Geteste GMSL-camera's rijden naar nieuwe markten

Technologieën die zijn ontwikkeld voor toepassingen in de auto-industrie gaan vaak over naar andere markten vanwege de strenge eisen die autofabrikanten stellen aan betrouwbaarheid, prestaties en de behoefte aan hoge gegevenssnelheden in een elektronisch vijandige omgeving. Daarom vinden GMSL™-camera's (Gigabit Multimedia Serial Link) een markt voor vision-toepassingen op gebieden zoals automatisering en robotica, slimme landbouw, digitale gezondheidszorg, luchtvaart, robotaxis en voorraadbeheer in de detailhandel en magazijnen.

GMSL van Analog Devices werd oorspronkelijk geïntroduceerd voor toepassingen voor hogesnelheidsvideo en datatransmissie in voertuigen. Het is een breed toegepaste en bewezen technologie voor het brengen van nieuwe prestatieniveaus naar hogesnelheidsvideolinks en het mogelijk maken van multi-streaming over een enkele kabel.

Vision-toepassingen vereisen zeer grote gegevensstromen om video van hoge kwaliteit te garanderen. Een full HD-beeld bestaat uit 1080 rijen bij 1920 kolommen. Dat zijn 2 miljoen pixels, die elk bestaan uit een rood, groen en blauw element, wat resulteert in 6 miljoen elementen. Elk element vertegenwoordigt 8 bits aan gegevens, dus elk frame resulteert in bijna 50 Mbps aan gegevens. Bij 60 beelden per seconde is de vereiste gegevenssnelheid voor één camera meer dan drieënhalve Gbps.

De eerste generatie GMSL, voor het eerst beschikbaar in 2008, maakte gebruik van de LVDS-standaard (Low Voltage Differential Signaling) om parallelle downlinksnelheden tot 3,125 Gbps te leveren. Dat was vooral geschikt voor het overbrengen van gegevens van meerdere camerasystemen en andere geavanceerde rijhulpapplicaties (ADAS), evenals het groeiende gebruik van high-definition platte beeldschermen in de auto.

Een tweede generatie, GMSL2, werd in 2018 geïntroduceerd. Deze verhoogt de gegevenssnelheden tot 6 Gbps en ondersteunt meer standaard snelle video-interfaces, waaronder HDMI en de MIPI-interfacestandaard, een populaire beeldsensorinterface voor consumenten- en autocamera's. Deze vooruitgang zorgde voor Full High Definition (FHD) schermen en camera's met een resolutie tot 8 MP.

GMSL3, de volgende generatie, kan gegevens leveren tot 12 Gbps via een enkele kabel, ondersteunt meerdere streams in 4K-resolutie, het doorlussen van meerdere beeldschermen en het samenvoegen van meerdere camera's, zoals die aan de voorkant, achterkant en zijkanten van een voertuig, om 360° weergave mogelijk te maken. Vandaag de dag vullen steeds meer autofabrikanten hun achteruitkijk- en zijspiegels aan met camera's, gebruiken ze naar voren en naar achteren gerichte camera's om botsingen te voorkomen en camera's in de cabine om de veiligheid van de bestuurder en de passagiers te bewaken. GMSL3 kan gegevens verzamelen van meerdere videofeeds, LiDAR en radar.

Met camera's die zijn teruggebracht tot het niveau van CMOS-sensors, kunnen ze produceren wat ooit werd beschouwd als ongelooflijke kwaliteit tegen lage kosten en met een laag energieverbruik. Beeldsensors hebben miljoenen receptorelementen die elk metingen omzetten in digitale waarden die worden gestreamd via seriële gegevensbanen van een parallelle interface, samen met synchronisatie-informatie.

Zowel GMSL2 als GMSL3 maken gebruik van MIPI-interface standaarden die ontwerpers en verkopers toegang bieden tot een breed scala aan beeldsensors voor GMSL-camera's.

