GMSL מתרחב מעבר ליישומי רכב

יישומי ראייה דורשים זרמי נתונים משמעותיים כדי להבטיח וידאו באיכות גבוהה. תמונת Full HD מורכבת מ-1080 שורות על 1920 עמודות, סך הכול יותר מ-2 מיליון פיקסלים. כשמשודרות ב-60 פריימים לשנייה, קצב הנתונים הגולמיים מטפס מהר לתחום הג'יגה-ביט לשנייה. כאן מתכנני מוצרים יכולים להפיק תועלת מ-Gigabit Multimedia Serial Link‏ (GMSL).

פותח במקור על ידי Maxim‏ ועכשיו נמצא בתיק המוצרים של .Analog Devices, Inc‏, GMSL‏ ממשיך להתפתח כטכנולוגיית קישור נתונים ווידאו מהירות-גבוהה מובילה. הוא‏ נוצר עבור יישומי העברת נתונים ווידאו מהירות-גבוהה בכלי-רכב והתקדם עד עתה בשלושה דורות (GMSL1,‏ GMSL2 ו-GMSL3) עם יותר מ-0‏90‏ מיליון מעגלים-משולבים (ICs) שנשלחו ברחבי העולם. הוא עובר עתה קפיצה באימוץ במגוון יישומים שאינם רכב, בהם וידאו מהירות-גבוהה ושיהוי-נמוך והעברת נתוני חיישן הם קריטיים:

• GMSL משמש לחבר מצלמות ראיית מכונה ברובוטיקה ומערכות בדיקה, מציע ביצועים אמינים לרוחב רצפות ייצור היכן ש-EMI וריצות כבלים ארוכות יכולות לאתגר ממשקים.
• בהתקנים רפואיים, GMSL‏ מאפשר וידאו זמן-אמת ממצלמות כירורגיות ודיאגנוסטיקה, במיוחד במערכות קומפקטיות היכן שחיווט ושיהוי (Latency‏) מינימלי הם חיוניים.
• מתכנני תעופה-וחלל וצבא וביטחון משתמשים ב-GMSL‏ כדי לשדר נתוני הדמיה וחיישנים קריטיים-למשימה במטוסים, מזל"טים ומערכות מעקב ופיקוח, תוך הפקת תועלת מהקשיחות והדיאגנוסטיקה של הטכנולוגיה.
• רכבות ומערכות תחבורה ציבורית משתמשות ב-GMSL‏ כדי להעביר שידורי וידאו ומידע על נוסעים בין כלי-רכב ויחידות בקרה.

לרוחב תעשיות אלו, שילוב של עמידות רוחב-פס ופשטות מסייע למתכננים לעמוד בדרישות של מערכות מונעות נתונים ומצלמה. בעוד לעיתים קרובות הוא נתפס כפתרון מהרמה-העליונה (high-end), ניתן ליישם GMSL‏ לגרסאות מקצועיות בנפח נמוך שדורשות וידאו או קישורי חיישן מהירות-גבוהה אמינים.

יכולות ליבה

ה-GMSL הוא טכנולוגיית‏ Serializer/Deserializer‏ (SerDes) מהירות-גבוהה המתוכננת לשאת וידאו, אודיו, בקרה ואספקת-כוח דרך כבל יחיד‏—בדרך כלל קואקסיאלי, או זוג שזור מסוכך (STP‏). GMSL‏ תומך בתקשורת א-סימטרית דופלקס-מלא, כולל ערוץ קדימה עבור העברת וידאו רוחב-פס-גבוה וערוץ הפוך עבור אותות בקרה תדר-נמוך.‏

הטכנולוגיה תומכת במרחקים עד ‏15‏ מ' ומהירויות מעל ‎6 Gbps‏ בגרסה האחרונה שלה. מאפיינים אלה מאפשרים ל-GMSL‏ לתמוך בווידאו רזולוציה-גבוהה, כולל חיישני ‎8 MP ותצוגות +4K.

יישומים מודרניים רבים—ממערכות סיוע לנהג בכלי-רכב ועד ראיית מכונה (MV) תעשייתית —תלויים בווידאו זמן-אמת רזולוציה-גבוהה. בפריים Full HD יש 2 מיליון פיקסלים, כך שפיקסל המאחסן 8 ביטים‏ בכל ערוץ אדום, ירוק וכחול—24 ביטים סה"כ—מסתכם בקרוב ל-‎50 Mb‏ נתונים לא-דחוסים לפריים.

