Kamery GMSL testované v silničním provozu přijíždějí na nové trhy

Technologie vyvinuté pro automobilové aplikace se často přesouvají na jiné trhy kvůli přísným požadavkům výrobců automobilů na spolehlivost, výkon a potřebu rychlých datových toků v elektronicky nepříznivém prostředí. To je důvod, proč kamery s linkou GMSL™ (Gigabit Multimedia Serial Link) nacházejí trhy připravené pro aplikace vidění v oblastech, jako jsou automatizace a robotika, chytré zemědělství, digitální zdravotnictví, letectví, robotaxis a správa zásob v maloobchodech a skladech.

Linka GMSL od společnosti Analog Devices, která byla původně představena jako řešení pro aplikace vysokorychlostního přenosu videa a dat ve vozidlech, je široce používaná a osvědčená technologie přinášející novou úroveň výkonu pro vysokorychlostní přenosy videa a umožňující multi-streaming přes jediný kabel.

Aplikace vidění vyžadují velmi velké datové toky k zajištění vysoce kvalitního videa. Full HD obraz se skládá z 1080 řádků a 1920 sloupců. Tento počet představuje 2 miliony pixelů, z nichž každý se skládá z červeného, zeleného a modrého prvku, což ve výsledku činí 6 milionů prvků. Každý prvek představuje 8 bitů dat, takže výsledný objem každého snímku je téměř 50 Mbps dat. Při 60 snímcích za sekundu vychází požadovaný datový tok pro jednu kameru přes tři a půl Gbps.

První generace linky GMSL, která byla poprvé k dispozici v roce 2008, využívala standard nízkonapěťové diferenciální signalizace (LVDS) k poskytování rychlostí stahování dat přes paralelní připojení až 3,125 Gbps. Toto řešení bylo vhodné zejména pro přenos dat z více kamerových systémů a dalších pokročilých aplikací asistence řidiče (ADAS), jakož i pro rostoucí využití plochých displejů s vysokým rozlišením v automobilech.

Linka druhé generace GMSL2, která byla představená v roce 2018, zvyšuje rychlost přenosu dat až na 6 Gb/s a podporuje standardnější vysokorychlostní video rozhraní, včetně standardu HDMI a MIPI, který je oblíbeným rozhraním obrazového snímače pro spotřebitelské a automobilové kamery. Tyto pokroky zahrnovaly displeje s rozlišením full-DH (FHD) a kamery s rozlišením až 8 MP.

Další generace GMSL3 je schopná přenášet data rychlostí až 12 Gb/s přes jediný kabel, podporuje více streamů v rozlišení 4K, řetězení více displejů a agregaci více kamer, například kamer umístěných na přední, zadní a boční straně vozidla, které společně poskytují zorný úhel 360°. V současné době stále více výrobců automobilů doplňuje zpětná a boční zrcátka kamerami, využívá přední a zadní kamery pro předcházení kolizím a vnitřní kamery v kabině pro sledování bezpečnosti řidiče a cestujících. Linka GMSL3 je schopná agregovat data z více video kanálů jakož i z LiDARu a radaru.

Díky kamerám zmenšenými na úroveň snímačů CMOS mohou produkovat to, co bylo kdysi považováno za nepředstavitelnou kvalitu, a to s nízkými náklady a nároky na energii. Obrazové snímače mají miliony receptorových prvků, z nichž každý převádí naměřená data na digitální hodnoty, které lze společně se synchronizačními informacemi streamovat prostřednictvím sériových datových pruhů paralelního rozhraní.

Linky GMSL2 i GMSL3 využívají standardy rozhraní MIPI, které konstruktérům a prodejcům poskytují přístup k široké škále obrazových snímačů pro kamery GMSL.