GMSL versus GigE

Ingenieurs die beginnen met vision-toepassingen zullen ongetwijfeld snel voor de keuze staan of ze GMSL of gigabit Ethernet (GigE) vision-technologie gaan gebruiken. GigE wordt veel gebruikt in industriële toepassingen, voornamelijk omdat het gebaseerd is op Ethernet-netwerkinfrastructuur en -standaarden.

GigE Vision-camera's met 2,5 GigE, 5 GigE en 10 GigE zijn vandaag de dag gemeengoed in toepassingen, en ultramoderne 100 GigE-camera's kunnen een gegevenssnelheid tot 100 Gbps gebruiken. GMSL is ontworpen om gegevens te verzenden via coaxkabel of afgeschermde twisted pair-kabel tot 15 meter, vergeleken met 100 m voor GigE, hoewel beide onder bepaalde omstandigheden overschreden mogen worden.

Elke technologie is in staat om data en stroom te verzenden via dezelfde kabel: GMSL gebruikt Power over Coax (PoC) zodat video, audio, besturing, gegevens en stroom via één kanaal kunnen worden getransporteerd. De meeste toepassingen van GigE Vision vertrouwen op Power over Ethernet (PoE) voor 4-pair Ethernet, of minder vaak, Power over Data Line (PoDL) voor Single-Pair Ethernet (SPE).

Systeemvereisten en toepassingsbehoeften bepalen welke vision-technologie het meest geschikt is. GigE Vision kan bijvoorbeeld enkele voordelen bieden voor toepassingen met één camera, met name wanneer ze rechtstreeks worden aangesloten op een pc of een ingebed platform met een ethernetpoort.

Bij gebruik van meerdere camera's vereisen GigE Vision-toepassingen het gebruik van een speciale Ethernet-switch, een netwerkinterfacekaart (NIC) met meerdere Ethernet-poorten of een Ethernet-switch-IC. Deze schakelvereisten kunnen mogelijk de maximale totale gegevenssnelheid verlagen en onvoorspelbare latentie introduceren tussen de camera's en het eindapparaat, terwijl GMSL een eenvoudigere, directere architectuur biedt.

GigE Vision-apparaten kunnen een hogere resolutie en een hogere framesnelheid ondersteunen - of beide tegelijk - met extra buffering en compressie. Framebuffering en -verwerking worden niet geleverd door GMSL-apparaten, dus resolutie en framerate zijn afhankelijk van wat de beeldsensor kan ondersteunen binnen de bandbreedte van de link. Ingenieurs zullen een eenvoudige afweging moeten maken tussen resolutie, framerate en pixelbitdiepte.

GMSL vereenvoudigt snelle video-architectuur

GigE Vision-camera's maken meestal gebruik van een signaalketen die een beeldsensor, een processor en een fysieke Ethernetlaag (PHY) bevat (Afbeelding 1). Ruwe beeldgegevens van de sensor worden door de processor omgezet in Ethernetframes, waarbij vaak gebruik wordt gemaakt van compressie of framebuffering om de gegevenssnelheid van de ondersteunde Ethernetbandbreedte aan te passen.

Afbeelding 1: Weergave van de belangrijkste signaalketencomponenten aan de sensorzijde van GigE Vision-camera's. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

De signaalketen van de GMSL-camera maakt gebruik van een serializer/deserializer (SerDes) architectuur die het gebruik van een processor vermijdt (Afbeelding 2). In plaats daarvan worden de parallelle gegevens van de beeldsensor door de serializer omgezet in een snelle seriële gegevensstroom. Aan de achterkant converteert een deserializer de seriële gegevens terug naar parallelle vorm voor verwerking door een systeem-op-chip (SoC) van een elektronische regeleenheid (ECU).

Afbeelding 2: GMSL-camera's maken gebruik van een eenvoudiger signaalketenarchitectuur aan de sensorzijde dan GigE Vision. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

De GMSL-camera-architectuur maakt het eenvoudiger om camera's met een kleine vormfactor en een laag energieverbruik te ontwerpen. Serializers kunnen rechtstreeks verbinding maken met camera's via de standaard MIPI CSI-2-interface en gegevens in pakketjes verzenden via de GMSL-link.

