SoC FPGA异构芯片在智能家电领域的差异化设计
智能家电的发展需求
随着技术的进步和信息化程度的提高，人们对智能家电的要求也越来越高。智能家电产品在升级进阶的过程中，针对家电产品的技术方面，包括电机运动控制、hmi的可视化控制、远程无线控制等诸多方面的多元化应用都有了高层次的需求。
多集成强算力soc fpga助力aiot快速发展
在aiot时代，智能家电的主控ic将不再只是负责核心控制，而是需要融合推理和运算等ai能力，更将图像分析、生物识别等多种人工智能算法融入家电领域，已经成为智能家电产品发展的必然趋势之一。
新一代soc fpga凭借其强大的并行处理数据的能力和实时性的特点在aiot领域发挥着独特的作用。随着集成电路的发展，soc fpga的性能不断提高，同时较为先进的控制理论和控制算法的成熟，使得bldc变频电机等运动控制的应用越来越广泛，各种先进的控制算法可以通过soc fpga中fpga部分高效实现。图像处理方面，相比使用单一mcu或cpu，fpga能够达到较高的实时性，可以进行实时流水线运算。在深度神经网络方面，fpga对卷积神经网络（cnn）、循环神经网络（rnn）和较复杂的并行神经网络算法的加速具有一定的优势。
在人机交互界面（hmi）方面，相比之前用低主频/小存储的单一mcu实现方案，基于强大处理能力的soc fpga异构芯片能够帮助客户快速实现定制化且精美的人机图形界面。
目前较为流行的嵌入式图形库包括：lvgl（little vgl）emwinqt和touchgfx等，比较而言，lvgl界面更加精美，支持更多图形控件，更重要的是消耗资源少，是一款轻量级的gui工具。lvgl对硬件和开发环境有如下要求：
应用于16、32或64位微控制器或处理器；
flash大于64kb，ram大于8kb（最小内存64kb flash，8kb ram）；
推荐主频大于16mhz的微控制器；
lvgl的图形缓冲区大于水平分辨率像素；
使用c编写以获得最大兼容性（兼容c++）；
需要c99或者更新的编译器。
soc fpga异构芯片在智能家电领域的优势
结合现代智能家电的发展和应用需求，一方面需要对电气做出快速、精准的控制，另一方面又要为消费者提供优质的人机交互界面（hmi），本文介绍的hme soc fpga异构芯片在性能、功耗、计算速度、人机交互处理等方面均具有一定的优势。这类新型的异构芯片更适用于新需求下智能家电领域的解决方案。
hme-m7的特点
hme-m7系列芯片是自主研发的国产soc fpga，集成了arm cortex-m3内核和高性能fpga，采用高达12k容量的新型lp结构，优化了fpga与cortex-m3内核的通信接口。设计者可根据设计需求在fpga上实现不同类型接口，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系列芯片将fpga、cpu、sram、asic、flash以及模拟单元等功能模块集成在单一芯片上，不仅极大地降低了工程师的设计难度，有效减小了所需要的板间面积，还成功降低了系统成本，具备超高的系统性价比。
在智能家电方案中，该芯片可利用硬件描述语言verilog进行电气控制各个模块的编写，同时通过内嵌的cortex-m3内核进行hmi方案的整体设计。表1是不同型号的hme-m7系列芯片的具体参数，由于hmi的开发需要较大的frambuffer来缓存图像数据，m7m12n5型号配置有64mb的sdram可用作图像的frambuffer。此外，还配有11,520个lut（look-up-table查找表），7,680个寄存器，emb（embedded memory block内嵌存储模块）容量最大值为648kb；在sram（static random access memory）方面，instruction区有128kb，data区有64kb，4路pll（phase-locked-loop），1个cortex-m3内核，3路uart，2路spi，用户i/o有310个，结合以上资源情况m7m12n5型号芯片适用于hmi的方案设计。因此完全适合在其上集成开发hmi方案与电气业务逻辑的功能处理。下面给出基于m7m12n5和hmi设计方案。
表1. hme-m7系列芯片具体参数
硬件方案
硬件架构如下图所示，该方案设计的屏幕选用tft lcd+touch 5寸屏，分辨率480*854，每个pixel为rgb888。使用到m7 arm部分的usb、rtc、nandflash、iic、uart等控制器。外设应用如下：
uart用作gui与电气控制的指令交互传输；
usb功能用于u盘下载图片和字库等资源到nandflash中；
norflash存储bootloader和app程序文件；
nandflash用于存储图片和字库等资源；
lcd的触控功能是通过iic信号控制gt911触控芯片实现；
buzzer用于音效设计，通过pwm来控制；
rtc为系统提供时间功能。
软件开发流程
1
python脚本生成图片和字体资源
通过python脚本对图片、字体、多语言的资源处理：
该方案中移植的lvgl支持两种图片资源格式：背景图片和osd图片。其中背景图片只能是和屏幕一样大小，不支持透明度，像素格式为rgb888；osd图片不限制大小，像素格式为a8r5g6b5。通过python脚本将这些图片转化成像素值的二进制文件的格式。
字体资源是通过python脚本从标准的字体库文件里面提取文字，由于字体库包含了大量字体，所以没有将所有字体都存储成bin文件。为了节约nandflash的存储空间，需要根据实际用到的汉字进行字体选择，获取到字体形状的像素值保存至字体的二进制文件中。同时，方案的gui支持中文、英文、俄罗斯语、西班牙语等多种语言。
2
bootloader资源下载与app程序引导
bootloader主要有三个功能：
将u盘的图片资源和app执行程序下载到nandflash和norflash中；
初始化lcd及touch功能；
引导app程序启动运行。
3
app图形界面开发
在开发中可以使用pc端图形模拟器对gui进行测试和调试，能更快的设计gui和找出设计过程中的问题。模拟器配合不同的ide软件即可在不同的操作系统上运行，本设计采用windows系统下的visual studio。
