【導讀】高端工業設備里 FPGA 的核心難點往往不是算法，而是海量數據持續穩定流轉。徠卡 CityMapper-2 機載城市三維測繪系統搭載六臺 1.5 億像素相機、2MHz 激光雷達，整體數據速率接近 2GB/s，并且后端主機運行 Windows 10 非實時系統，對多相機同步、無丟幀傳輸提出嚴苛挑戰。徠卡選用瑞蘇盈科（Enclustra）Mercury+ XU8 Zynq UltraScale+ SoM，搭配 FPGA Manager PCIe IP 通信方案，依靠標準化模塊與成熟 IP，完成圖像接收、預處理、緩存、DMA 高速 PCIe 傳輸整套鏈路，無需從零開發 FPGA 板卡與底層 PCIe 驅動，大幅降低研發風險、縮短開發周期。
徠卡測量系統（Leica Geosystems）開發的Leica CityMapper-2，就是這樣一個典型案例。這套機載城市三維測繪系統搭載六臺150MP（1.5億像素）相機和一套2MHz脈沖頻率的激光雷達，每隔0.9秒完成一輪圖像采集，整個系統的數據傳輸速率接近2GB/s。
圖源：AI生圖
如此龐大的數據流，需要經過高速接口接收、圖像預處理、存儲緩存，最終通過PCIe傳輸到主機。更具挑戰性的是，主機運行的是Windows 10，并非實時操作系統。如何保證多路相機精確同步，又能確保數據傳輸過程中不丟幀，對整個系統的硬件架構和數據通信能力提出了很高要求。
為此，徠卡沒有選擇從零開始設計一套復雜的FPGA硬件平臺，而是引入了瑞蘇盈科（Enclustra）的Mercury+ XU8系統級模塊（System-on-Module，SoM），同時采用瑞蘇盈科（Enclustra） FPGA Manager PCIe IP通信解決方案。
Leica CityMapper MFC150系統架構圖
這兩項技術的組合很有意思：SoM提供經過集成和驗證的FPGA硬件平臺，解決底層硬件開發問題；FPGA Manager PCIe IP則打通FPGA與主機之間的數據通信，解決高速數據傳輸和軟硬件協同問題。
對于徠卡而言，這不只是采購了一塊FPGA模塊，而是獲得了一套從硬件平臺到高速通信的完整解決方案。它也讓我們看到，隨著FPGA應用復雜度不斷提高，標準化模塊、成熟IP與配套軟件的組合，正在成為縮短復雜電子系統開發周期的一種有效路徑。
近2GB/s數據流，考驗的是整個系統的協同能力
先看看Leica CityMapper-2的應用場景。
這是一套專門用于機載城市三維測繪的系統，通過飛機搭載的多視角相機和激光雷達采集城市數據，最終生成高精度三維地圖和城市數字孿生模型。其核心成像系統Leica MFC150配備六臺150MP相機，其中包括兩臺垂直向下的RGB/NIR相機和四臺RGB傾斜攝影相機，另外還集成了一套2MHz脈沖頻率的LiDAR激光雷達。所有相機模塊安裝在一個重達58kg的吊艙內。
這里有兩個關鍵技術要求。
首先是多相機同步。六臺相機必須在完全相同的時刻完成曝光，才能保證不同視角圖像之間的時間一致性。對于飛行中的測繪設備來說，曝光時間上的細微偏差都可能影響后續圖像配準和三維重建。
其次是高速數據采集與傳輸。六臺1.5億像素相機產生的數據，需要經過預處理和緩存，再持續傳輸至主機，平均數據速率接近2GB/s。
這對FPGA系統提出了多方面要求：高速圖像接口能否穩定接收數據？多路數據如何組織和調度？外部存儲器能否提供足夠的緩存能力？PCIe傳輸鏈路能否持續承接前端數據流？
這些問題并不是簡單增加FPGA邏輯資源就能解決的。
從工程角度看，整個系統需要在傳感器、FPGA、存儲器和主機之間建立一條可靠的數據通路。任何一個環節出現瓶頸，都可能影響整個設備的工作效率。
