Vägtestade GMSL-kameror leder till nya marknader

Teknik som utvecklats för fordonstillämpningar överförs ofta till andra marknader på grund av fordonstillverkarnas strikta krav på tillförlitlighet, prestanda och behovet av snabba datahastigheter i en miljö som är fientlig mot elektronik. Det är därför som Gigabit Multimedia Serial Link-kameror (GMSL™) har en stark ställning på marknaden för bildtillämpningar inom områden som automation och robotteknik, smart jordbruk, digital sjukvård, flygelektronik, robotaxlar samt lagerhantering inom detaljhandel och lager.

GSML från Analog Devices introducerades ursprungligen för höghastighetsvideo och dataöverföring i fordon och är en allmänt vedertagen och beprövad teknik som ger nya prestandanivåer för videolänkar med hög hastighet och möjliggör multistreaming över en enda kabel.

Bildtillämpningar kräver mycket stora dataströmmar för att garantera video med hög kvalitet. En fullständig HD-bild består av 1080 rader och 1920 kolumner. Det motsvarar 2 miljoner pixlar, som var och en består av ett rött, grönt och blått element, vilket ger 6 miljoner element. Varje element representerar 8 bitar data, så respektive bildruta innebär nästan 50 Mbit/s data. Med 60 bilder per sekund krävs en datahastighet på över tre och en halv Gbit/s för en kamera.

Den första generationens GMSL, som kom 2008, använde LVDS-standarden (Low Voltage Differential Signaling) för att leverera parallell data i nedlänkshastigheter på upp till 3,125 Gbit/s. Den var särskilt lämpad för att överföra data från flera kamerasystem och andra avancerade tillämpningar för avancerad förarassistans (ADAS), liksom för den växande användningen av högupplösta platta bildskärmar i bilar.

En andra generation, GMSL2, introducerades 2018 och ökade datahastigheten till 6 Gbit/ och hade stöd för fler standardiserade videogränssnitt för hög hastighet, inklusive HDMI och gränssnittsstandarden MIPI, ett populärt gränssnitt för bildsensorer i konsument- och fordonskameror. Dessa framsteg möjliggjorde FHD-skärmar (Full High Definition) och kameror med en upplösning på upp till 8 MP.

GMSL3, nästa generation, kan leverera data på upp till 12 Gbit/ i en enda kabel, har stöd för flera strömmar med 4K-upplösning, seriekoppling av flera skärmar och sammanställning av flera kameror, t.ex. de som sitter fram, bak och på sidorna av ett fordon, för att ge visning i 360°. Idag kompletterar allt fler biltillverkare bak- och sidospeglar med kameror, använder framåt- och bakåtriktade kameror för att undvika kollisioner och kameror i kupén för att övervaka förarens och passagerarnas säkerhet. GMSL3 kan sammanställa data från flera videoflöden likväl som LiDAR och radar.

Med kameror som skalats ner till CMOS-sensornivå kan man producera vad som tidigare ansågs vara otrolig kvalitet till låg kostnad och med låg strömförbrukning. Bildsensorer har miljontals receptorelement, som vart och ett omvandlar mätningar till digitala värden som strömmas via seriella dataspår i ett parallellt gränssnitt, tillsammans med synkroniseringsinformation.

Både GMSL2 och GMSL3 använder gränssnittsstandarden MIPI som ger konstruktörer och leverantörer tillgång till ett stort utbud av bildsensorer för GMSL-kameror.

GMSL jämfört med GigE

Ingenjörer som börjar med bildtillämpningar kommer utan tvekan snabbt att ställas inför ett beslut om de ska använda bildtekniken GMSL eller Gigabit Ethernet (GigE). GigE används ofta i industriella tillämpningar, mycket beroende på att den bygger på Ethernet-nätverkets infrastruktur och standarder.

GigE Vision-kameror med 2,5 GigE, 5 GigE och 10 GigE är vanliga i dagens tillämpningar, och 100 GigE-kameror kan utnyttja en datahastighet på upp till 100 Gbit/s. GMSL är konstruerat för att överföra data via koaxialkabel eller skärmad partvinnad kabel på upp till 15 meter, jämfört med 100 m för GigE, även om båda kan överskridas under vissa förhållanden.

Respektive teknik kan överföra data och ström genom samma kabel: GMSL använder Power over Coax (PoC) så att video, ljud, styrning, data och ström kan transporteras i en enda kanal. De flesta GigE Vision-tillämpningar förlitar sig på Power over Ethernet (PoE) för Ethernet med 4 par, eller mindre vanligt, Power over Data Line (PoDL) för Ethernet via ett par (SPE).

Systemkrav och tillämpningsbehov avgör vilken bildteknik som är lämpligast. GigE Vision kan exempelvis ge vissa fördelar i tillämpningar med en enda kamera, särskilt när de ansluts direkt till en PC eller en inbyggd plattform med en Ethernet-port.

Vid användning av flera kameror kräver GigE Vision-tillämpningar en dedicerad Ethernet-switch, ett nätverkskort (NIC) med flera Ethernet-portar eller en Ethernet-switchkrets. Detta krav på switchning kan potentiellt minska den maximala totala datahastigheten och medföra oförutsägbara fördröjningar mellan kameror och terminal, medan GMSL ger en enklare och mer direkt arkitektur.