Linka GMSL versus GigE

Inženýři začínající s aplikacemi vidění budou bezpochyby rychle čelit rozhodování, zda používat technologii vidění GMSL nebo gigabitový Ethernet (GigE). Ethernet GigE je široce používán v průmyslových aplikacích především díky své závislosti na infrastruktuře a standardech sítě Ethernet.

Kamery GigE Vision s Ethernetem 2,5 GigE, 5 GigE a 10 GigE jsou dnes běžnou součástí aplikací a nejmodernější kamery 100 GigE mohou využívat datovou rychlost až 100 Gb/s. Linka GMSL je navržena na přenos dat přes koaxiální kabel nebo stíněnou kroucenou dvojlinku na vzdálenost až 15 m ve srovnání se 100 m pro GigE, i když za určitých podmínek mohou být obě vzdálenosti překročeny.

Každá technologie je schopna přenášet data a energii prostřednictvím stejného kabelu: vzhledem k tomu, že linka GMSL využívá technologii Power over Coax (PoC), lze video, zvuk, ovládání, data a napájení přenášet po jediném kanálu. Většina aplikací GigE Vision využívá technologii Power over Ethernet (PoE) pro 4párový Ethernet nebo méně často technologii Power over Data Line (PoDL) pro jednopárový Ethernet (SPE).

Systémové požadavky a potřeby aplikací určí, která technologie vidění je nejvhodnější. Například technologie GigE Vision může nabídnout některé výhody pro aplikace s jednou kamerou, zejména v případech, kde se kamery připojují přímo k počítači nebo k vestavěné platformě s ethernetovým portem.

Při použití více kamer budou aplikace GigE Vision vyžadovat použití vyhrazeného ethernetového přepínače, síťové karty (NIC) s více ethernetovými porty nebo IO ethernetového přepínače. Tento požadavek na přepínání může potenciálně snížit maximální celkovou datovou rychlost a zavést nepředvídatelnou latenci mezi kamerami a koncovým zařízením, zatímco linka GMSL poskytuje jednodušší a přímější architekturu.

Zařízení GigE Vision mohou podporovat vyšší rozlišení a vyšší snímkovou frekvenci, případně obojí současně, a to s dalším ukládáním do vyrovnávací paměti a kompresí. Vzhledem tomu, že zařízení GMSL nepodporují ukládání snímků do vyrovnávací paměti a jejich zpracování, rozlišení a snímková frekvence závisí na schopnostech obrazového snímače v rámci šířky pásma spojení. Inženýři budou muset stanovit jednoduchý kompromis mezi rozlišením, snímkovou frekvencí a bitovou hloubkou pixelů.

Linka GMSL zjednodušuje architekturu vysokorychlostního videa

Kamery GigE Vision obvykle využívají signálový řetězec zahrnující obrazový snímač, procesor a ethernetovou fyzickou vrstvu (PHY) (obrázek 1). Nezpracovaná obrazová data ze snímače jsou převedena procesorem na ethernetové rámce a často se spoléhají na kompresi nebo ukládání snímků do vyrovnávací paměti, aby odpovídala datové rychlosti podporované šířky ethernetového pásma.

Obrázek 1: znázornění hlavních součástí signálového řetězce na straně senzoru kamer GigE Vision. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Signálový řetězec kamery GMSL využívá architekturu serializátoru/deserializátoru (SerDes), která se vyhýbá použití procesoru (obrázek 2). Paralelní data obrazového snímače jsou namísto toho převedena serializátorem na vysokorychlostní sériový datový tok. Na pozadí převádí deserializátor sériová data zpět na paralelní formát pro zpracování elektronickou řídicí jednotkou (ECU) v systému na čipu (SoC).

Obrázek 2: kamery GMSL využívají jednodušší architekturu signálového řetězce na straně snímače než kamery GigE Vision. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Architektura kamer GMSL usnadňuje návrh kamer s malým tvarovým faktorem a nízkou spotřebou energie. Serializátory se mohou připojovat přímo ke kamerám prostřednictvím standardního rozhraní MIPI CSI-2 a přenášet paketovaná data prostřednictvím linky GMSL.

