Camerele GMSL testate pe șosele pătrund pe noi piețe

Tehnologiile dezvoltate pentru aplicații auto se transferă frecvent pe alte piețe din cauza cerințelor riguroase ale producătorilor de automobile privind fiabilitatea, performanța și nevoia de viteze mari de transfer de date într-un mediu electronic ostil. Acesta este motivul pentru care camerele Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL™) își găsesc piețe de desfacere pentru aplicații de vedere în domenii precum automatizarea și robotica, agricultura inteligentă, asistența medicală digitală, avionica, robo-taxiurile și gestionarea stocurilor în magazine și depozite.

Introdusă inițial pentru aplicații de transmisie video și de date de mare viteză în vehicule, GMSL de la Analog Devices este o tehnologie adoptată pe scară largă și dovedită, ce aduce noi niveluri de performanță pentru legăturile video de mare viteză și permite transmiterea mai multor fluxuri pe un singur cablu.

Aplicațiile de vedere necesită fluxuri de date foarte mari pentru a asigura o calitate video ridicată. O imagine Full HD este compusă din 1080 de rânduri și 1920 de coloane. Aceasta înseamnă 2 milioane de pixeli, fiecare dintre aceștia constând dintr-un element roșu, verde și albastru, rezultând 6 milioane de elemente. Fiecare element reprezintă 8 biți de date, astfel că fiecare cadru rezultă în aproape 50 Mbps de date. La 60 de cadre pe secundă, viteza de transfer al datelor necesară pentru o cameră este de peste trei Gbps și jumătate.

GMSL din prima generație, disponibil pentru prima dată în 2008, a utilizat standardul de semnalizare diferențială de joasă tensiune (LVDS) pentru a furniza viteze paralele de transfer al datelor de până la 3,125 Gbps. Acesta a fost deosebit de potrivit pentru transmiterea datelor de la mai multe sisteme de camere video și alte aplicații avansate de asistență a șoferului (ADAS), precum și pentru utilizarea din ce în ce mai frecventă a ecranelor plate de înaltă definiție în autovehicule.

O a doua generație, GMSL2, a fost introdusă în 2018, crescând vitezele de transfer al datelor până la 6 Gbps și acceptând mai multe interfețe video standard de mare viteză, inclusiv HDMI și standardul de interfață MIPI, o interfață populară a senzorilor de imagine pentru camerele de consum și auto. Aceste progrese au permis utilizarea ecranelor de înaltă definiție (FHD) și a camerelor cu rezoluție de până la 8 MP.

GMSL3, din generația următoare, poate furniza date de până la 12 Gbps pe un singur cablu, acceptă mai multe fluxuri cu rezoluție 4K, conectarea în cascadă a mai multor ecrane și agregarea mai multor camere, cum ar fi cele amplasate în partea din față, din spate și laterală a unui vehicul, pentru a oferi vizualizare la 360°. În prezent, tot mai mulți producători de automobile suplimentează oglinzile retrovizoare și cele laterale cu camere, utilizează camere orientate în față și în spate pentru evitarea coliziunilor, precum și camere interne în cabină pentru monitorizarea siguranței șoferului și a pasagerilor. GMSL3 poate agrega date din mai multe fluxuri video, precum și LiDAR și radar.

Având camere reduse până la nivelul senzorilor CMOS, acestea pot produce ceea ce odinioară era considerat o calitate incredibilă, la costuri reduse și cu consum redus de energie. Senzorii de imagine au milioane de elemente receptoare, fiecare dintre acestea transformând măsurătorile în valori digitale care urmează să fie transmise prin benzile de date seriale ale unei interfețe paralele, împreună cu informații de sincronizare.

Atât GMSL2, cât și GMSL3 utilizează standardele de interfață MIPI care oferă proiectanților și furnizorilor acces la o gamă largă de senzori de imagine pentru camerele GMSL.

