迎接可穿戴设备时代的设计挑战

　　例如，常用于CMOS图像传感器的Sub-LVDS接口采用与许多常用应用处理器使用的CSI-2接口不同的数据帧格式(图1)。此外，器件的接口还可能具备不同数量的串行通道。另一个导致“数字断裂”的原因是，许多通用MCU具备GPIO以及其他并行接口，其必须要转换成一种现在大多数传感器和显示屏使用的串行格式。此外，可穿戴应用中采用的紧凑封装MCU的引脚数量太少，限制了其可直接访问的器件数量。

　　应用处理器所支持的接口与众多传感器和输出设备所要求的接口之间也存在着“功能性鸿沟”。一个简单的例子是，可穿戴设备可实现电视机或其他电子产品的红外远程控制。而这种情况下，大多数MCU并不具备的LED驱动能力成为了应用处理器和红外(IR)LED之间的“功能性鸿沟”。

　　IR编码器是一种纯数字功能，至少从理论上来说可以由MCU的应用处理器实现。但是在许多情况中，这并不是最理想的解决方案，因为实时编码需要占用的处理器资源已经超过了系统能够节省的资源。并且，应用处理器在编码任务上花费的额外时间将导致消耗过多有限的系统功耗，因此最好使用硬件实现。

　　基于FPGA的解决方案

　　现在，FPGA可提供高性价比的方式来实现接口间的桥接以及为现有的器件添加新功能并缩短设计周期。而早期的可编程逻辑器件相对来说过于昂贵，并且功耗惊人，所以常用来作为初代设计或小批量产品的原型设计工具和“胶合”元件。

　　步入21世纪后，深亚微米工艺和新架构的发展带动了性能和通用性增强的新型FPGA的实现，并显著降低了成本和功耗。这使得现在的FPGA能够在可穿戴电子设备中发挥多种作用。

　　当然，FPGA仍在其传统的应用领域中不断发挥作用，如提供“胶合”逻辑、实现基础功能，包括提供额外的逻辑单元(门电路、锁存器、触发器等)，添加输入信号调节(电平转换、施密特触发器和反相器)，以及为已有的主机处理器I/O互连提供扩展路径。

　　FPGA还能用于实现前文所提到的更复杂的功能。其最简单的形式是提供桥接功能，如图2所示，FPGA能解决图1中展示的传感器Sub-LVDS接口与应用处理器的CSI-2 I/O总线之间的桥接问题。

　　图2：嵌入式图像传感器和应用处理器间的桥接。

　　在串/并转换应用中也经常使用基于FPGA的桥接。图3展示了可编程逻辑器件是怎样将应用处理器的标准并行总线转换成现在的可穿戴设备显示屏最常用的MIPI DSI接口的串行格式的。在该应用中，FPGA负责实现以下功能：

　　重新定义图像传感器的LVDS输出格式，以匹配应用处理器支持的通道数量和数据速率;

　　将传感器的数据时钟信号传输至应用处理器，实现任何所需的信号编码;

　　使用可编程逻辑而不是应用处理器有限的机器周期来实现屏幕刷新动作。

　　图3：用于可穿戴设备显示屏的GPIO/DSI桥接。

　　桥接功能也可用作基于FPGA的更大系统元件的构建模块，如实现图4中的双输入桥接/处理器，它将接收来自2个独立图像传感器的CSI-2串行数据流，并将其处理为单个CSI-2或并行或HiSPI输出。根据所选的算法，可对独立的数据流进行色彩调整或在时间或空间上进行补偿生成单幅3D图像，或在屏幕坐标空间的不同位置对其单独显示产生画中画效果。

　　图4：FPGA可用于实现实时视频处理功能，如生成3D立体图像、视场或画中画。