A közúton tesztelt GMSL-kamerák új piacokra jutnak el

A gépjárműipari felhasználási területekre kifejlesztett technikák gyakran átkerülnek más piacokra is, mivel a gépjárműgyártók szigorú követelményeket támasztanak a megbízhatóságra, a teljesítményre és az elektronikusan ellenséges környezetben szükséges nagy adatátviteli sebességre vonatkozóan. Ezért a GMSL™-kamerák (GMSL: Gigabit Multimedia Serial Link, gigabites multimédiás soros kapcsolat) kész piacokat találnak a gépi látást használó berendezésekben olyan felhasználási területeken, mint az automatizálás és a robotika, az intelligens mezőgazdaság, a digitális egészségügy, a repülés, a robottaxik, valamint a kiskereskedelem és a raktárkészlet-kezelés.

Az Analog Devices GMSL technikája eredetileg a nagy sebességű videojel- és adatátvitel járművekben történő kezelésére bevezetett, széles körben elfogadott és bevált technika, amely új teljesítményszintet jelent a nagy sebességű videokapcsolatok terén, és lehetővé teszi több adatfolyam egyetlen kábelen történő továbbítását.

A képfeldolgozó alkalmazások a kiváló minőségű mozgóképek létrehozásához nagyon nagy adatfolyamokat igényelnek. Egy teljes HD felbontású kép 1080 sorból és 1920 oszlopból áll. Ez összesen 2 millió képpontot ad, amelyek mindegyikét egy-egy piros, zöld és kék képelem alkotja, ami pedig 6 millió képelemet tesz ki. Minden képelem 8 bitnyi adatot jelent, így minden egyes képkocka közel 50 Mb (megabit) adatot eredményez. Másodpercenként 60 képkocka esetén az egy kamerához szükséges adatátviteli sebesség több mint 3,5 Gb/s.

Az első generációs GMSL, amely először 2008-ban jelent meg, az LVDS (low-voltage differential signaling, kisfeszültségű különbségi jelátvitel) szabványt használta a 3,125 Gb/s-ig terjedő párhuzamos letöltési adatátviteli sebességek biztosítása érdekében. Ez különösen alkalmas volt a több kamerarendszerből és más fejlett vezetőtámogató (ADAS, advanced driver assistance system) rendszerekből származó adatok továbbítására, valamint az autókban egyre gyakrabban használt nagy felbontású lapos kijelzőkhöz.

A második generációt, a GMSL2-t 2018-ban vezették be. Ez 6 Gb/s-re növelte az adatátviteli sebességet, és több szabványos nagy sebességű videokapcsolatot támogatott, köztük a HDMI és a MIPI szabványt, amely a lakossági és gépjárműipari kamerák két népszerű képtovábbító illesztőfelülete. Ezek a fejlesztések lehetővé tették a teljes nagy felbontású (FHD) kijelzők és az akár 8 megapixel (MP, millió képpont) felbontású kamerák használatát.

A következő generációs GMSL3 akár 12 Gb/s sebességű adatátvitelre is képes egyetlen kábelen keresztül, több 4K felbontású adatfolyamot képes továbbítani, lehetővé teszi több kijelző láncba kapcsolását, valamint több kamera, például a jármű elején, hátulján és oldalán elhelyezett kamerák összevonását a 360°-os megjelenítési képesség megteremtése érdekében. Napjainkban egyre több gépjárműgyártó egészíti ki a belső és oldalsó visszapillantó tükröket kamerákkal, használ előre- és hátrafelé néző kamerákat az ütközések elkerülésére, valamint belső utastéri kamerákat a vezető és az utasok biztonságának ellenőrzésére. A GMSL3 képes a több videocsatornából, valamint lidarból és radarból származó adatok összesítésére.

A CMOS-érzékelők szintjére csökkentett kamerákkal alacsony költséggel és kis energiaigény mellett lehet előállítani a korábban hihetetlen minőségűnek tartott képeket. A képérzékelőkben több millió érzékelőelem található, amelyek mindegyike digitális értékekké alakítja át a mért értékeket, hogy azokat egy párhuzamos illesztőfelület soros adatsávjain keresztül továbbítsák a szinkronizálási adatokkal együtt.

Mind a GMSL2, mind a GMSL3 a MIPI illesztőfelület-szabványokat használja, ami hozzáférést kínál a tervezők és a gyártók számára a GMSL-kamerák képérzékelőinek széles választékához.

GMSL kontra GigE

A képalkotó készülékek területén kezdő mérnökök kétségtelenül gyorsan szembesülnek a döntéssel, hogy a GMSL vagy a gigabites Ethernet (GigE) képalkotó technikát használják-e. A GigE-t széles körben használják az ipari felhasználási területeken, elsősorban azért, mert az ethernetes hálózati infrastruktúrára és az Ethernet-szabványokra támaszkodik.