GMSL versus GigE

Fără îndoială, inginerii care încep cu aplicațiile de vedere se vor confrunta rapid cu decizia de a alege între tehnologia de vedere GMSL sau Gigabit Ethernet (GigE). GigE este utilizat pe scară largă în aplicațiile industriale datorită dependenței sale de infrastructura și standardele rețelei Ethernet.

Camerele GigE Vision cu 2,5 GigE, 5 GigE și 10 GigE sunt obișnuite în aplicațiile de astăzi, iar camerele de ultimă generație de 100 GigE pot utiliza o viteză de transfer al datelor de până la 100 Gbps. GMSL este proiectat să transmită date prin cablu coaxial sau cablu cu perechi torsadate ecranate la o distanță de până la 15 metri, comparativ cu 100 m pentru GigE, deși ambele pot fi depășite în anumite condiții.

Fiecare tehnologie este capabilă să transmită date și energie prin același cablu: GMSL utilizează Power over Coax (PoC), astfel că semnalele video, audio, de control, de date și energie pot fi transportate pe un singur canal. Majoritatea aplicațiilor GigE Vision se bazează pe Power over Ethernet (PoE) pentru Ethernet cu 4 perechi sau, mai rar, pe Power over Data Line (PoDL) pentru Single-Pair Ethernet (SPE).

Cerințele sistemului și nevoile aplicației vor determina care tehnologie de vedere este cea mai potrivită. GigE Vision, de exemplu, poate oferi unele avantaje pentru aplicațiile cu o singură cameră, în special atunci când acestea se conectează direct la un PC sau la o platformă integrată cu un port Ethernet.

Atunci când utilizează mai multe camere, aplicațiile GigE Vision vor necesita utilizarea unui switch Ethernet dedicat, a unei plăci de interfață de rețea (NIC) cu mai multe porturi Ethernet sau a unui CI pentru switch Ethernet. Această cerință de comutare are potențialul de a reduce viteza maximă totală de transfer al datelor și poate introduce o latență imprevizibilă între camere și dispozitivul terminal, în timp ce GMSL oferă o arhitectură mai simplă și mai directă.

Dispozitivele GigE Vision pot suporta o rezoluție mai mare și o viteză mai mare de transfer al cadrelor – sau ambele simultan – cu buffering și compresie suplimentare. Buffering-ul și procesarea cadrelor nu sunt asigurate de dispozitivele GMSL, astfel încât rezoluția și viteza de transfer al cadrelor depind de ceea ce poate suporta senzorul de imagine în cadrul lățimii de bandă a legăturii. Inginerii vor trebui să stabilească un compromis simplu între rezoluție, rata cadrelor și adâncimea pixelilor.

GMSL simplifică arhitectura video de mare viteză

Camerele GigE Vision utilizează de obicei un lanț de semnal care include un senzor de imagine, un procesor și un strat fizic Ethernet (PHY) (Figura 1). Datele de imagine brute de la senzor sunt convertite de procesor în cadre Ethernet, bazându-se adesea pe compresie sau pe buffering-ul de cadre pentru a se potrivi cu viteza de transfer al datelor a lățimii de bandă Ethernet acceptate.

Figura 1: Reprezentarea componentelor cheie ale lanțului de semnal de pe partea camerelor GigE Vision pe care este montat senzorul. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Lanțul de semnal al camerei GMSL utilizează o arhitectură serializator/deserializator (SerDes) care evită utilizarea unui procesor (Figura 2). În schimb, datele paralele ale senzorului de imagine sunt convertite de serializator într-un flux de date seriale de mare viteză. La capătul din spate, un deserializator convertește datele seriale înapoi în formă paralelă pentru procesarea de către un sistem pe cip (SoC) al unității de control electronic (ECU).

Figura 2: Camerele GMSL utilizează pe partea cu senzorul o arhitectură a lanțului de semnal care este mai simplă decât GigE Vision. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Arhitectura camerei GMSL simplifică proiectarea camerelor cu factor de formă mic și consum redus de energie. Serializatoarele se pot conecta direct la camere prin interfața standard MIPI CSI-2 și pot transmite date în pachete prin legătura GMSL.

