Vei-testede GMSL-kameraer inntar nye markeder

Teknologier utviklet for kjøretøyutrustninger (bilutrustninger) overføres ofte til andre markeder på grunn av bilprodusentenes strenge krav til pålitelighet, ytelse og behovet for raske datahastigheter i et elektronikkfiendtlig miljø. Derfor er GMSL™-kameraer (Gigabit Multimedia Serial Link) i ferd med å finne et marked for maskinsynutrustning (utrustninger med maskinell synsevne) innen områder som automatisering og robotteknologi, smart landbruk, digitale helsetjenester, luftfart, robotakser og lagerstyring i detaljhandel og varehus.

GMSL fra Analog Devices ble opprinnelig introdusert for høyhastighets video- og dataoverføring i kjøretøyer, den er en anerkjent og velprøvd teknologi som gir nye ytelsesnivåer for høyhastighets videolinker og muliggjør multistrømming over én enkelt kabel.

Maskinsyner krever svært store datastrømmer for å sikre video av høy kvalitet. Et full HD-bilde består av 1080 rader x 1920 kolonner. Det utgjør 2 millioner piksler, som hver består av et rødt, grønt og blått element, noe som gir 6 millioner elementer. Hvert element representerer 8 bits med data, slik at hver ramme resulterer i nesten 50 Mbps med data. Med 60 bilder i sekundet er den nødvendige datahastigheten for ett kamera over tre og en halv Gbps.

Første generasjons GMSL, som først ble tilgjengelig i 2008, brukte LVDS-standarden (Low Voltage Differential Signaling) til å levere parallelle nedlinkhastigheter på opptil 3125 Gbps. Det var spesielt godt egnet til å overføre data fra flere kamerasystemer og andre avanserte førerassistanseutrustninger (ADAS), i tillegg til den økende bruken av HD-flatskjermer i bilen.

I 2018 kom andre generasjon, GMSL2, som økte datahastigheten til 6 Gbps og støtter flere standard høyhastighetsvideogrensesnitt, inkludert HDMI og MIPI-grensesnittstandarden, et populært grensesnitt for bildesensorer i forbruker- og kjøretøykameraer. Disse fremskrittene ga plass til FHD-skjermer (Full High Definition) og kameraer med oppløsning på opptil 8 MP.

GMSL3, neste generasjon, kan levere data på opptil 12 Gbps over én enkelt kabel, støtter flere strømmer med 4K-oppløsning, seriekobling av flere skjermer og aggregering av flere kameraer, for eksempel de som er plassert foran, bak og på sidene av et kjøretøy, for å gi en 360-graders visning. I dag supplerer stadig flere bilprodusenter bak- og sidespeil med kameraer, bruker forover- og bakovervendte kameraer for å unngå kollisjoner, og kameraer inne i kupeen for å overvåke førerens og passasjerenes sikkerhet. GMSL3 kan samle data fra flere videofeeder samt LiDAR og radar.

Med kameraer som er skalert ned til CMOS-sensornivå, kan de produsere det som en gang ble ansett som utrolig kvalitet, til en lav pris og med lavt strømforbruk. Bildesensorene har millioner av reseptorelementer, som hver for seg konverterer målingene til digitale verdier som streames via serielle datalinjer i et parallelt grensesnitt, sammen med synkroniseringsinformasjon.

Både GMSL2 og GMSL3 benytter MIPI-grensesnittstandarder som gir designere og leverandører tilgang til et bredt utvalg av bildesensorer for GMSL-kameraer.

GMSL versus GigE

Ingeniører som begynner å jobbe med maskinsynutrustninger, vil utvilsomt raskt måtte ta stilling til om de skal bruke GMSL- eller Gigabit Ethernet (GigE)-teknologi. GigE er mye brukt i industrielleutrustninger, hovedsakelig fordi det baserer seg på Ethernet-nettverksinfrastruktur og -standarder.

GigE Vision-kameraer med 2,5 GigE, 5 GigE og 10 GigE er vanlig i dagens utrustninger, og toppmoderne 100 GigE-kameraer kan utnytte en datahastighet på opptil 100 Gbps. GMSL er utviklet for å overføre data over koaksialkabel eller skjermet tvunnet parkabel på opptil 15 meter, sammenlignet med 100 m for GigE, selv om begge deler kan overskrides under visse forhold.

Hver teknologi kan overføre data og strøm gjennom samme kabel: GMSL bruker Power over Coax (PoC), slik at video, lyd, kontroll, data og strøm kan transporteres på én og samme kanal. De fleste GigE Vision-utrustninger er avhengige av strøm over Ethernet (Power over Ethernet – PoE) for 4-pars Ethernet, eller mindre vanlig, strøm over datalinje (Power over Data Line – PoDL) for Single-Pair Ethernet (SPE).

Systemkravene og utrustningnes behov avgjør hvilken synsteknologi som er best egnet. GigE Vision kan for eksempel gi noen fordeler for enkeltkamerautrustninger, spesielt når de kobles direkte til en PC eller en innebygd plattform med Ethernet-port.

Ved bruk av flere kameraer vil GigE Vision-utrustninger kreve bruk av en dedikert Ethernet-switch, et nettverkskort (NIC) med flere Ethernet-porter eller en Ethernet-switch-IC. Dette kravet til switching kan potensielt redusere den maksimale totale datahastigheten og føre til uforutsigbar ventetid mellom kameraene og terminalenheten, mens GMSL gir en enklere og mer direkte arkitektur.