Een typisch hostapparaat is een aangepast ingebed platform met een of meer deserializers die beeldgegevens verzenden via MIPI-zenders in hetzelfde formaat als de MIPI-uitgang van de beeldsensor. Nieuwe GMSL-cameradrivers zijn nodig voor aangepaste ontwerpen, maar als er een bestaande driver is voor de beeldsensor, kan dit worden gebruikt met slechts een paar profielregisters of registerbeschrijvingen om een videostream van camera's naar een besturingseenheid mogelijk te maken.

GMSL-componenten

ADI biedt een uitgebreide reeks serializers en deserializers om een verscheidenheid aan interfaces te ondersteunen. Deze beschikken over robuuste PHY-ontwerpen, lage bit error rates (BER) en achterwaartse compatibiliteit. Alle videoprotocollen kunnen worden overbrugd, bijvoorbeeld HDMI naar de Open LVDS Display Interface (oLDI).

Ingenieurs zullen de beste componenten moeten selecteren op basis van de toepassingsbehoeften, zoals apparaatinterfaces, gegevenssnelheden, bandbreedte, stroomverbruik, omgevingsomstandigheden en kabellengte. Andere factoren zijn EMI, foutafhandeling en signaalintegriteit. Enkele voorbeelden van ADI's GMSL-componenten zijn:

• MAX96717, een CSI-2 naar GMSL2-serializer (afbeelding 3), werkt met een vaste snelheid van 3 Gbps of 6 Gbps in de voorwaartse richting en 187,5 Mbps in de achterwaartse richting.

Afbeelding 3: Een schema ter illustratie van de gegevensstroom met MAX96717-serializers. (Bron afbeelding: Analog Devices, Inc.)

• MAX96716A, die dubbele GMSL2 seriële ingangen omzet naar MIPI CSI-2. De GMSL2-ingangen werken onafhankelijk en videogegevens van beide kunnen worden samengevoegd voor uitvoer op een enkele CSI-2 poort of worden gerepliceerd op een tweede poort voor redundantie.
• De MAX96724, een quad tunneling deserializer, converteert vier GMSL 2/1-ingangen naar 2 MIPI D-PHY of C-PHY-uitgangen. De gegevensverbindingssnelheden zijn 6/3 Gbps voor GMSL2 en 3,12 Gbps voor GMSL1, en omgekeerde verbindingssnelheden van 187,5 Mbps voor GMSL2 en 1 Mbps voor GMSL1.
• De MAX96714-deserializer converteert een enkele GMSL 2/1-ingang naar een MIPI CSI-2-uitgang, met een vaste snelheid van 3 Gbps of 6 Gbps in de voorwaartse richting en 187,5 Mbps in de achterwaartse richting.
• De MAX96751 is een GMSL2-serializer met HDMI 2.0-ingang die HDMI omzet naar een enkelvoudig of dubbel GMSL2 serieel protocol. Het maakt ook full-duplex, enkeldraads overdracht van video en bidirectionele gegevens mogelijk.
• De MAX9295D converteert single- of dual-port 4-lane MIPI CSI-2-datastromen naar GMSL2 of GMSL1.

ADI biedt ook verschillende ontwikkeltools, zoals de MAX96724-BAK-EVK#-evaluatiekit voor de MAX96724-apparaten.

Conclusie

Met hun verminderde complexiteit zijn GMSL-camera's compacter en over het algemeen in staat om een meer kosteneffectieve oplossing te bieden in vergelijking met GigE Vision. GMSL biedt betrouwbaar transport van digitale video met hoge resolutie en een latentie van microseconden voor een groeiend aantal camera- en beeldschermtoepassingen, van machine learning en autonome operaties tot infotainment en veiligheid. Miljoenen GMSL-verbindingen verbeteren vandaag de dag de rijervaring, wat getuigt van hun betrouwbaarheid en prestaties.