Kamery GMSL przetestowane w ruchu drogowym wkraczają na nowe rynki

Technologie opracowane do zastosowań motoryzacyjnych często przenoszone są na inne rynki ze względu na rygorystyczne wymagania producentów samochodów w zakresie niezawodności, parametrów działania i potrzeby wysokich prędkości przesyłu danych w niesprzyjającym elektronice środowisku. Dlatego kamery z gigabitowym szeregowym łączem multimedialnym (GMSL™) znajdują gotowe rynki zastosowań wizyjnych w takich dziedzinach, jak automatyka i robotyka, inteligentne rolnictwo, cyfrowa opieka zdrowotna, awionika, robotyka oraz zarządzanie zapasami w handlu detalicznym i magazynach.

Pierwotnie wprowadzona do zastosowań wymagających szybkiej transmisji wideo i danych w pojazdach technologia gigabitowego szeregowego łącza multimedialnego (GMSL) firmy Analog Devices zyskała szeroką akceptację i stała się sprawdzoną technologią zapewniającą nowe poziomy parametrów działania szybkich łączy wideo i umożliwiającą wielostrumieniowość w jednym kablu.

Zastosowania wizyjne wymagają bardzo dużych strumieni danych, aby zapewnić wysoką jakość obrazu. Obraz Full HD składa się z 1080 wierszy na 1920 kolumn. Odpowiada to 2 milionom pikseli, z których każdy składa się z czerwonego, zielonego i niebieskiego elementu, co daje 6 milionów elementów. Każdy element reprezentuje 8 bitów danych, więc każda klatka daje w rezultacie prawie 50Mbps danych. Przy 60 klatkach na sekundę wymagana szybkość transmisji danych dla jednej kamery wynosi ponad 3,5Gbps.

Pierwsza generacja technologii GMSL, udostępniona po raz pierwszy w 2008 roku, wykorzystywała standard niskonapięciowego sygnału różnicowego (LVDS) do dostarczania równoległych szybkości pobierania danych do 3,125Gbps. Było to szczególnie odpowiednie z punktu widzenia przesyłania danych z wielu systemów kamer i innych zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS), a także do rosnącego wykorzystania wyświetlaczy płaskopanelowych wysokiej rozdzielczości w samochodach.

Druga generacja omawianej technologii, GMSL2, została wprowadzona w 2018 roku, zwiększając szybkość transmisji danych do 6Gbps i obsługując więcej standardowych interfejsów wideo wysokiej prędkości, w tym HDMI i MIPI - popularne interfejsy sensorów obrazu w kamerach konsumenckich i samochodowych. Postępy te pozwalają na obsługę wyświetlaczy Full HD (FHD) i kamer o rozdzielczości do 8MP.

GMSL3, czyli wersja technologii następnej generacji, może dostarczać dane z prędkością do 12Gbps jednym kablem, obsługuje wiele strumieni o rozdzielczości 4K, łączenie kaskadowe wielu wyświetlaczy oraz agregację wielu kamer, np. z przodu, z tyłu i po bokach pojazdu, zapewniając widoczność w zakresie 360°. Obecnie coraz więcej producentów samochodów uzupełnia lusterka wsteczne i boczne kamerami, a także wykorzystuje kamery przednie i tylne do zapobiegania kolizjom oraz kamery kabinowe do monitorowania bezpieczeństwa kierowcy i pasażerów. Technologia GMSL3 może agregować dane z wielu strumieni wideo, a także z urządzeń LiDAR i radaru.

Dzięki skalowalności kamer do poziomu sensorów CMOS, mogą one generować niesamowitą jakość przy niskich kosztach i przy niskim poborze mocy. Sensory obrazu zawierają miliony elementów receptorowych, z których każdy konwertuje pomiary na wartości cyfrowe, które wraz z informacjami dotyczącymi synchronizacji przesyłane są strumieniowo za pośrednictwem torów danych szeregowych interfejsu równoległego.

Zarówno technologia GMSL2, jak i GMSL3 wykorzystuje standardy interfejsu mobilnego procesora przemysłowego (MIPI), które zapewniają projektantom i sprzedawcom dostęp do szerokiej gamy sensorów obrazu do kamer GMSL.

GMSL kontra GigE

Inżynierowie rozpoczynający pracę nad zastosowaniami wizyjnymi z pewnością szybko staną przed decyzją, czy zastosować technologię gigabitowego szeregowego łącza multimedialnego (GMSL), czy też Gigabit Ethernet (GigE). Technologia Gigabit Ethernet (GigE) jest szeroko wykorzystywana w zastosowaniach przemysłowych, głównie ze względu na swoją zależność od infrastruktury i standardów sieci Ethernet.

