用于 LiDAR 的 Zynq UltraScale+ MPSoC 系统级模块

（图片来源：iWave Systems）

LiDAR 已经成为许多科学和军事应用的重要遥感技术。它提供高分辨率和精确三维结构测量，轻松地将接收到的数据转换为三维地图，以解释周围的情况，即使在具有挑战性的天气和照明条件下也不会受到影响。

支持 LiDAR 技术的 Zynq UltraScale+ MPSoC 适应性

Zynq UltraScale+ MPSoC 器件实现了基于 SoC 的自适应产品设计，这给 LiDAR 应用实现带来了非常大的前景。将处理器和 FPGA 架构同时整合到一个设备中，可以针对任何特定领域快速部署一个灵活、优化的解决方案。

FPGA 的可编程性为开发产品的定制功能提供了很大的灵活性。另外，FPGA 有可能通过采用多级并行的方式来加快处理速度。

Zynq UltraScale+ MPSoC 系列将实时控制与图形、视频、波形和数据包处理的软、硬引擎结合到一起，从而造就强大、灵活的 MPSoC 器件，足以为 LiDAR 传感器提供先进的功能：信号处理、点云预处理和点云机器学习加速。此外，Zynq MPSoC 器件以其高能效而闻名，这对 LiDAR 来说至关重要。

为什么使用 SoM 方法来构建 LiDAR 产品？

使用系统组模块方式来构建 LiDAR 产品有明显的优势，解决了设计周期中涉及的几个复杂问题。产品设计师可以避免复杂的硬件设计，从而专注于固件和软件堆栈开发。这大大缩短了产品上市所需时间，降低了产品开发成本。

此外，系统级模块为设计者带来了巨大的可扩展性和灵活性，当迁移到一个更高的计算系统级模块时，无需改变载卡的设计。

用于 LiDAR 的 Zynq MPSoC 系统级模块功能

Zynq UltraScale+ MPSoC SoM 采用异构 Arm® + FPGA 架构，并提供了处理系统 (PS) 和可编程逻辑 (PL) 的强大组合。

• PS 包含一个四核 Arm Cortex®-A53 处理器，工作频率高达 1.5 GHz，以及一个配备 Arm Cortex-R5 处理器的实时处理单元，工作频率高达 600 MHz。
• 基于 16 纳米 UltraScale+ 架构的 PL 模块包含了多达 504 K 的可配置逻辑块、块 RAM 和 DSP 元件

图 1：Zynq UltraScale+ MPSoC SoM。（图片来源：iWave Systems）

其他优势包括：

• 任意互连的对接
• 设计工具链
• 图像处理能力
• 加速的神经网络
• 安全和保障功能

任意互连的对接

要符合不同的接口标准是传感器对接和处理所带来的一个重大挑战。典型的解决方案应有能力支持高速接口，如 MIPI、JESD204B、LVDS 和 GigE，以支持高带宽传感器，如摄像头、RADAR 和 LiDAR。还需要进行传感器对接和处理，以便与使用 CAN、SPI、I2C 和 UART 等标准的加速计的低带宽传感器对接。

Zynq UltraScale+ MPSoC PS 和 PL 支持各种工业标准接口，如 CAN、SPI、I2C、UART 和 GigE。PL 的 I/O 灵活性允许与 MIPI、LVDS 和 GB 级串行链接直接对接，允许在 PL 内实现更高级别的协议。

通过在硬件设计中提供正确的 PHY，PL 可以实现任何接口，从而获得任意互连的对接能力。

设计工具链

Zynq UltraScale+ 器件附带 Vivado 设计套件，用于配置 PS 和 PL 设计。Vivado 提供完整的 PL 开发体验，包括对合成、布置和走线以及仿真的支持。

当涉及到开发软件解决方案时，Vitis 就可发挥作用。Vitis 支持使用 PetaLinux 和像 FreeRTOS 这样的实时操作系统的嵌入式 Linux 开发。

除了系统开发能力外，Vitis 还支持在 PL 内使用 OpenCL 进行内核加速。

图像处理能力

图像处理在 LiDAR 应用的导航和监测方面至关重要。通常情况下，这些系统中使用的算法是在高级别框架（如 OpenCV）中创建和建模的。

Zynq UltraScale+ MPSoC EV 系列中包含一个 H.264/H.265 视频编解码单元，以支持图像处理。

加速的神经网络

除了图像处理，机器学习也是开发自动化应用的一项关键技术。机器学习有助于对公路上的物体进行分类，或帮助观察和监测乘员。

为了实现这一点，Viti AI 提供了 Model Zoo、AI 编译器、优化器、量化器和分析器，以将应用部署到深度学习处理单元上。

安全和保障功能

高级加密标准 (AES) 用于保护 Xilinx 器件的配置。

Zynq UltraScale+ MPSoC 器件通过 PS 内的配置安全单元 (CSU) 进一步实现分层的安全解决方案。CSU 支持 AES 256-GCM、4096 RSA 乘法器和 SHA-384，提供保密性、认证和完整性功能。

通过内置系统监控器的防篡改响应，客户可以跟踪 SoM 的器件电压和芯片温度。

整个 iWave Zynq MPSoC SoM 的可扩展性

iWave 为 Zynq UltraScale+ MPSoC 系列提供了广泛的系统级模块组合，覆盖从 ZU4 到 ZU19 的各种变型。这些模块可服务于各种行业，包括高端工业、军事和国防。

在逻辑密度、I/O 可用性、收发器通道数和高速 DDR 设计方面，这些系统级模块为终端应用带来了出色的可扩展性。因此，一个设计好的载板可以覆盖多种 I/O 端口，适用于各种终端产品，从带有 192 K 逻辑单元的 ZU4 到带有最高 1.1 M 逻辑单元的 ZU19。