Vejprøvede GMSL-kameraer kører ind på nye markeder

Teknologier, der er udviklet til bilindustrien, overføres ofte til andre markeder på grund af bilproducenternes strenge krav til pålidelighed, ydeevne og behovet for hurtige datahastigheder i et elektronisk fjendtligt miljø. Det er derfor, at Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL™)-kameraer er ved at finde et marked for vision-applikationer inden for områder som automatisering og robotteknologi, intelligent landbrug, digital sundhedspleje, flyelektronik, robotaksler og lagerstyring i detailhandlen og på lageret.

Analog Devices GMSL blev oprindeligt introduceret til applikationer til højhastighedsvideo og datatransmission i køretøjer og er en bredt anvendt og gennemprøvet teknologi til at bringe nye niveauer af ydeevne til højhastighedsvideolink og muliggøre multistreaming over et enkelt kabel.

Vision-applikationer kræver meget store datastrømme for at sikre video i høj kvalitet. Et billede i fuld HD består af 1080 rækker og 1920 kolonner. Det svarer til 2 millioner pixels, som hver består af et rødt, grønt og blåt element, hvilket giver 6 millioner elementer. Hvert element repræsenterer 8 bit data, så hver ramme resulterer i næsten 50 Mbps data. Med 60 billeder i sekundet er den nødvendige datahastighed for et kamera over tre og en halv Gbps.

Første generation af GMSL, der først blev tilgængelig i 2008, brugte LVDS-standarden (low-voltage differential signaling) til at levere parallelle data downlink-hastigheder på op til 3,125 Gbps. Det var især velegnet til at overføre data fra flere kamerasystemer og andre avancerede førerassistentsystemer (ADAS) samt den voksende brug af højopløselige fladskærme i bilen.

Anden generation, GMSL2, blev introduceret i 2018 og øger datahastigheden til 6 Gbps og understøtter flere standard højhastighedsvideogrænseflader, herunder HDMI og MIPI-grænsefladestandarden, en populær billedsensorgrænseflade til forbruger- og bilkameraer. Disse fremskridt gav plads til FHD-skærme (Full High Definition) og kameraer med en opløsning på op til 8 MP.

GMSL3, den næste generation, kan levere data på op til 12 Gbps over et enkelt kabel, understøtter flere streams i 4K-opløsning, daisy-chaining af flere skærme og aggregering af flere kameraer, f.eks. dem, der er placeret foran, bagpå og på siderne af et køretøj, for at give en 360° visningsevne. I dag supplerer et stigende antal bilproducenter bag- og sidespejle med kameraer, bruger fremad- og bagudvendte kameraer til at undgå kollisioner og indvendige kameraer i kabinen til at overvåge førerens og passagerernes sikkerhed. GMSL3 kan samle data fra flere videofeeds samt LiDAR og radar.

Med kameraer, der er skaleret ned til niveauet for CMOS-sensorer, kan de producere det, der engang blev betragtet som utrolig kvalitet, til en lav pris og med et lavt strømforbrug. Billedsensorer har millioner af receptorelementer, som hver især omdanner målinger til digitale værdier, der streames via serielle datalinjer i et parallelt interface sammen med synkroniseringsinformation.

Både GMSL2 og GMSL3 bruger MIPI-grænsefladestandarder, der giver designere og leverandører adgang til en bred vifte af billedsensorer til GMSL-kameraer.

GMSL versus GigE

Ingeniører, der begynder at arbejde med vision-applikationer, vil uden tvivl hurtigt stå over for en beslutning om, hvorvidt de skal bruge GMSL eller Gigabit Ethernet (GigE) vision-teknologi. GigE er meget udbredt i industrielle applikationer, især fordi det er afhængigt af Ethernet-netværksinfrastruktur og -standarder.

GigE Vision-kameraer med 2,5 GigE, 5 GigE og 10 GigE er almindelige i applikationer i dag, og de nyeste 100 GigE-kameraer kan udnytte en datahastighed på op til 100 Gbps. GMSL er designet til at overføre data via koaksialkabel eller skærmet parsnoet kabel på op til 15 meter sammenlignet med 100 m for GigE, selvom begge dele kan overskrides under visse forhold.

Hver teknologi er i stand til at overføre data og strøm gennem det samme kabel: GMSL bruger Power over Coax (PoC), så video, lyd, kontrol, data og strøm kan transporteres på en enkelt kanal. De fleste GigE Vision-applikationer er afhængige af Power over Ethernet (PoE) til 4-pars Ethernet, eller mindre almindeligt, Power over Data Line (PoDL) til Single-Pair Ethernet (SPE).

Systemkrav og anvendelsesbehov afgør, hvilken vision-teknologi der er mest hensigtsmæssig. GigE Vision kan f.eks. give nogle fordele til applikationer med et enkelt kamera, især når de tilsluttes direkte til en pc eller en indlejret platform med en Ethernet-port.

Ved brug af flere kameraer kræver GigE Vision-applikationer brug af en dedikeret Ethernet-switch, et netværkskort (NIC) med flere Ethernet-porte eller en Ethernet-switch-IC. Dette koblingskrav kan potentielt reducere den maksimale samlede datahastighed og indføre uforudsigelig ventetid mellem kameraerne og terminalenheden, hvorimod GMSL giver en enklere og mere direkte arkitektur.