Kamery wykorzystujące technologię wizji przez Gigabit Ethernet (GigE) z interfejsami 2.5 GigE, 5 GigE i 10 GigE są obecnie powszechnie stosowane, a najnowocześniejsze kamery 100 GigE mogą wykorzystywać szybkość transmisji danych do 100Gbps. Technologia GMSL została zaprojektowana do przesyłania danych za pomocą kabla koncentrycznego lub ekranowanej skrętki dwużyłowej na odległość do 15m, w porównaniu do 100m w przypadku standardu Gigabit Ethernet (GigE), chociaż w pewnych warunkach obydwie odległości mogą zostać zwiększone.

Każda z tych technologii umożliwia przesyłanie danych i zasilania tym samym kablem: Technologia GMSL wykorzystuje zasilanie po kablu koncentrycznym (PoC), dzięki czemu obraz, dźwięk, sterowanie, dane i zasilanie mogą być przesyłane w jednym kanale. Większość zastosowań z technologią wizji przez Gigabit Ethernet (GigE) opiera się na zasilaniu PoE (Power over Ethernet) dla 4-parowej sieci Ethernet lub, rzadziej, na zasilaniu przez linie danych (PoDL) dla jednoparowej sieci Ethernet (SPE).

O tym, która technologia wizyjna jest najbardziej odpowiednia, decydują wymagania systemowe i zastosowania. Na przykład technologia wizji przez Gigabit Ethernet (GigE) może oferować pewne zalety w zastosowaniach z jedną kamerą, szczególnie w przypadku bezpośredniego połączenia z komputerem PC lub wbudowaną platformą z portem Ethernet.

W przypadku korzystania z wielu kamer, zastosowania z technologią wizji przez Gigabit Ethernet (GigE) będą wymagały użycia dedykowanego przełącznika Ethernet, karty interfejsu sieciowego (NIC) z wieloma portami Ethernet lub układu scalonego przełącznika Ethernet. Ten wymóg przełączania może potencjalnie zmniejszyć maksymalną całkowitą szybkość transmisji danych i wprowadzić nieprzewidywalną latencję między kamerami a urządzeniem końcowym, podczas gdy technologia GMSL zapewnia prostszą, bardziej bezpośrednią architekturę.

Urządzenia z technologią wizji przez Gigabit Ethernet (GigE) mogą obsługiwać wyższą rozdzielczość lub większą liczbę klatek na sekundę, z dodatkowym buforowaniem i kompresją. Urządzenia GMSL nie zapewniają buforowania i przetwarzania ramek, więc rozdzielczość i liczba klatek na sekundę zależą od możliwości sensora obrazu w ramach szerokości pasma łącza. Inżynierowie będą musieli określić prosty kompromis między rozdzielczością, liczbą klatek na sekundę i głębią bitową pikseli.

Technologia GMSL upraszcza architekturę wideo wysokiej prędkości

Kamery z technologią wizji przez Gigabit Ethernet (GigE) zazwyczaj wykorzystują łańcuch sygnałowy, który zawiera sensor obrazu, procesor i warstwę fizyczną (PHY) Ethernet (ilustracja 1). Nieprzetworzone dane obrazu z sensora są konwertowane przez procesor na ramki Ethernet. Żeby je dopasować do obsługiwanej przepustowości sieci Ethernet, często polega się na kompresji lub buforowaniu ramek.

Ilustracja 1: reprezentacja kluczowych komponentów łańcucha sygnałowego po stronie sensorów kamer z technologią wizji przez Gigabit Ethernet (GigE). (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Łańcuch sygnałowy kamery GMSL wykorzystuje architekturę serializatora-deserializatora (SerDes), która eliminuje potrzebę użycia procesora (ilustracja 2). Zamiast tego dane równoległe z sensora obrazu są konwertowane przez serializator na szybki strumień danych szeregowych. Po stronie układu back-end deserializator konwertuje dane szeregowe z powrotem do postaci równoległej w celu przetworzenia przez układ SoC (system-on-chip) elektronicznej jednostki sterującej (ECU).