A 2,5 GigE, 5 GigE és 10 GigE átviteli sebességű GigE Vision kamerák ma már mindennaposak a berendezésekben, a csúcsminőségű 100 GigE kamerák pedig akár 100 Gb/s adatátviteli sebességre is képesek. A GMSL-t úgy tervezték, hogy az adatokat koaxiális kábelen vagy árnyékolt sodrott érpáras kábelen keresztül legfeljebb 15 méter távolságra továbbítsa, szemben a GigE 100 méterével, bár bizonyos körülmények között mindkettő túlléphető.

Mindegyik technika képes adat- és energiaátvitelre is ugyanazon a kábelen keresztül: A GMSL a PoC (Power over Coax, koaxkábelen át történő áramellátás) technikát használja, így a kép, a hang, a vezérlés, az adatok és az áramellátás egyetlen csatornán keresztül továbbítható. A legtöbb GigE Vision-készülék a PoE (Power over Ethernet, ethernetes áramellátás) technikára támaszkodik a 4 érpáros Ethernet esetében, vagy ritkábban a PoDL (Power over Data Line, adatvonalon át történő áramellátás) technikára az egy érpáros Ethernet (SPE, Single-Pair Ethernet) esetében.

Azt a rendszerkövetelmények és a felhasználási terület igényei határozzák meg, hogy melyik képalkotási technika a legmegfelelőbb. A GigE Vision előnyös lehet például az egykamerás berendezésekbe, különösen akkor, ha azok közvetlenül egy számítógéphez vagy egy Ethernet-porttal ellátott beágyazott platformhoz csatlakoznak.

Több kamera használata esetén a GigE Vision-készülékekhez külön Ethernet-adatátviteli kapcsoló (Ethernet switch), több Ethernet-porttal ellátott hálózati kártya vagy Ethernet-adatátviteli kapcsoló IC szükséges. Ez a kapcsolási követelmény potenciálisan csökkentheti a legnagyobb teljes adatátviteli sebességet, és kiszámíthatatlan késleltetést eredményezhet a kamerák és a végberendezés között, míg a GMSL egyszerűbb, közvetlenebb architektúrát kínál.

A GigE Vision-készülékek további puffereléssel és tömörítéssel nagyobb felbontást és a nagyobb képváltási frekvenciát tehetnek lehetővé – vagy mindkettőt egyszerre. A GMSL-készülékek nem teszik lehetővé a képkockák pufferelését és feldolgozását, így a felbontás és a képváltási frekvencia attól függ, hogy a képérzékelő mire képes a kapcsolat sávszélességén belül. A mérnököknek kötniük kell egy egyszerű kompromisszumot a felbontás, a képváltási frekvencia és az egyes képpontok bitmélysége között.

A GMSL egyszerűsíti a nagy sebességű videoarchitektúrát

A GigE Vision-kamerák jellemzően olyan jelláncot használnak, amely egy képérzékelőt, egy feldolgozóegységet és egy Ethernet fizikai réteget (PHY) tartalmaz (1. ábra). Az érzékelőből származó nyers képadatokat a feldolgozóegység Ethernet-keretekké alakítja, gyakran tömörítést vagy keretpufferelést használva, hogy igazodjon a támogatott Ethernet-sávszélesség által lehetővé tett adatátviteli sebességhez.

1. ábra: A GigE Vision-kamerák érzékelőoldali jelláncának legfontosabb összetevői (ábra: Analog Devices, Inc.)

A GMSL-kamera jellánca jelsorosító/jelpárhuzamosító (SerDes, serializer/deserializer) architektúrát használ, amelynél nincs szükség feldolgozóegység használatára (2. ábra). Ehelyett a képérzékelő párhuzamos adatait egy jelsorosító nagy sebességű soros adatfolyammá alakítja át. A jellánc másik végén egy jelpárhuzamosító a soros adatokat visszaalakítja párhuzamos formába, hogy az egykártyás rendszermodulként (SoC, system-on-chip) kialakított elektronikus vezérlőegység (ECU) fel tudja azokat dolgozni.

2. ábra: A GMSL-kamerák egyszerűbb jellánc-architektúrát használnak az érzékelőoldalon, mint a GigE Vision (ábra: Analog Devices, Inc.)

A GMSL-kameraarchitektúra egyszerűbbé teszi a kis méretű, kis fogyasztású kamerák tervezését. A jelsorosítók a szabványos MIPI CSI-2 illesztőfelületen keresztül közvetlenül csatlakozhatnak a kamerákhoz, és a GMSL-kapcsolaton keresztül csomagokra bontott adatokat tudnak továbbítani.

