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嵌入式视觉中的处理平台概念

过去几年来,处理板技术获得了巨大的发展。它们能够取代原来需要由PC系统来进行的工作。在机器视觉领域,用于工业应用的组件变得更加小巧。曾经无比巨大、价格高昂的相机,如今已变得经济实惠,且具备精巧的设计。

小型处理板与小型相机模块的结合也被称为“嵌入式视觉”。嵌入式视觉技术可为许多应用领域提供帮助,如医疗诊断设备与工业自动化领域等。

与经典的PC领域有所不同,处理器在嵌入式视觉领域里分为许多种类。以下的文章将对处理平台中的各种架构进行探讨,并概括现有的概念。

片上系统(SoC)

片上系统(SoC)是嵌入式架构的核心,是实际成像处理的所在点。很多场合里,人们将专业术语“SoC”通俗地等同于“处理器”。然而实际上,SoC包含的不止这些。除了单核或多核并行CPU(中央处理器)之外,还有GPU(图形处理器)、接口控制器(如USB、以太网、I²C等)、内部总线系统、多媒体硬件(如视频编码和视频解码)、内部电源管理以及更多的组件,均包含在这种单个芯片之内。简而言之——SoC将PC中的许多核心组件简洁地集成于一体。

NVIDIA的Tegra K1、Qualcomm的Snapdragon 820,以及NXP的I.MX系列,均为目前一代SoC的杰出代表。

智能手机与平板电脑的快速普及,让SoC技术得以发展。Apple和Samsung等主要制造商负担得起自行生产SoC的费用。开发专属的SoC动辄需要数百万(甚至数十亿)的资金,许多企业无法负担这笔高额费用。

SoC实际上是嵌入式计算机模块。它包括CPU、GPU、总线系统以及接口控制器。

片上系统(SoC)是指许多嵌入式系统中的中央处理器。SoC含有主要的处理器(一个或多个)和用于特别功能的各种集成电路,如接口、输入/输出端口。这些组件均在同一块芯片上。

系统模块(SoM)是小型芯片上的一个完整(电脑)系统。SoM可作为一个完善的模块来使用。

系统模块(SoM)

而技术导向的中小型企业的处境略为尴尬。一方面,SoC技术使强大的处理器拥有精巧的构造,这种技术非常出众,因为它让下一代产品变得更为小巧而迅速。另一方面,制作专属的SoC需要高昂的开发成本,这让企业无法内部发展这项技术。使用大规模制造商生产的现有SoC会对企业更为有利。

许多企业(比如Toradex,Inforce,SECO等)试图改变这种困境,因此发展了“系统模块”(SoM,有时也称为“电脑模块[CoM]”)的技术。SoM包含SoC。它带有重要组件,如RAM(内存)、电源管理和其他总线系统,以便控制组件,也让SoC非常实用。打个比方:如果SoC是一座不与外界联系的工厂,SoM则会添加仓库、连接水电,并加上连通街道的出口,还可以与工厂负责人沟通。

SoM具备一个或多个标准化插头连接器,可用于SoM(同样适用于SoM上的所有组件,包括SoC),以便和外界交流。事实上,这些插头连接器无法与外部设备(如网络、电源供电器或相机)连接。如要进行连接,则需要一个载板。

然而,只要涉及到SoM,意味着SoC已经包含于组件当中。

系统模块(SoM)+载板

如上所述,SoC仅包含接口控制器。它缺少一个物理接头(比如以太网插头),而载板填补了这种缺失。如上文所述,SoM的底面具有标准化插头连接器,因此可以与载板相连。载板提供所需的物理接头来连接外围设备,如屏幕、控制元件以及相机。比起SoC或SoM,开发载板技术相对较为简单。嵌入式技术中的组合式方法是为了让开发人员购买SoM成品,然后自行开发载板。这种做法比全定制设计(见如下文章)的方式实惠,并极大提高了灵活性,这是因为开发人员可自行决定载板上所需的插头。USB、GigE或专利相机接头均可适用,因为接头型号为28针的LVDS可以连接一个或多个dart BCON相机。

提示:某些特殊情况下,SoM已具备单独的物理接头。例如,Basler嵌入式视觉专用PowerPack套装中的Xilinx Zynq SoM已预先配备USB 2.0和GigE接头。然而这只是非常罕见的例子。

配备载板的系统模块(SoM)利用载板提供物理接头,以便连接外围设备。

单板机基本上是集成于单元电路板上的SoM+载板。SBC的设计并不能满足一些特定应用的需求,而是为支持大范围的基本应用而设计的。

单板机(SBC)

除了组合式的SoM+载板概念,还有另一种方法,即使用单板机,也称为SBC。原则上,单板机是集成于单元电路板上的SoM+载板,故称为单板机。单板机中最著名的型号是Raspberry Pi。这款单板机带有一系列预先集成于板上的接头(如4x USB2、1x MIPI CSI-2等),在无需另外开发载板的情况下即可直接连上外围设备。优点:SBC非常易于操作。缺点:例如,如果操作时需要第五代USB 2.0接头,由于Raspberry Pi所使用的SBC概念不够灵活,导致无法提供这类组件。因此,尽管SBC意味着最少的开发时间和最低的开发成本,它同时也是最为不灵活的技术。如果企业想大量出售要求特定应用的CPU,SBC并非是好的选择。因为选用SBC意味着它的接头或组件并不适用于某些应用。因此,这篇文章提到了最后一个嵌入式架构概念,即全定制设计。

全定制设计

为了更全面地描述嵌入式架构的多样性,必须提到全定制设计(FCD)的概念。FCD是由一家企业开发的单板机,可用于应用当中,而企业也无需另外出售FCD。相反,它适用于更大的系统。因此,FCD其实是安装于板上并带有高度自定义装置的SoM+载板。

例如:一家医疗工程公司计划开发一款手持设备,可用于拍摄和追踪皮肤上可疑的黄褐斑。采取SoM+载板是一种方式。然而这种方式并不可行,因为将SoM放于载板上需要占用太多空间。这家公司同时也计划出售数千款其他的产品。这种情况下,公司决定自行开发定制SBC(安装于一个单元电路板上的SoM+载板),他们认为这样做是更为经济可行的办法。这样的选择满足了特定应用的需求,也因为这种设计仅包含应用所需的组件,成本优化得以实现。

全定制设计涉及到安装于电路板上的SoM+载板。它是一种能实现成本优化,并满足特定应用需求的方法。

总结

处理板是嵌入式视觉中主要的一环。这些处理板可以设计成不同样式。

根据单位数、专门技术、从属系统类型、成像处理需求的不同要求,需要相应地分为不同的概念,也有各种各样的选项可供选择,如带有小型单板机的经典视觉系统、安装在定制载板并带有SoM或SoC的模块系统,还有崭新的全定制设计。

随着开发人员对所选处理平台工作的进一步深入,如果他们在现成组件中选择的产品越少,开发和组装成本就会逐步攀升。但如果大批量生产产品,每个产品的单价也会越低。

那么,哪一种概念最适用于您的应用?希望这篇文章能够抛砖引玉,让广大读者获得更全面的了解。