SoC FPGA異構芯片在智能家電領域的差異化設計

智能家電的發展需求

隨著技術的進步和信息化程度的提高，人們對智能家電的要求也越來越高。智能家電產品在升級進階的過程中，針對家電產品的技術方面，包括電機運動控制、HMI的可視化控制、遠程無線控制等諸多方面的多元化應用都有了高層次的需求。

多集成強算力SoC FPGA助力AIoT快速發展

在AIoT時代，智能家電的主控IC將不再只是負責核心控制，而是需要融合推理和運算等AI能力，更將圖像分析、生物識別等多種人工智能算法融入家電領域，已經成為智能家電產品發展的必然趨勢之一。

新一代SoC FPGA憑借其強大的并行處理數據的能力和實時性的特點在AIoT領域發揮著獨特的作用。隨著集成電路的發展，SoC FPGA的性能不斷提高，同時較為先進的控制理論和控制算法的成熟，使得BLDC變頻電機等運動控制的應用越來越廣泛，各種先進的控制算法可以通過SoC FPGA中FPGA部分高效實現。圖像處理方面，相比使用單一MCU或CPU，FPGA能夠達到較高的實時性，可以進行實時流水線運算。在深度神經網絡方面，FPGA對卷積神經網絡（CNN）、循環神經網絡（RNN）和較復雜的并行神經網絡算法的加速具有一定的優勢。

在人機交互界面（HMI）方面，相比之前用低主頻/小存儲的單一MCU實現方案，基于強大處理能力的SoC FPGA異構芯片能夠幫助客戶快速實現定制化且精美的人機圖形界面。

目前較為流行的嵌入式圖形庫包括：LVGL（Little VGL）emWinQT和TouchGFX等，比較而言，LVGL界面更加精美，支持更多圖形控件，更重要的是消耗資源少，是一款輕量級的GUI工具。LVGL對硬件和開發環境有如下要求：

應用于16、32或64位微控制器或處理器；

Flash大于64kB，RAM大于8kB（最小內存64kB Flash，8kB RAM）；

推薦主頻大于16MHz的微控制器；

LVGL的圖形緩沖區大于水平分辨率像素；

使用C編寫以獲得最大兼容性（兼容C++）；

需要C99或者更新的編譯器。

SoC FPGA異構芯片在智能家電領域的優勢

結合現代智能家電的發展和應用需求，一方面需要對電氣做出快速、精準的控制，另一方面又要為消費者提供優質的人機交互界面（HMI），本文介紹的HME SoC FPGA異構芯片在性能、功耗、計算速度、人機交互處理等方面均具有一定的優勢。這類新型的異構芯片更適用于新需求下智能家電領域的解決方案。

HME-M7的特點

HME-M7系列芯片是自主研發的國產SoC FPGA，集成了ARM Cortex-M3內核和高性能FPGA，采用高達12K容量的新型LP結構，優化了FPGA與Cortex-M3內核的通信接口。設計者可根據設計需求在FPGA上實現不同類型接口，如：USB2.0 Host/Device接口、PCI（33M/66M）接口、AHB2APB Bridge接口、SDR SDRAM Controller接口、FIFO/AHB接口、FIFO接口、AHB接口、EMB接口等，M7系列芯片將FPGA、CPU、SRAM、ASIC、Flash以及模擬單元等功能模塊集成在單一芯片上，不僅極大地降低了工程師的設計難度，有效減小了所需要的板間面積，還成功降低了系統成本，具備超高的系統性價比。

在智能家電方案中，該芯片可利用硬件描述語言Verilog進行電氣控制各個模塊的編寫，同時通過內嵌的Cortex-M3內核進行HMI方案的整體設計。表1是不同型號的HME-M7系列芯片的具體參數，由于HMI的開發需要較大的FramBuffer來緩存圖像數據，M7M12N5型號配置有64Mb的SDRAM可用作圖像的FramBuffer。此外，還配有11,520個LUT（Look-Up-Table查找表），7,680個寄存器，EMB（Embedded Memory Block內嵌存儲模塊）容量最大值為648Kb；在SRAM（Static Random Access Memory）方面，Instruction區有128KB，Data區有64KB，4路PLL（Phase-Locked-Loop），1個Cortex-M3內核，3路UART，2路SPI，用戶I/O有310個，結合以上資源情況M7M12N5型號芯片適用于HMI的方案設計。因此完全適合在其上集成開發HMI方案與電氣業務邏輯的功能處理。下面給出基于M7M12N5和HMI設計方案。

表1. HME-M7系列芯片具體參數

硬件方案

硬件架構如下圖所示，該方案設計的屏幕選用TFT LCD+Touch 5寸屏，分辨率480*854，每個pixel為RGB888。使用到M7 ARM部分的USB、RTC、NandFlash、IIC、UART等控制器。外設應用如下：

UART用作GUI與電氣控制的指令交互傳輸；

USB功能用于U盤下載圖片和字庫等資源到NandFlash中；

NorFlash存儲Bootloader和App程序文件；

NandFlash用于存儲圖片和字庫等資源；

LCD的觸控功能是通過IIC信號控制GT911觸控芯片實現；

Buzzer用于音效設計，通過pwm來控制；

RTC為系統提供時間功能。

軟件開發流程

Python腳本生成圖片和字體資源

通過Python腳本對圖片、字體、多語言的資源處理：

--該方案中移植的LVGL支-持兩種圖片資源格式：背景圖片和OSD圖片。其中背景圖片只能是和屏幕一樣大小，不支持透明度，像素格式為RGB888；OSD圖片不限制大小，像素格式為A8R5G6B5。通過Python腳本將這些圖片轉化成像素值的二進制文件的格式。

字體資源是通過Python腳本從標準的字體庫文件里面提取文字，由于字體庫包含了大量字體，所以沒有將所有字體都存儲成bin文件。為了節約NandFlash的存儲空間，需要根據實際用到的漢字進行字體選擇，獲取到字體形狀的像素值保存至字體的二進制文件中。同時，方案的GUI支持中文、英文、俄羅斯語、西班牙語等多種語言。

BootLoader資源下載與App程序引導

BootLoader主要有三個功能：

將U盤的圖片資源和App執行程序下載到Nandflash和NorFlash中；

初始化LCD及Touch功能；

引導App程序啟動運行。

APP圖形界面開發

在開發中可以使用PC端圖形模擬器對GUI進行測試和調試，能更快的設計GUI和找出設計過程中的問題。模擬器配合不同的IDE軟件即可在不同的操作系統上運行，本設計采用Windows系統下的Visual Studio。

Visual Studio模擬環境可以用來開發與硬件無關的GUI功能，直接對GUI的效果進行設計，并可與MDK工程的代碼同步，便于加速板級程序開發。為了達到流暢的視覺效果，方案中利用SDRAM實現3 FramBuffer作為圖像界面的緩存，如設計一個日期和時間顯示頁面。示例代碼和Visual Studio模擬器運行效果如下：