A jellegzetes központi eszköz egy testreszabott beágyazott platform egy vagy több jelsorosítóval, amely MIPI-adókon keresztül a képérzékelő MIPI-kimenőjelével megegyező formátumban továbbítja a képadatokat. A testreszabott készülékekhez új GMSL-kamera-illesztő programokra van szükség, de ha van már valamilyen meglévő illesztőprogram a képérzékelőhöz, akkor az néhány profilregiszter vagy regiszterbeírás segítségével felhasználható arra, hogy lehetővé tegye videófolyamok küldését a kamerából a vezérlőegységnek.

A GMSL összetevői

Az ADI a jelsorosítók és jelpárhuzamosítók átfogó termékválasztékát kínálja, így támogatva a különböző illesztőfelületeket. Ezekre jellemző, hogy erős PHY rétegük van, kis bithibaarányúak (BER, bit error rate), és visszafelé kompatibilisek. Mindegyik videoprotokollt össze lehet egyeztetni bármely másikkal – például a HDMI-t az oLDI-val (Open LVDS Display Interface).

A mérnököknek a felhasználási terület szabta igények, például az eszközök illesztőfelületei, az adatátviteli sebességek, a sávszélesség, a fogyasztás, a környezeti viszonyok és a kábelhossz alapján kell kiválasztaniuk a legjobb összetevőket. További szempontok még az elektromágneses zavarás, a hibakezelés és a jelépség. Néhány példa az ADI GMSL-összetevőire:

• MAX96717, egy CSI-2-jelet GMSL2-jellé alakító jelsorosító (3. ábra), amely 3 Gb/s vagy 6 Gb/s állandó átviteli sebességgel működik előrefelé és 187,5 Mb/s sebességgel visszafelé.

3. ábra: A MAX96717 jelsorosítókat használó adatfolyam megvalósítását szemléltető blokkvázlat (ábra: Analog Devices, Inc.)

• MAX96716A jelpárhuzamosító, amely két soros GMSL2-bemenőjelet alakít át MIPI CSI-2 formátumra. A GMSL2-bemenetek egymástól függetlenül működnek, és a kettőből származó videojelek összesíthetők egy kimenőjellé egy CSI-2-portra, vagy redundancia céljából replikálhatók egy második portra.
• MAX96724, egy négy alagutas jelpárhuzamosító, amely négy GMSL2/1-bemenőjelet alakít át két MIPI D-PHY- vagy C-PHY-kimenőjellé. Az előremenő adatátviteli sebesség 6/3 Gb/s a GMSL2 és 3,12 Gb/s a GMSL1 esetében, a fordított irányú átviteli sebesség 187,5 Mb/s a GMSL2 és 1 Mb/s a GMSL1 esetében.
• MAX96714 jelpárhuzamosító, amely egy GMSL2/1-bemenőjelet alakít át MIPI CSI-2-kimenőjellé, 3 Gb/s vagy 6 Gb/s állandó átviteli sebességgel előrefelé és 187,5 Mb/s sebességgel visszafelé.
• MAX96751, egy egy HDMI 2.0-bemenettel ellátott GMSL2-jelsorosító, amely a HDMI-jelet egy vagy két GMSL2 soros protokollnak megfelelő formátumra alakítja át. Emellett lehetővé teszi az egyvezetékes teljes duplex videojel-átvitelt és a kétirányú adatátvitelt.
• MAX9295D jelsorosító, amely egy- vagy kétportos, 4 sávos MIPI CSI-2-adatfolyamokat alakít át GMSL2- vagy GMSL1-adatfolyammá.

Az ADI számos fejlesztőeszközt is kínál, a MAX96724-re épülő eszközökhöz például a MAX96724-BAK-EVK# fejlesztőkészletet.

Összegzés

A GMSL-kamerák kevésbé bonyolultak, ennek köszönhetően kisebb méretűek, és általában gazdaságosabb megoldást tudnak nyújtani a GigE Vision-termékekhez képest. A GMSL képes a nagy felbontású digitális videófelvételeket megbízhatóan, mikroszekundumos késleltetéssel továbbítani a kamerák és a kijelzőalapú készülékek egyre szélesebb körének, a gépi tanulástól és az önálló berendezésektől kezdve a tájékoztató és szórakoztató, valamint a biztonsági alrendszerekig. Ma már GMSL-összeköttetések milliói segítik a járművezetőket az utakon, ami a megbízhatóságukról és teljesítményükről tanúskodik.