Typické hostitelské zařízení je přizpůsobená vestavěná platforma s jedním nebo více deserializátory přenášejícími obrazová data přes MIPI vysílače ve stejném formátu, jaký používá MIPI výstup obrazového snímače. Přizpůsobené návrhy vyžadují nové ovladače kamer GMSL, pokud však existuje stávající ovladač obrazového snímače, lze jej využít pouze pomocí několika profilových registrů nebo zápisů do registrů, aby bylo možné přenášet videostream z kamer do řídicí jednotky.

Součásti linky GMSL

Společnost ADI nabízí komplexní portfolio serializátorů a deserializátorů pro podporu různých rozhraní. Vyznačují se robustní konstrukcí fyzické vrstvy PHY, nízkou bitovou chybovostí (BER) a zpětnou kompatibilitou. Jakékoli video protokoly lze vzájemně propojit - například HDMI s rozhraním Open LVDS Display Interface (oLDI).

Inženýři budou muset vybírat nejlepší součásti podle potřeb aplikace, jako jsou rozhraní zařízení, rychlosti přenosu dat, šířka pásma, spotřeba energie, podmínky prostředí a délka kabelu. Další faktory zahrnují rušení EMI, zpracování chyb a integrita signálu. Některé příklady součástí linky GMSL od společnosti ADI zahrnují:

• Model MAX96717, serializátor z rozhraní CSI-2 na GMSL2 (obrázek 3), pracuje s pevnou rychlostí 3 Gbps nebo 6 Gbps v dopředném směru a 187,5 Mbps v opačném směru.

Obrázek 3: schéma - znázornění datového toku s využitím serializátorů MAX96717. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

• Model MAX96716A převádějící duální sériové vstupy linky GMSL2 na formát MIPI CSI-2. Vstupy linky GMSL2 pracují nezávisle, přičemž video data z obou lze agregovat do výstupu na jediném portu CSI-2 nebo replikovat na druhý port pro redundanci.
• Tunelovací quad deserializátor MAX96724 převádí čtyři vstupy GMSL 2/1 na 2 výstupy MIPI D-PHY nebo C-PHY. Rychlosti datové linky jsou 6/3 Gbps pro GMSL2 a 3,12 Gbps pro GMSL1, rychlosti přenosu v obráceném směru jsou 187,5 Mbps pro GMSL2 a 1 Mbps pro GMSL1.
• Deserializátor MAX96714 převádí jeden vstup linky GMSL 2/1 na výstup MIPI CSI-2 s pevnou rychlostí 3 Gbps nebo 6 Gbps v dopředném směru a 187,5 Mbps v obráceném směru.
• Obvod MAX96751 je serializátor linky GMSL2 se vstupem HDMI 2.0, který převádí formát HDMI na jednoduchý nebo duální sériový protokol GMSL2. Podporuje také plně duplexní, jednovodičový přenos videa a obousměrný přenos dat.
• Serializátor MAX9295D převádí jednoportové nebo dvouportové, 4proudové datové toky rozhraní MIPI CSI-2 na formát GMSL2 nebo GMSL1.

Společnost ADI také nabízí několik vývojových nástrojů, například vyhodnocovací soupravu MAX96724-BAK-EVK# pro deserializátory MAX96724.

Závěr

Díky nižší složitosti jsou kamery GMSL v porovnání s kamerami GigE Vision kompaktnější a obecně schopné poskytnout cenově výhodnější řešení. Linka GMSL poskytuje spolehlivý přenos digitálního videa s vysokým rozlišením s mikrosekundovou latencí pro rostoucí řadu kamerových a zobrazovacích aplikac - od strojového učení a autonomních operací až po infotainment a bezpečnost. Milióny linek GMSL dnes vylepšují zážitky z řízení na silnicích a potvrzují tak svou spolehlivost a výkonnost.