改变社会生活和工作的能力。事实上，目前很多领域都正在向物联网发展，这将使很多物（things）看起来与今天大不相同，从消费者的角度考虑只是其中的一部分。例如，可穿戴设备像耐克FuelBand常常需要八九个组件，包括处理器、无线模块、存储器、显示器、八个传感器和一个USB接口。在接下来的几年中，组件数量可能会下降，但三或四个剩余的组件的复杂性和晶体管数量将迅速增长，因为更多的内存和处理能力是必需的，并相应的让屏幕分辨率和亮度增加。实现能源效率使物联网设备在单电池下运行多年，不是一件容易的事。它要求使用低功率元件和更有效的电力系统。而且，它将需要在架构和芯片级的相应改善。

如今，几乎每一个物联网设备的设计重点都集中在确保它是尽可能高效节能的（图1）。例如，对于一个智能手机，这可能意味着（比现在的）好得太多，但这不会在一夜之间发生。相反，它会分别反应在几代的产品中，一步一步地优化。而物联网设备在每个层面都应该首先保证能源效率。

大多数物联网应用程序都需要“永远在线”。最简单的例子，物联网终端处于待机模式，等待一些人的互动来唤醒它。然而，如果一个活动的处理器被用来监视用户交互设备，该设备将消耗大量的功率。主处理器，在无线模块中的处理器核心，和显示一样是能耗最大的消费者。因此在物联网终端，必须采用最独特的方案，最小化功耗的需求。

有一个可提供“永远在线”的解决方案，使用一个小的、低功耗的FPGA监测传感器、按钮、甚至语音命令。处理器、无线模块，显示待机模式，直到FPGA决定用户的需要“唤醒”终端提供服务。除了低功耗，这种架构不同于其他模式状态下电源管理，其他设备实际上是在线或关闭，而它则是休眠或部分唤醒，使处理器能够动态地从一个阶段到另一个。这种方法显著的节省了功率，从而获得了更长的电池寿命、更长的显示寿命和较低的热辐射。


图1 监测传感器工作而处理器休眠

挑战2：不兼容的接口

任何物联网产品都包含几个具有独特功能的子系统。根据需求，每个子系统都有许多不同的组件选项。然而，在许多情况下，设计师只能被迫选择完全基于接口兼容性的组件。

例如，物联网产品设计的核心，可以改变处理器的分配，但在时间和人力资源上，由于需要重构代码，配合新的功能，需要非常昂贵的测试和认证。然而，如果你想换一个新的无线模块，因为它更便宜或有一些新的功能，但它需要使用一个新的串行接口，您的处理器不能支持，选择改变你的处理器，还是找一个解决方案，以低成本的维持这两个接口，并且不增加原的容量？幸运的是，有一个解决方案：使用一个非常小的、低成本FPGA桥接接口。

现阶段我们拥有许多不同接口的桥接参考设计。这些基于FPGA的解决方案，如图像传感器接口，处理器不支持SubLVDS、CSI-2、或HiSPi，或一个处理器只有一个视频输出显示的低成本实现SPI。FPGA能够解决这个问题，仍然保持着节约成本和形成因素。在图2中看到一些例子，通过以下5。


图2 -嵌入式图像传感器和应用处理器桥


图3–连接一个低分辨率的相机处理器的SPI端口


图4 -转换显示接口


图5处理器空闲到低功耗的刷新屏幕

挑战3：适应增长需求迁移到一个新的处理器

俗话说，唯一不变的是变化。这是相当真实的，在所有的电子产品，包括那些涉及物联网的产品。大多数电子产品的这种变化是添加剂的性质-增加新的功能，新的接口，更多的内存，更大的显示器，改进的无线模块，和新的传感器。这样的迁移从一代一代产品家族往往需要迁移到一个更大的、更强大的处理器，以容纳额外的iOS，更高的带宽，和新的接口标准。

然而，有另一个选择——FPGA处理器。一种低成本的FPGA可以用来增加和补充许多处理器的要求，使设计人员能够保持现有的处理器同时尽量减少影响到固件。这伙伴FPGA可以扩大iOS的数量，控制一种新的指令，新的串行接口标准的桥梁，或添加更多的传感器，通过扩展I2C和SPI串行端口。这里有一些图6和图7的例子。


图6–处理器扩展为DDR3，LED显示


图7–扩大物联网网关应用SGMII处理器