Crosslink-NX器件应用连载(9): USB3.0相机

作者：Hello，Panda

大家晚上好，很久没有分享设计案例了，实在是太忙了，精力十分有限，今天分享一个CrosslinkNX系列器件用作USB3.0相机的案例。其实就是分享一下使用CrosslinkNX器件设计USB3.0相机主要有两种方案：

（1）传统方案：使用LCFCL通用器件（LIFCL-40或LIFCL-17）+USB桥接芯片（如5Gbps USB桥芯片Cyusb3014，10Gbps USB桥芯片CYUSB4013等）；

（2）新方案：使用LIFCL-33U实现小封装低功耗USB3.2 5Gbps USB通信。

方案一：使用LIFCL通用器件+USB桥接芯片

LIFCL-40 FPGA有两组2.5Gbps 4-Lane MIPI硬核，也可接入多Lane的LVDS、SubLVDS、SLVS接口的Sensor，经过简单的流水线处理，比如彩色相机的ISP，黑白相机的非均匀性校正、降噪等处理后经USB桥接芯片送到PC机显示和保存和进一步二次开发。因此，就存在两种情况：

（1）接入Sensor的数据量比输出USB3.0有效数据带宽大很多，这种情况就需要添加DDR缓存（必须是LIFCL-40 BGA256及以上封装才支持DDR3-1066 16bit）来进行丢帧处理来适配带宽，这种情况只能使用LIFCL-40 FPGA芯片。

（2）带宽小于USB3.0有效数据带宽，这种情况只需要使用内部的Large RAM缓存数行来缓冲PC端读取USB3.0接口不稳定带来的些许数据阻塞即可，这种情况可以使用LIFCL-40或LIFCL-17，且LIFCL-17因有更大的内部Large RAM而更佳。这两种情况的，实现这两种情况的结构见下图1所示。

图1 使用LIFCL通用器件+USB桥接芯片方案图

该案例实现Lattice官方有评估板，USB桥接芯片使用CYUSB3014 8-bit总线模式，外挂RAM缓存芯片采用2片8bit HyperRAM芯片，板载配备的CMOS图像sensor为IMX224。

方案二：LIFCL-33U器件

这是Lattice新推出的器件，具有33K的逻辑资源和USB3.2/5Gbps物理层，实际上就是把原来MIPI硬核的资源用到USB上来了，阉割掉了MIPI硬核。因此，接入MIPI接口的Sensor时只能用到最高1.25Gbps的Lane速率，接入LVDS、SubLVDS、SLVS接口的Sensor时最高1.2Gbps，均要求在硬件信号完整性设计得极为理想的情况。该器件84 WLCSP（3.1×7.4mm）和104fcCSP（5.5×8.5mm）两种封装，第一种封装可用IO仅44个，可用作差分对输入的只有13对，104引脚封装的52个IO，稍富余一些。

根据Lattice提供的USB23 IPCore的资源利用情况，Registers使用了5064，LUTs使用了7392，EBRs使用了26个（共64个），因此还有一定的资源剩余来做一些Pipeline的计算，但也仅此而已。根据资源的情况来看，使用LIFCL-33U器件一般限制到了1080P的图像或其他的数据采集业务（如LVDS接口的ADC数据采集）。但是，它们有及其优秀的功耗和面积，特别适合在有低功耗和小体积硬性要求的设备上使用。

下图2是USB23 IP的应用框图，它例化实现了一个USB3.0物理层、Endpoint逻辑和一个RISC-V的CPU软核。