徠卡在項目初期就明確，只有基于FPGA的方案才能滿足系統對高帶寬、低延遲和高集成度的要求。但另一個決定也很重要：不從零開始設計FPGA板卡，而是采用成熟的FPGA SoM。
這為后續的系統開發確定了方向。
Mercury+ XU8 SoM：把復雜的FPGA硬件平臺集成起來
為什么徠卡沒有選擇自主設計FPGA板卡？
對于有經驗的FPGA工程師來說，一顆FPGA芯片真正變成能夠工作的硬件系統，中間還有不少工作。除了芯片本身，還需要設計電源、時鐘、DDR存儲器、高速接口以及各種外圍電路。涉及PCIe、USB 3.0和高速存儲接口時，還要考慮PCB信號完整性、電源完整性、散熱和板級驗證。這些工作不僅需要專業的硬件研發團隊，也需要反復進行原型制作、調試和設計迭代。
對于徠卡這樣的專業設備廠商來說，研發資源顯然應該更多地投入光學系統、機電一體化、多傳感器同步和測繪算法等核心業務，而不是在底層FPGA板卡上重復投入大量精力。因此，徠卡選擇了瑞蘇盈科（Enclustra）的Mercury+ XU8系統級模塊。
基于瑞蘇盈科（Enclustra） Mercury+ XU8系統級模塊的CityMapper功能框圖
該模塊基于AMD Zynq UltraScale+ MPSoC系列器件，將可編程邏輯、ARM處理系統以及外圍硬件資源集成在一個標準化模塊中。其主要配置包括高速DDR4 ECC SDRAM、eMMC Flash、Quad SPI Flash、雙千兆以太網PHY和雙USB 3.0接口，形成一套完整的嵌入式處理平臺。
這里值得注意的是，SoM與單純采購FPGA芯片有著明顯區別。
采購芯片之后，客戶仍然需要完成外圍電路設計、存儲器接口設計、電源管理以及PCB布局布線等工作。而采用SoM，客戶可以直接基于已經集成的硬件平臺開展應用開發。這相當于把一部分復雜的底層硬件工程交給專業模塊供應商完成。
在CityMapper-2項目中，Mercury+ XU8承擔了多路圖像數據接收、預處理、緩存以及與主機通信等任務。模塊上的ARM處理系統則負責配置各個功能模塊，通過AXI總線進行控制，與主機控制器通信，并管理圖像采集參數和任務流程。
這種PS（Processing System）與PL（Programmable Logic）的分工，也是Zynq MPSoC架構的重要特點。PS負責系統控制、配置和管理，PL則利用FPGA的并行處理能力完成對實時性和吞吐量要求較高的數據處理任務。對于多傳感器、高速數據采集系統來說，這種異構架構能夠兼顧控制靈活性和硬件處理效率。
當然，SoM的價值也不只是硬件集成。瑞蘇盈科（Enclustra）還提供Linux板級支持包（BSP）、詳細技術文檔和參考設計，幫助客戶降低平臺移植和系統調試的工作量。這意味著徠卡不需要從最基礎的硬件和軟件適配工作開始，而是能夠在相對成熟的平臺上開展產品開發。
FPGA Manager PCIe IP：打通FPGA與主機之間的高速通信
如果說Mercury+ XU8解決了FPGA硬件平臺問題，那么瑞蘇盈科（Enclustra） FPGA Manager PCIe IP解決的就是另一個關鍵問題：如何讓FPGA與主機高效通信。
這一點在CityMapper-2中尤其重要。
畢竟，前端六臺相機采集的數據最終需要進入運行Windows 10的主機，并寫入四塊SSD固態硬盤。即使FPGA能夠完成圖像接收和預處理，如果沒有穩定、高效的主機通信方案，整個系統仍然無法順利運行。
傳統開發方式下，工程師需要自行處理FPGA端PCIe接口邏輯、主機端驅動、數據傳輸控制以及軟硬件之間的通信協議。對于高速數據采集設備而言，這部分工作并不簡單。
瑞蘇盈科（Enclustra）提供的FPGA Manager PCIe IP，則把這些底層通信工作進行了封裝。