זרם וידאו יחיד לא-דחוס של 1080p ב-60 פריימים לשנייה יכול לדרוש רוחב-פס של מעל ‎3 Gbps‏, וזה לפני שמוסיפים תקורה עבור עומק צבע, סינכרון או תיקון שגיאות. היכולת של GMSL להעביר ג'יגה-ביטים מרובים לשנייה דרך כבל קואקסיאלי או STP יחיד מאפשרת למתכננים לספק וידאו שיהוי-נמוך חד בלי להיעזר בשיטות דחיסה שמגבירות את המורכבות וגורמות לעיכובים.

שיהוי הוא דאגה עיקרית ביישומים רגישים לזמן. בין אם זאת מצלמה של‏ רכב הפונה קדימה ועוזרת לגלות סכנות או רובוט על פס ייצור שמכוון את האחיזה שלו, אפילו עיכובים קלים בהעברת וידאו יכולים לפגוע בבטיחות הביצועים.

קישורי מהירות-גבוהה של GMSL תומכים בהעברה קרובה למיידית של וידאו ונתוני חיישן, הופכים אותו לאידיאלי עבור מערכות הסומכות על משוב וקבלת החלטות בזמן-אמת. זה קריטי עבור יישומים בהם שיהוי מהווה דאגה, כגון זיהוי סכנות בקו ייצור.

תכונה אחרת חשובה של‏ GMSL‏—במיוחד בתכנים מוגבלים במקום או רגישים לעלות—היא התמיכה שלו בהעברת אספקת-כוח משולבת על אותו כבל המשמש לנתונים. ידועה כאספקת-כוח על-גבי קואקס (PoC), יכולת זו מאפשרת‏ לכבל קואקסיאלי יחיד לשאת אותות וידאו, בקרה ואספקת-כוח להתקנים מרוחקים כמו מצלמות, צגים או חיישנים. זה מקטין את הצורך בקווי כוח נפרדים, מפחית מורכבות, משקל ועלויות חיווט.

PoC הוא מאפיין חשוב של‏ GMSL מאז הדור הראשון שלו ובעל ערך רב במיוחד ביישומים משובצים, יישומי רכב ותעשיה‏, היכן שמדובר בריצות כבל ארוכות או ניתוב גמיש. עם כל דור עוקב, PoC התפתח לתמוך ברמות הספק גבוהות יותר, נצילות משופרת וביצועי EMI טובים יותר, יחד עם דיאגנוסטיקה ותכונות הגנה משופרות לתמיכה בתכני מערכת מורכבים ובעלי מספר התקנים גדול יותר.

התפרשות דורות GMSL

ה-GMSL מדור ראשון, שהושק במקור ב-2008, השתמש בתקן איתות דיפרנציאלי מתח-נמוך (LVDS) כדי לספק קצבי הורדת נתונים מקבילים עד ‎3.125 Gbps. תקן זה התאים במיוחד עבור העברת נתונים ממערכות מצלמה מרובות ויישומים אחרים של מערכות סיוע מתקדמות לנהג (ADAS), כמו גם האימוץ ההולך וגדל של צגים שטוחים באיכות גבוהה ברכב. רכיבי GMSL1 ממשיכים להיות‏ בחירה אפשרית ונפוצה עבור מתכנני מוצרים העובדים על יישומים רגישים לעלות או בעלי רוחב פס בינוני, ונתמכים היטב על ידי מקלטים תואמי-GMSL2.

• ה-MAX96705‏ הוא ממיר GSML1 Serializer ‏קומפקטי, משתלם כלכלית, עם PoC משולב התומך בקצבי נתונים עד ‎1.5 Gbps‏, שמתאים עבור מערכות ראייה לרכב, מצלמות בדיקה תעשייתיות ויישומי ראייה אחרים שאין להם את דרישות הרוחב-פס של GMSL2 או GMSL3.

ה-GMSL2 משתמש בפרוטוקול טורי מהירות-גבוהה קנייני המאפשר שעון מוטמע, ביצועי EMI משופרים וקצבי נתונים גבוהים יותר—הכול דרך זוג דיפרנציאלי יחיד. במיוחד, הוא הכפיל את רוחב-הפס הקיים ל-‎6 Gbps‏, ובכך מאפשר תמיכה בזרמי ווידאו ברזולוציה גבוהה יותר, קצבי פריים מוגדלים ואפילו בצבר מצלמות מרובות. הוא‏ מבטל את הצורך בקווי שעון נפרדים, ובכך מקטין מורכבות חיווט ומשפר שלמות אות (signal integrity) למרחקים ארוכים יותר. ה-GMSL2 שומר על תאימות-לאחור עם GMSL1, מקל על המעבר לתכנים בעלי יכולות גבוהות יותר ללא שינוי מלא של הפלטפורמה.