GigE Vision-enheder kan understøtte højere opløsning og højere billedhastighed - eller begge dele på samme tid - med ekstra buffering og komprimering. Billedbuffering og -behandling leveres ikke af GMSL-enheder, så opløsning og billedhastighed afhænger af, hvad billedsensoren kan understøtte inden for linkets båndbredde. Ingeniørerne bliver nødt til at finde en simpel afvejning mellem opløsning, billedhastighed og pixelbitdybde.

GMSL forenkler højhastigheds-videoarkitektur

GigE Vision-kameraer bruger typisk en signalkæde, der omfatter en billedsensor, en processor og et fysisk Ethernet-lag (PHY) (figur 1). Rå billeddata fra sensoren konverteres af processoren til Ethernet-rammer, ofte ved hjælp af komprimering eller rammebuffering for at passe til datahastigheden på den understøttede Ethernet-båndbredde.

Figur 1: Repræsentation af de vigtigste signalkædekomponenter på sensorsiden af GigE Vision-kameraer. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

GMSL-kameraets signalkæde bruger en SerDes-arkitektur (serializer/deserializer), der undgår brugen af en processor (figur 2). I stedet konverteres billedsensorens parallelle data af serializeren til en seriel datastrøm med høj hastighed. På bagsiden konverterer en deserializer de serielle data tilbage til parallel form til behandling af en elektronisk styreenhed (ECU) system-on-chip (SoC).

Figur 2: GMSL-kameraer bruger en enklere signalkædearkitektur på sensorsiden end GigE Vision. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

GMSL-kameraarkitekturen gør det nemmere at designe små formfaktor-kameraer med lavt strømforbrug. Serializers kan oprette direkte forbindelse til kameraer via standard MIPI CSI-2-grænsefladen og overføre pakkede data via GMSL-linket.

En typisk værtsenhed er en tilpasset indlejret platform med en eller flere deserializers, der sender billeddata gennem MIPI-transmittere i samme format som billedsensorens MIPI-output. Nye GMSL-kameradrivere er nødvendige for tilpassede designs, men hvis der er en eksisterende driver til billedsensoren, kan den bruges med blot nogle få profilregistre eller registerskrivninger for at muliggøre en videostrøm fra kameraer til en kontrolenhed.

GMSL-komponenter

ADI tilbyder en omfattende portefølje af serializers og deserializers til understøttelse af en række forskellige grænseflader. De har robuste PHY-designs, lave bitfejlrater (BER) og bagudkompatibilitet. Alle videoprotokoller kan kobles sammen - for eksempel HDMI til Open LVDS Display Interface (oLDI).

Ingeniører skal vælge de bedste komponenter ud fra applikationens behov, f.eks. enhedsgrænseflader, datahastigheder, båndbredde, strømforbrug, miljøforhold og kabellængde. Andre faktorer er EMI, fejlhåndtering og signalintegritet. Nogle eksempler på ADI's GMSL-komponenter omfatter:

• MAX96717, en CSI-2 til GMSL2 serializer (figur 3), arbejder med en fast hastighed på 3 Gbps eller 6 Gbps i fremadgående retning og 187,5 Mbps i bagudgående retning.

Figur 3: Et skema, der illustrerer datastrømmen ved hjælp af MAX96717-serialisatorer. (Billedkilde: Analog Devices, Inc.)

• MAX96716A, som konverterer to serielle GMSL2-indgange til MIPI CSI-2. GMSL2-indgangene fungerer uafhængigt af hinanden, og videodata fra begge kan samles til output på en enkelt CSI-2-port eller replikeres på en anden port for redundans.
• MAX96724, en quad tunneling deserializer, konverterer fire GMSL 2/1-indgange til 2 MIPI D-PHY- eller C-PHY-udgange. Datalink-hastighederne er 6/3 Gbps for GMSL2 og 3,12 Gbps for GMSL1, og reverse link-hastigheder på 187,5 Mbps for GMSL2 og 1 Mbps for GMSL1.
• MAX96714 deserializer konverterer et enkelt GMSL 2/1-input til MIPI CSI-2-output med en fast hastighed på 3 Gbps eller 6 Gbps i forlæns retning og 187,5 Mbps i baglæns retning.
• MAX96751 er en GMSL2-serializer med HDMI 2.0-indgang, der konverterer HDMI til en enkelt eller dobbelt GMSL2-seriel protokol. Det giver også mulighed for fuld duplex, enkelttrådsoverførsel af video og tovejsdata.
• MAX9295D konverterer single- eller dual-port 4-lane MIPI CSI-2-datastrømme til GMSL2 eller GMSL1.

ADI tilbyder også flere udviklingsværktøjer, f.eks. MAX96724-BAK-EVK# evalueringskittet til MAX96724-enhederne.

Konklusion

Med deres reducerede kompleksitet er GMSL-kameraer mere kompakte og generelt i stand til at levere en mere omkostningseffektiv løsning sammenlignet med GigE Vision. GMSL giver pålidelig transport af digital video i høj opløsning med mikrosekunders latenstid til et voksende udvalg af kamera- og skærmbaserede applikationer, fra maskinlæring og autonome operationer til infotainment og sikkerhed. Millioner af GMSL-links forbedrer føreroplevelsen på vejene i dag, hvilket vidner om deres pålidelighed og ydeevne.