這套解決方案包括兩個部分：FPGA端的IP Core，以及主機端的軟件庫（DLL）。通過統一的API接口，用戶應用程序可以使用簡單的讀寫命令與FPGA進行通信，而不必深入處理底層協議的復雜細節。
同時，該方案支持兩種數據訪問方式：一種是Streaming Access（流式訪問），適合持續的數據流傳輸；另一種是Memory-Mapped Access（內存映射訪問），便于主機對FPGA內部映射的存儲空間和寄存器進行訪問。
對于CityMapper-2而言，真正發揮關鍵作用的是其中的DMA數據傳輸機制。
在這套架構中，六臺相機采集的圖像通過SLVS-EC高速接口進入FPGA，經過圖像校正等預處理后，暫時存儲在外部SDRAM中。
隨后，主機啟動FPGA Manager PCIe IP中的DMA引擎，數據通過PCIe直接傳輸到主機內存，不需要主機CPU逐筆參與數據搬運。
這有什么意義？
如果讓CPU參與每一次數據復制和搬運，近2GB/s的數據流很容易給主機帶來額外負擔。尤其是在Windows這樣的非實時操作系統環境下，CPU還需要處理操作系統調度、應用程序運行和其他系統任務。
DMA則將主要的數據搬運工作交給專用硬件完成，減少CPU介入，降低系統負載。
需要說明的是，DMA并不意味著CPU完全退出數據處理過程。主機仍然需要負責傳輸初始化、任務管理和狀態監控等工作，只是將高吞吐量的數據搬運從CPU的日常負擔中剝離出來。
這實際上是一種非常典型的軟硬件協同設計思路：把對帶寬和時序要求較高的任務交給FPGA及專用硬件完成，把控制和管理任務留給ARM處理系統及主機軟件。
此外，Mercury+ XU8還集成了圖像預覽功能。飛行過程中，操作人員可以通過外部顯示器檢查圖像質量，確認數據采集是否正常。
從傳感器接收、FPGA預處理、SDRAM緩存，到DMA和PCIe傳輸，整個數據鏈路形成了相對完整的系統架構。
這也是FPGA Manager PCIe IP在該項目中的核心價值：它不只是一個PCIe接口IP，而是通過FPGA端IP核和主機端軟件庫，為客戶提供了一套完整的主機與FPGA通信機制。
SoM+PCIe IP：從提供硬件模塊到提供完整解決方案
把Mercury+ XU8和FPGA Manager PCIe IP放在一起看，就能理解瑞蘇盈科（Enclustra）在這個項目中的真正價值。
兩者解決的是不同層面的問題，卻又緊密關聯。SoM解決硬件平臺集成問題，讓客戶不必從零開始設計復雜的FPGA板卡；FPGA Manager PCIe IP解決主機通信問題，讓客戶不必重新開發一整套底層PCIe通信機制和配套軟件。
一個提供硬件基礎，一個提供通信能力。對于徠卡來說，這種組合意味著研發團隊可以把更多精力集中在自己的核心業務上，而不是反復投入底層硬件設計和接口開發。
實際上，這種模式對于專業工業設備廠商有著很現實的吸引力。很多高端工業設備、測試測量儀器和機器視覺系統，都有類似的開發需求：需要處理高速傳感器數據，需要FPGA提供確定性的實時處理能力，同時還要與PC或嵌入式主機進行高速通信。
但這些客戶未必希望自己從頭設計FPGA板卡，也未必愿意投入大量資源開發通用通信IP和驅動。如果供應商能夠同時提供經過驗證的SoM硬件平臺和配套通信IP，就能幫助客戶省去不少重復性工作。
瑞蘇盈科（Enclustra）的方案還有一個值得關注的特點：FPGA Manager并不局限于Enclustra自己的模塊，也可以應用于客戶自主設計的FPGA系統。這意味著客戶既可以選擇SoM+IP的一體化方案，也可以在已有硬件平臺上引入其通信IP。這種開放性有助于擴大方案的應用范圍。
從項目經濟性來看，徠卡也獲得了實際收益。采用標準模塊，研發團隊無需自行制作大量原型板、反復修改設計、編寫完整的底層技術文檔，也降低了板級設計錯誤帶來的風險。更讓徠卡團隊意外的是，瑞蘇盈科（Enclustra）標準模塊在小批量需求下的價格，幾乎接近單獨采購FPGA芯片的成本。這背后是標準化模塊的生產規模，以及供應商長期積累的制造和優化經驗。