GigE Vision-enheter kan stödja högre upplösning och högre bildhastighet - eller båda samtidigt - med ytterligare buffring och komprimering. Bildbuffring och bildbehandling tillhandahålls inte av GMSL-enheter, så upplösning och bildfrekvens beror på vad bildsensorn klarar av inom länkens bandbredd. Ingenjörer måste hitta en enkel komproimss mellan upplösning, bildfrekvens och bitdjup för pixlarna.

GMSL förenklar arkitekturen för video med hög hastighet

GigE Vision-kameror använder vanligtvis en signalkedja som innehåller en bildsensor, en processor och ett fysiskt Ethernet-lager (PHY) (figur 1). Rå bilddata från sensorn omvandlas av processorn till Ethernet-ramar, ofta med hjälp av komprimering eller rambuffring för att passa datahastigheten för den Ethernet-bandbredd som stöds.

Figur 1: Bild på viktiga komponenter i sensorsidans signalkedja i GigE Vision-kameror. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Signalkedjan i GMSL-kameran använder en SerDes-arkitektur (serializer/deserializer) som gör att man inte behöver använda en processor (figur). Istället omvandlas bildsensorns parallella data av serialiseringskretsen till en seriell dataström med hög hastighet. I den bakre delen omvandlar en deserialiseringskrets seriell data tillbaka till parallell form för bearbetning av en elektronisk styrenhet (ECU) i systemkretsen (SoC).

Figur 2: GMSL-kameror använder en mer förenklad arkitektur för sensorsidans signalkedja än GigE Vision-kameror. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

Arkitekturen i GMSL-kameror gör det enklare att konstruera kameror med litet format och låg strömförbrukning. Serialiseringskretsar kan ansluta direkt till kameror via standardgränssnittet MIPI CSI-2 och överföra paketdata via GMSL-länken.

En typisk värdenhet är en anpassad inbäddad plattform med en eller flera deserialiseringskretsar som överför bilddata via MIPI-sändare i samma format som bildsensorns MIPI-utgång. Nya drivrutiner för GMSL-kameror krävs för kundanpassade konstruktioner, men om det finns en befintlig drivrutin för bildsensorn kan den utnyttjas med bara några få profilregistrer eller registerskrivningar för att möjliggöra en videoström från kameror till en styrenhet.

GMSL-komponenter

ADI har ett stort sortiment serialiserings- och deserialiseringskretsar med stöd för en mängd olika gränssnitt. De har robusta PHY-konstruktioner, låga bitfelsfrekvenser (BER) och är bakåtkompatibla. Samtliga videoprotokoll kan kopplas ihop, för t.ex. HDMI till Open LVDS Display Interface (oLDI).

Ingenjörer måste välja de bästa komponenterna baserat på tillämpningens behov, t.ex. enhetsgränssnitt, datahastigheter, bandbredd, strömförbrukning, miljöförhållanden och kabellängd. Andra faktorer är elektromagnetiska störningar, felhantering och signalintegritet. Några exempel på GMSL-komponenter från ADI är:

• MAX96717 en CSI-2 till GMSL2-serialiseringskrets (figur 3) som arbetar med en fast hastighet på 3 eller 6 Gbit/s i framåtriktning och 187,5 Mbit/s i omvänd riktning.

Figur 3: En schematisk bild på dataströmmen vid användning av en MAX96717-serialiseringskrets. (Bildkälla: Analog Devices, Inc.)

• MAX96716A, som omvandlar dubbla GMSL2 seriella ingångar till MIPI CSI-2. GMSL2-ingångarna fungerar oberoende av varandra och videodata från båda kan sammanställas för utmatning på en enda CSI-2-port eller replikeras på en andra port för redundans.
• MAX96724, en fyrdubbel deserialiseringskrets med tunnlar, omvandlar fyra GMSL 2/1-ingångar till 2 MIPI D-PHY- eller C-PHY-utgångar. Datalänkhastigheterna är 6/3 Gbit/s för GMSL2 och 3,12 Gbit/s för GMSL1, och omvänd länkhastighet på 187,5 Mbit/s för GMSL2 och 1 Mbit/s för GMSL1.
• MAX96714 deserialiseringskrets omvandlar en enda GMSL 2/1-ingång till MIPI CSI-2-utgång, med en fast hastighet på 3 Gbit/s eller 6 Gbit/s i framriktning och 187,5 Mbit/s i omvänd riktning.
• MAX96751 är en GMSL2-serialiseringskrets med HDMI 2.0-ingång som omvandlar HDMI till enkelt eller dubbelt GMSL2-seriellt protokoll. Den möjliggör även full dubbelriktad överföring av video och dubbelriktad data via en tråd.
• MAX9295D omvandlar MIPI CSI-2-dataströmmar för 4 banor med en eller två portar till GMSL2 eller GMSL1.

ADI har även flera utvecklingsverktyg, till exempel utvärderingssatsen MAX96724-BAK-EVK# för enheterna MAX96724.

Sammanfattning

Tack vare den minskade komplexiteten är GMSL-kamerorna mer kompakta och kan i allmänhet erbjuda en mer kostnadseffektiv lösning jämfört med GigE Vision. GMSL tillhandahåller tillförlitlig transport av högupplöst digital video med en latenstid på mikrosekunder för ett växande antal kamera- och bildskärmsbaserade tillämpningar, från maskininlärning och autonom drift till infotainment och säkerhet. Miljontals GMSL-länkar förbättrar förarupplevelsen på vägarna idag, vilket vittnar om deras tillförlitlighet och prestanda.