• ה-MAX96716A‏ הוא Deserializer‏ שתי-כניסות התומך בקישורי וקצבי נתונים GMSL1 כמו גם GMSL2 עד ‎6 Gbps‏ לנתיב, ויציאותיו נכנסות ל-MIPI CSI-2, ממשק‏ נפוץ עבור מערכות SoC‏ ומעבדי ראייה. עם גישור I²C‏, תמיכת PoC ותיקון שגיאות קדימה (FEC) מובנים, הוא פתרון אמין וגמיש עבור מערכים מרובי-מצלמות או לגישור רכיבי Serializer ישנים וחדשים יותר ללא הצורך בתכנון מחדש של הממשק המארח.

ה-GMSL2 עומד בדרישות התאימות האלקטרומגנטית (EMC) המחמירות ביותר של יישומי רכב ותעשייה, היכן שה-LVDS המסורתי לעיתים קרובות נכשל. ה-GMSL2 גם הוסיף תמיכה בווידאו דחוס ולא-דחוס גם יחד, מקנה למתכננים יותר גמישות, תלוי במגבלות המערכת. בניגוד ל-GMSL1, הוא משתמש בשעון‏ משובץ, מקטין הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) ומפשט תכנון כבל.

שיפורים דוריים נוספים ב-GMSL2 כללו שיפור טיפול בנתוני בקרה, עם שיהוי נמוך יותר בהעברות I²C,‏ SPI,‏ GPIO ואודיו, יחד עם דיאגנוסטיקה וגילוי שגיאות מובנים לעמידות מערכת גבוהה יותר.

ה-GMSL3 קידם עוד יותר יישומי ראייה עם תמיכה באגרגציה, נתן אפשרות למספר זרמי וידאו רזולוציה-גבוהה, אותות דו-כיווניים (כגון I²C‏, GPIO ו-SPI) ואודיו להיות משודרים דרך כבל פיזי יחיד. זה מפשט חיווט ומפחית משקל ומורכבות בתכנים מוגבלי-מקום.

ביישומים מודרניים רבים, מקורות וידאו רבים—כמו מצלמות—והתקנים היקפיים—כמו חיישנים או צגים—חייבים לתקשר בו-זמנית עם מעבד‏ מרכזי.

GMSL3 תומך בקצבי נתונים של עד ‎6 Gbps‏ לנתיב טורי, עם תצורות המשתמשות בנתיבים מרובים כדי להגדיל עוד יותר תפוקה.

• ה-+MAX96793GTJ/VY‏ הוא Serializer‏ GMSL3 קומפקטי, עם כניסה של עד ארבעה נתיבי וידאו MIPI CSI-2 ויציאה‏ יחידה של קישור ‎12 Gbps GMSL3, עם תאימות-לאחור מובנית ל-GMSL2 (איור 1‏).

איור 1‏: רכיבי MAX96793 GMSL3 Serializer עם תאימות-לאחור מובנית ל-GMSL2 מעניקים למתכננים פתרון יעיל עבור מערכות מצלמות-מרובות, רזולוציה-גבוהה או שדרוג מ-GMSL2. (מקור תמונה: Analog Devices, Inc.‎)

• ה-MAX96792A של ADI ‏הוא Deserializer שני נתיבים ביצועים-עיליים GMSL3/GMSL2 היכול לקבץ שני נתיבים טוריים לווידאו טורי של ‎12 Gbps,‏ בקרה ונתוני אודיו (איור 2‏). זה מאפשר לכידת וידאו במצלמות מרובות או ברזולוציה גבוהה דרך שני ממשקי MIPI CSI-2 כפולים ומספק את היכולות למערכות עזר לנהג מתקדמות, כלי-רכב אוטונומיים, ראיית מכונה (MV) מתקדמת ויישומי רוחב-פס-גבוה אחרים. תמיכה ב-GMSL3 כמו גם GMSL2 מפשט שדרוגים בין קווי מוצרים. (בפעולה במצב GMSL2, ניתן לזיווג עם ה-MAX96717RGTJ/V+ GMSL2 Serializer.)