徠卡電子研發團隊負責人Daniel Wintsch表示，瑞蘇盈科（Enclustra）提供了一套經過驗證的即插即用方案，減輕了研發團隊的壓力，讓他們能夠專注于自身核心技術。這也是瑞蘇盈科（Enclustra）成為徠卡長期供應商的重要原因。
對于復雜工業設備而言，研發成本從來不只是芯片和元器件的采購成本。工程師投入、開發周期、反復調試、驗證風險以及后續維護，同樣是項目成本的重要組成部分。
從這個角度看，SoM與PCIe IP的組合，帶來的不僅是開發便利，更是整個項目開發效率和風險控制能力的提升。
FPGA產業競爭，正在從芯片走向系統級交付
Leica CityMapper-2的案例還有一個更值得國產FPGA產業關注的地方。
過去談論FPGA競爭，行業往往集中在邏輯單元規模、DSP數量、片上存儲、SerDes速率以及功耗等芯片指標上。
這些當然重要。但對于真正需要把FPGA應用到產品中的客戶來說，芯片性能只是起點。一顆FPGA芯片即使擁有足夠的邏輯資源，如果缺少成熟的接口IP、存儲控制器、驅動程序和開發工具，客戶仍然需要投入大量工程資源才能完成產品開發。
反過來，一套性能合適、硬件集成成熟、配套IP完善的FPGA平臺，可能更容易被客戶采用。尤其是在高端工業設備和專業儀器市場，客戶真正需要的往往不是一顆孤立的芯片，而是一套能夠穩定工作、方便集成并且可以長期維護的解決方案。
這也是瑞蘇盈科（Enclustra）案例值得關注的原因。它通過Mercury+ XU8 SoM與FPGA Manager PCIe IP的組合，把硬件平臺和主機通信兩個關鍵環節整合起來，降低了客戶開發復雜FPGA系統的門檻。
對于國產FPGA廠商而言，這也提供了一個值得思考的方向。
國產FPGA要進入更高端的工業、測量、通信和數據中心市場，除了繼續提升芯片本身的性能，還需要在模塊化產品、接口IP、參考設計、驅動軟件和技術支持等方面建立更完整的能力。特別是當客戶開始從單顆芯片采購轉向系統方案評估時，供應商能否提供經過驗證的軟硬件組合，可能直接影響產品導入效率。
當然，并不是所有應用都需要采用標準SoM。對于大規模量產、成本極度敏感或者有特殊硬件架構要求的產品，自主設計仍然有其價值。但對于研發周期緊張、系統復雜度高、批量相對有限的專業設備，成熟模塊與配套IP的組合，無疑是一條值得考慮的路徑。
回到Leica CityMapper-2，六臺1.5億像素相機和近2GB/s的數據流只是這個案例最直觀的一面。真正值得關注的是，瑞蘇盈科（Enclustra）如何通過SoM硬件平臺和FPGA Manager PCIe IP通信方案，把復雜的FPGA硬件集成與高速主機通信整合為一套完整的工程解決方案。
FPGA的價值不應止于提供可編程邏輯資源。對于產業客戶而言，能夠讓FPGA更快、更穩、更低風險地進入最終產品，才是更有實際意義的競爭力。
結論
徠卡 CityMapper-2 這個案例清晰印證了一個行業趨勢：FPGA 項目的瓶頸很多時候不在于芯片邏輯資源，而在于板級硬件設計、高速接口、存儲鏈路、PCIe 軟硬件協同等底層工程問題。瑞蘇盈科這套方案把經過驗證的 SoM 硬件平臺和封裝好的 PCIe IP、主機驅動庫打包交付，客戶聚焦自身核心光學、機電、測繪算法，而不是重復投入底層板卡和通信協議開發。這種系統級交付模式，非常適合小批量、高復雜度、研發周期緊張的高端工業測量、機器視覺設備。放眼整個 FPGA 產業，競爭重心也正在從單純的芯片參數比拼，轉向模塊、IP、參考設計、配套軟件在內的完整生態能力，這對國產 FPGA 廠商的生態建設也提供了重要參考。