Ilustracja 2: kamery GMSL wykorzystują prostszą architekturę łańcucha sygnałowego po stronie sensora niż architektura technologii wizji przez Gigabit Ethernet (GigE). (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Architektura kamer GMSL ułatwia projektowanie kamer o niewielkich rozmiarach i niskim poborze mocy. Serializatory mogą łączyć się bezpośrednio z kamerami z użyciem standardowego interfejsu MIPI CSI-2 i przesyłać dane w pakietach przez łącze GMSL.

Typowe urządzenie hosta jest niestandardową platformą wbudowaną, zawierającą jeden lub kilka deserializatorów, które przesyłają dane obrazu przez nadajniki MIPI w tym samym formacie, co wyjście MIPI sensora obrazu. Niestandardowe projekty wymagają nowych sterowników kamer GMSL, ale jeśli istnieje już sterownik sensora obrazu, można go wykorzystać za pomocą kilku rejestrów profili lub zapisów rejestrów w celu włączenia strumienia wideo z kamer do jednostki sterującej.

Komponenty technologii gigabitowego szeregowego łącza multimedialnego (GMSL)

Firma ADI oferuje rozbudowane portfolio serializatorów i deserializatorów obsługujących różnorodne interfejsy. Charakteryzują się one odporną konstrukcją warstwy fizycznej (PHY), niskimi bitowymi stopami błędów (BER) i kompatybilnością wstecz. Można mostkować ze sobą dowolne protokoły wideo - na przykład HDMI i Open LVDS Display Interface (oLDI).

Inżynierowie będą musieli wybrać najlepsze komponenty w oparciu o potrzeby danego zastosowania, takie jak interfejsy urządzeń, szybkości transmisji danych, szerokość pasma, zużycie energii, warunki środowiskowe i długość kabla. Inne czynniki to m.in. zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), obsługa błędów i integralność sygnału. Oto kilka przykładów komponentów GMSL firmy ADI:

• Serializator CSI-2 - GMSL2 MAX96717, (ilustracja 3) działa z ustaloną prędkością 3Gbps lub 6Gbps w kierunku do przodu i prędkością 187,5Mbps w kierunku do tyłu.

Ilustracja 3: schemat ilustrujący strumień danych wykorzystujący serializatory MAX96717. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

• Urządzenie MAX96716A, które konwertuje dwa wejścia szeregowe GMSL2 na MIPI CSI-2. Wejścia GMSL2 działają niezależnie, a dane wideo z obu mogą być agregowane w celu wyprowadzenia na jednym porcie CSI-2 lub replikowane na drugim porcie w celu zapewnienia redundancji.
• Deserializator z poczwórnym tunelowaniem MAX96724 konwertuje cztery wejścia GMSL 2/1 na 2 wyjścia MIPI D-PHY lub C-PHY. Szybkości łącza danych wynoszą 6/3Gbps dla GMSL2 oraz 3,12Gbps dla GMSL1, natomiast szybkość łącza zwrotnego wynosi 187,5Mbps dla GMSL2 oraz 1Mbps dla GMSL1.
• Deserializator MAX96714 konwertuje pojedyncze wejście GMSL 2/1 na wyjście MIPI CSI-2 z ustaloną prędkością 3Gbps lub 6Gbps w kierunku do przodu i prędkością 187,5Mbps w kierunku do tyłu.
• Serializator GMSL2 MAX96751 posiada wejście HDMI 2.0 i konwertuje HDMI na pojedynczy lub podwójny protokół szeregowy GMSL2. Umożliwia on również jednoprzewodową i pełnodupleksową transmisję danych wizyjnych i dwukierunkowych.
• Urządzenie MAX9295D konwertuje jednoportowe lub dwuportowe 4-torowe strumienie danych MIPI CSI-2 do formatu GMSL2 lub GMSL1.

Firma ADI oferuje również kilka narzędzi rozwojowych, takich jak zestaw ewaluacyjny MAX96724-BAK-EVK# do urządzeń MAX96724.

Podsumowanie

Dzięki mniejszej złożoności, kamery GMSL są bardziej kompaktowe i generalnie są w stanie zapewnić bardziej ekonomiczne rozwiązanie w porównaniu z technologią wizji przez Gigabit Ethernet (GigE). Technologia GMSL zapewnia niezawodne przesyłanie cyfrowego wideo o wysokiej rozdzielczości z mikrosekundową latencją w coraz szerszym zakresie zastosowań opartych na kamerach i wyświetlaczach, od uczenia maszynowego i operacji autonomicznych po inforozrywkę i bezpieczeństwo. Miliony łączy GMSL poprawiają komfort kierowców na drogach, co potwierdza ich niezawodność i parametry działania.