Un dispozitiv gazdă tipic este o platformă încorporată personalizată cu unul sau mai multe deserializatoare care transmit date de imagine prin transmițătoare MIPI în același format ca și ieșirea MIPI a senzorului de imagine. Proiectele personalizate necesită drivere noi pentru camerele GMSL, dar dacă există deja un driver pentru senzorul de imagine, acesta poate fi utilizat cu doar câteva registre de profil sau scrieri de registre pentru a permite un flux video de la camere la o unitate de control.

Componente GMSL

ADI oferă un portofoliu cuprinzător de serializatoare și deserializatoare pentru a sprijini o varietate de interfețe. Acestea prezintă modele PHY robuste, rate scăzute de eroare a biților (BER) și compatibilitate retroactivă. Orice protocoale video pot fi conectate – de exemplu, HDMI la Open LVDS Display Interface (oLDI).

Inginerii vor trebui să selecteze cele mai bune componente în funcție de nevoile aplicației, cum ar fi interfețele dispozitivelor, vitezele de transfer al datelor, lățimea de bandă, consumul de energie, condițiile de mediu și lungimea cablurilor. Alți factori includ EMI, gestionarea erorilor și integritatea semnalului. Unele exemple de componente ale GMSL de la ADI includ:

• MAX96717, un serializator de la CSI-2 la GMSL2 (Figura 3), funcționează la o viteză fixă de 3 Gbps sau 6 Gbps în direcția înainte și 187,5 Mbps în direcția înapoi.

Figura 3: O schemă care ilustrează fluxul de date care utilizează serializatoarele MAX96717. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

• MAX96716A, care convertește intrările seriale duble GMSL2 în MIPI CSI-2. Intrările GMSL2 funcționează independent și datele video de la ambele pot fi agregate pentru ieșire pe un singur port CSI-2 sau replicate pe un al doilea port pentru redundanță.
• MAX96724, un deserializator quad tunneling, convertește patru intrări GMSL 2/1 în 2 ieșiri MIPI D-PHY sau C-PHY. Vitezele de transfer al datelor pe legături sunt de 6/3 Gbps pentru GMSL2 și 3,12 Gbps pentru GMSL1, iar vitezele de transfer ale legăturilor inverse de 187,5 Mbps pentru GMSL2 și 1 Mbps pentru GMSL1.
• Deserializatorul MAX96714 convertește o singură intrare GMSL 2/1 în ieșire MIPI CSI-2, cu o rată fixă de 3 Gbps sau 6 Gbps în direcția înainte și 187,5 Mbps în direcția înapoi.
• MAX96751 este un serializator GMSL2 cu intrare HDMI 2.0 care convertește HDMI în protocol serial GMSL2 simplu sau dublu. De asemenea, permite transmiterea full-duplex, pe un singur fir, a datelor video și bidirecționale.
• MAX9295D convertește fluxurile de date MIPI CSI-2 cu 4 benzi, cu unul sau două porturi, în GMSL2 sau GMSL1.

De asemenea, ADI oferă mai multe instrumente de dezvoltare, cum ar fi kitul de evaluare MAX96724-BAK-EVK# pentru dispozitivele MAX96724.

Concluzie

Datorită complexității reduse, camerele GMSL sunt mai compacte și, în general, pot oferi o soluție mai rentabilă în comparație cu GigE Vision. GMSL asigură transportul fiabil al imaginilor video digitale de înaltă rezoluție cu latență de nivelul microsecundelor, pentru o gamă din ce în ce mai largă de aplicații bazate pe camere și afișaje, de la învățare automată și operațiuni autonome la infotisment și siguranță. Milioane de legături GMSL îmbunătățesc astăzi experiența șoferilor pe șosele, dovedindu-le fiabilitatea și performanța.