GigE Vision-enheter kan støtte høyere oppløsning og høyere bildefrekvens - eller begge deler samtidig - med ekstra bufring og komprimering. GMSL-enheter tilbyr ikke bildebufring og bildebehandling, så oppløsning og bildefrekvens avhenger av hva bildesensoren kan håndtere innenfor koblingsbåndbredden. Ingeniørene må finne en enkel avveining mellom oppløsning, bildefrekvens og pikselbitdybde.

GMSL forenkler arkitekturen for høyhastighetsvideo

GigE Vision-kameraer bruker vanligvis en signalkjede som omfatter en bildesensor, en prosessor og et fysisk Ethernet-lag (PHY) (figur 1). Rå bildedata fra sensoren konverteres av prosessoren til Ethernet-rammer, ofte ved hjelp av komprimering eller rammebuffring for å tilpasse datahastigheten til den støttede Ethernet-båndbredden.

Figur 1: Representasjon av de viktigste komponentene i signalkjeden på sensorsiden av GigE Vision-kameraer. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

GMSL-kamerasignalkjeden bruker en SerDes-arkitektur (parallell-serie-omformer/serie-parallell-omformer – serializer/deserializer, kanskje også kalt serialisator/deserialisator) som gjør at man unngår bruk av en prosessor (figur 2). I stedet omformes parallelle data fra bildesensoren av parallell-serie-omformer (serializer-en) til en seriell datastrøm med høy hastighet. På baksiden konverterer en serie-parallell-omformer (deserializer) de serielle dataene tilbake til parallell form, slik at de kan behandles av en system-on-chip (SoC) i en elektronisk styreenhet (ECU).

Figur 2: GMSL-kameraer bruker en enklere signalkjedearkitektur på sensorsiden enn GigE Vision. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

GMSL-kameraarkitekturen gjør det enklere å designe kameraer med liten formfaktor og lavt energiforbruk. Parallell-serie-omformere (serializere) kan kobles direkte til kameraer via standard MIPI CSI-2-grensesnitt og overføre pakkede data via GMSL-koblingen.

En typisk vertsenhet er en tilpasset innebygd plattform med en eller flere serie-parallell-omformere (deserializer) som overfører bildedata via MIPI-sendere i samme format som bildesensorens MIPI-utgang. Nye GMSL-kameradrivere er nødvendig for tilpassede design, men hvis det finnes en eksisterende driver for bildesensoren, kan den brukes med bare noen få profilregistre eller registerskriving for å aktivere en videostrøm fra kameraer til en kontrollenhet.

GMSL-komponenter

ADI tilbyr en omfattende portefølje av parallell-serie-omformer (serializer) og serie-parallell-omformer (deserializer) som støtter en rekke ulike grensesnitt. Disse har robust PHY-design, lave bitfeilrater (BER) og bakoverkompatibilitet. Alle videoprotokoller kan kobles sammen – for eksempel HDMI til Open LVDS Display Interface (oLDI).

Ingeniøre og teknikere må velge de beste komponentene basert på utrustningens behov, for eksempel enhetsgrensesnitt, datahastigheter, båndbredde, strømforbruk, miljøforhold og kabellengde. Andre faktorer omfatter EMI, feilhåndtering og signalintegritet. Noen eksempler på ADIs GMSL-komponenter inkluderer

• MAX96717, en CSI-2 til GMSL2-parallell-serie-omformer (serializer) (Figur 3), opererer med en fast hastighet på 3 Gbps eller 6 Gbps i retning fremover og 187,5 Mbps i motsatt retning.

Figur 3: Skjematisk illustrasjon av datastrømmen ved bruk av parallell-serie-omformere (serializers/serialisatorer) MAX96717. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

• MAX96716A, som konverterer doble GMSL2-serielle innganger til MIPI CSI-2. GMSL2-inngangene fungerer uavhengig av hverandre, og videodata fra begge kan aggregeres for utdata på en enkelt CSI-2-port eller replikeres på en annen port for redundans.
• MAX96724, en firetunnelerende serie-parallell-omformer (deserializer), konverterer fire GMSL 2/1-innganger til to MIPI D-PHY- eller C-PHY-utganger. Datalinkhastighetene er 6/3 Gbps for GMSL2 og 3,12 Gbps for GMSL1, og reverseringshastigheten er 187,5 Mbps for GMSL2 og 1 Mbps for GMSL1.
• Serie-parallell-omformer (deserializer) MAX96714 konverterer en enkelt GMSL 2/1-inngang til MIPI CSI-2-utgang, med en fast hastighet på 3 Gbps eller 6 Gbps i forovergående retning og 187,5 Mbps i bakovergående retning.
• MAX96751 er en GMSL2-parallell-serie-omformer (-serializer) med HDMI 2.0-inngang som omformer HDMI til enkel eller dobbel GMSL2-seriell protokoll. Den muliggjør også full dupleks overføring av video og toveis data med én ledning.
• MAX9295D konverterer MIPI CSI-2-datastrømmer med én eller to porter og 4 baner til GMSL2 eller GMSL1.

ADI tilbyr også flere utviklingsverktøy, for eksempel evalueringssettet MAX96724-BAK-EVK# for MAX96724-enhetene.

Konklusjon

GMSL-kameraene er mindre komplekse, mer kompakte og generelt mer kostnadseffektive enn GigE Vision. GMSL sørger for pålitelig transport av høyoppløselig digital video med mikrosekunders latenstid for et økende utvalg av kamera- og skjermbaserte utrustninger, fra maskinlæring og autonome operasjoner til infotainment og sikkerhet. Millioner av GMSL-lenker forbedrer føreropplevelsen på veien i dag, noe som vitner om deres pålitelighet og ytelse.