基于高云GW5AT-15 FPGA的SLVS-EC桥MIPI设计方案分享

作者：Hello,Panda

一、设计需求

设计一个4Lanes SLVS-EC桥接到2组4lanes MIPI DPHY接口的电路模块：

（1）CMOS芯片：IMX537-AAMJ-C，输出4lanes SLVS-EC 4.752Gbps Lane速率；

（2）FPGA：高云GW5AT-LV15MG132C1/I0;

（3）输出：MIPI D-PHY 4lanes 2.5Gbps一组+MIPI D-PHY 2.0Gbps一组，左右画幅输出；

（4）CMOS板电路尺寸：40mm×43mm，预留CS相机座安装接口；

（5）透传模式，CMOS配置由后端主控完成，只桥数据。

二、硬件设计

硬件结构如下图2.1所示。

图2.1 硬件结构框图

结合IMX537的数据手册（见下图2.2）可知，在设置AD位数为12bit，SLVS-EC工作在4lanes且lane速率为4.752Gbps时可以达到全画幅最大帧率170.7Hz。此时，透传有效数据带宽为2472×2128×12bit×170.7Hz = 10.78Gbps，因此，使用两组MIPI D-PHY完全可以实现无损透传。

同理，可以计算得到AD位数为10bit时，也可以实现透传设计目标。

图2.2 IMX537数据手册截图

硬件设计镜头座安装位，镜头采用CS口标准镜头。

电路板对外为42Pin FPC排线，其线序定义如下表2.1所示。

三、FPGA软件设计

FPGA软件基于Gowin FPGA Design Version V1.9.10.02或更新版本开发，实现主要功能如下：

（1）SLVS-EC数据采集；

（2）左右画幅拆分；

（3）MIPI D-PHY数据发送。

 FPGA软件的框架如下图3.1所示。

图3.1 FPGA软件设计框图

如上图所示，SLVS-EC接收以后分成左右画幅（video splite模块）以MIPI CSI-2的链路格式发给物理层IP，链路层IP再发给D-PHY物理层并串转换从IO上输出。

FPGA全速率运行时，整板设计功耗3W（包括电源效率损耗、CMOS芯片和FPGA芯片耗电）。

四、其他

（1）电路设计为透传模式，FPGA不关系主控如何配置CMOS芯片的帧率、分辨率、AD位数等信息，只将SLVS-EC接口输入的视频数据流桥接为MIPI即可；

（2）因使用GW5AT-15的FPGA资源利用率很高，已经无法添加其它的数据流处理相关的功能模块；

（3）同等功能可通过Lattice Crosslink-NX系列的LIFCL-40-7MG289I实现，可以真正实现4-Lanes SLVS-EC 4.752Gbps （总带宽约19Gbps）到2组4-Lanes MIPI D-PHY的转换（总带宽20Gbps）；

（4）对一些超大分辨率或超高帧率的图像传感器芯片，必须使用8-lanes的SLVS-EC Spec2.0方可达到最高其设计最高性能的，桥接方案已经非常不经济且需要桥接为至少是PCIe Gen3×4（或PCIe Gen4×4），应为PCIe是基于地址映射直接对内存访问，由于存在同时的读和写操作，至少需要一组DDR4-1600 64bit位宽的DDR，而且还会带来额外延迟。此类桥接方案建议选用Xilinx Artix UltraScale+系列的器件。

     今天的方案分享到此结束，大家有好的想法可以联系熊猫君共同讨论、实施，让技术的明天更好。