visual studio模拟环境可以用来开发与硬件无关的gui功能，直接对gui的效果进行设计，并可与mdk工程的代码同步，便于加速板级程序开发。为了达到流畅的视觉效果，方案中利用sdram实现3 frambuffer作为图像界面的缓存，如设计一个日期和时间显示页面。示例代码和visual studio模拟器运行效果如下：
日期和时间显示中使用到6个roller，分别对应年、月、日、时、分、上/下午的设定，回调函数中将roller选择的相应日期和时间设定到rtc的时间里。visual studio工程的代码会同步到mdk工程中，对gui显示的设计完成后可编译app部分的mdk工程的代码。
总结
综上，hme soc fpga适用于智能家电的经济型产品中的hmi设计方案旨在为开发者提供简便/美观的人机交互与显示设计方案。此外，基于fpga平台的电机控制方案可将电机控制的时延做得更小和更精准，可以将电机的能效做得更高，这样就使得电机设备的差异化优势更大。
随着大数据及aiot的发展，具备低功耗/低延时/高性能/高并发处理能力的soc fpga异构计算变得愈发重要，而其最大的优点是具有比传统mcu/cpu并行计算更高效率和更低延时的计算性能。
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在aiot时代，智能家电的主控ic将不再只是负责核心控制，而是需要融合推理和运算等ai能力，更将图像分析、生物识别等多种人工智能算法融入家电领域，已经成为智能家电产品发展的必然趋势之一。
新一代soc fpga凭借其强大的并行处理数据的能力和实时性的特点在aiot领域发挥着独特的作用。随着集成电路的发展，soc fpga的性能不断提高，同时较为先进的控制理论和控制算法的成熟，使得bldc变频电机等运动控制的应用越来越广泛，各种先进的控制算法可以通过soc fpga中fpga部分高效实现。图像处理方面，相比使用单一mcu或cpu，fpga能够达到较高的实时性，可以进行实时流水线运算。在深度神经网络方面，fpga对卷积神经网络（cnn）、循环神经网络（rnn）和较复杂的并行神经网络算法的加速具有一定的优势。
在人机交互界面（hmi）方面，相比之前用低主频/小存储的单一mcu实现方案，基于强大处理能力的soc fpga异构芯片能够帮助客户快速实现定制化且精美的人机图形界面。
目前较为流行的嵌入式图形库包括：lvgl（little vgl）emwinqt和touchgfx等，比较而言，lvgl界面更加精美，支持更多图形控件，更重要的是消耗资源少，是一款轻量级的gui工具。lvgl对硬件和开发环境有如下要求：
应用于16、32或64位微控制器或处理器；
flash大于64kb，ram大于8kb（最小内存64kb flash，8kb ram）；
推荐主频大于16mhz的微控制器；
lvgl的图形缓冲区大于水平分辨率像素；
使用c编写以获得最大兼容性（兼容c++）；
需要c99或者更新的编译器。
soc fpga异构芯片在智能家电领域的优势
结合现代智能家电的发展和应用需求，一方面需要对电气做出快速、精准的控制，另一方面又要为消费者提供优质的人机交互界面（hmi），本文介绍的hme soc fpga异构芯片在性能、功耗、计算速度、人机交互处理等方面均具有一定的优势。这类新型的异构芯片更适用于新需求下智能家电领域的解决方案。
hme-m7的特点
hme-m7系列芯片是自主研发的国产soc fpga，集成了arm cortex-m3内核和高性能fpga，采用高达12k容量的新型lp结构，优化了fpga与cortex-m3内核的通信接口。设计者可根据设计需求在fpga上实现不同类型接口，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系列芯片将fpga、cpu、sram、asic、flash以及模拟单元等功能模块集成在单一芯片上，不仅极大地降低了工程师的设计难度，有效减小了所需要的板间面积，还成功降低了系统成本，具备超高的系统性价比。
在智能家电方案中，该芯片可利用硬件描述语言verilog进行电气控制各个模块的编写，同时通过内嵌的cortex-m3内核进行hmi方案的整体设计。表1是不同型号的hme-m7系列芯片的具体参数，由于hmi的开发需要较大的frambuffer来缓存图像数据，m7m12n5型号配置有64mb的sdram可用作图像的frambuffer。此外，还配有11,520个lut（look-up-table查找表），7,680个寄存器，emb（embedded memory block内嵌存储模块）容量最大值为648kb；在sram（static random access memory）方面，instruction区有128kb，data区有64kb，4路pll（phase-locked-loop），1个cortex-m3内核，3路uart，2路spi，用户i/o有310个，结合以上资源情况m7m12n5型号芯片适用于hmi的方案设计。因此完全适合在其上集成开发hmi方案与电气业务逻辑的功能处理。下面给出基于m7m12n5和hmi设计方案。
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2
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3
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总结
综上，hme soc fpga适用于智能家电的经济型产品中的hmi设计方案旨在为开发者提供简便/美观的人机交互与显示设计方案。此外，基于fpga平台的电机控制方案可将电机控制的时延做得更小和更精准，可以将电机的能效做得更高，这样就使得电机设备的差异化优势更大。
随着大数据及aiot的发展，具备低功耗/低延时/高性能/高并发处理能力的soc fpga异构计算变得愈发重要，而其最大的优点是具有比传统mcu/cpu并行计算更高效率和更低延时的计算性能。
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