איור 2: ה-GMSL3/GMSL2 Deserializer שני-נתיבים MAX96792A מספק יכולות עבור יישומי ראייה מתקדמים. (מקור תמונה: .Analog Devices, Inc)

מתכננים יכולים להפיק תועלת מלוחות הערכה וערכות פיתוח כדי לחקור יכולות GMSL3 ולבנות אב-טיפוס עם חומרה אמיתית.

• ה-#MAX96793-ACK-EVK‏ (איור 3‏) עם MAX96793 Serializer IC מאפשרת למתכננים לבנות במהירות אב-טיפוס ולבדוק קישורי וידאו GMSL3 ו-GMSL2 מהירות-גבוהה, תוך המרת כניסת MIPI CSI-2 ליציאה של עד ‎12 Gbps GMSL3 דרך קואקס או STP‏.

איור 3: ה-#MAX96793-ACK-EVK מספקת הזדמנות לבדיקת אב-טיפוס של יישומי GMSL3 עם ה-MAX96793 Serializer. (מקור תמונה: .Analog Devices, Inc)

• לוח ההערכה #MAX96792A-BCK-EVK‏ (איור 4‏) עבור ה-MAX96792A הוא לוח הערכה GMSL3/GMSL2 Deserializer שני נתיבים המדגים פעולת GMSL3 אפיון-מלא תוך שימוש בשני נתיבי ‎6 Gbps (סה"כ ‎12 Gbps) דרך קואקס או STP‏ באמצעות איתות PAM-4‏.

איור 4: ערכת ההערכה #MAX96792A-BCK-EVK כוללת GSML3 Deserializer עבור בדיקת אב-טיפוס של יישומים. (מקור תמונה: .Analog Devices, Inc)

אימוץ רחב ומערכת אקולוגית איתנה

טכנולוגיית GMSL של ADI‏ חוותה אימוץ תעשייתי נרחב במגזרי הרכב, הרפואה, התעשיה והתעופה וחלל. השילוב שלה של‏ העברת וידאו מהירות-גבוהה, אספקת כוח, עמידות EMI ואינטגרציה ברמת-מערכת הפך אותה לסטנדרט דה פקטו למערכות ראייה בעלות ביצועים גבוהים שבהן פרוטוקולים פתוחים אינם מספיקים.

ADI‏ מציעה פלטפורמה מוכחת ניתנת-למדרוג לפריסת וידאו זמן-אמת וקישורי חיישנים בסביבות תובעניות, נתמכת על ידי מערכת אקולוגית איתנה של‏ רכיבי Serializer‏ ו-Deserializer, מודולי מצלמה וכלי פיתוח.

תאימות-לאחור היא מאפיין מפתח על פני דורות ה-GMSL. ה-GMSL2‏ תואם-לאחור עם GMSL1 בתצורות רבות, דבר המאפשר לרכיבי Serializer ו-Deserializer מסוימים המתוכננים עבור GMSL2 לפעול במצב GMSL1 כשמזווגים עם התקני GMSL1. זה מאפשר למתכננים למדרג את התכנים שלהם תוך מינוף חומרה קיימת.

בעוד GMSL3 משתמש בפרוטוקול איתות שונה מהותית ובארכיטקטורה בעלת מהירות גבוהה יותר, ADI‏ מציעה רכיבים הפועלים באופן דואלי GMSL2 ו-GMSL3. זה מספק למתכננים גמישות ביישום שדרוגים הדרגתיים של מערכת או בהצעת קווי מוצרים מרובי-פלטפורמה, כגון דגם מבוסס GMSL3 רמה-עליונה ודגם מבוסס ‏GMSL2 רמה-נמוכה.

סיכום

GMSL מייעל את מורכבות התכנון, מפחית חיווט ותומך בביקוש הגובר בנתוני רוחב-פס-גבוה ושיהוי-נמוך במערכות משובצות ומערכות קצה. אכשור האותות המתקדם ותיקון השגיאות של GMSL‏ מבטיחים שיישומים יכולים לשמור על קישורים מהירים, בעלי שלמות גבוהה, גם בתנאים קשים ולמרחקים של‏ ‏15‏ מ' או יותר, בעוד ממשקים אחרים כמו USB‏, HDMI‏ או MIPI CSi‏ סובלים בדרך כלל מדגרדציה של אות לאורך מרחק כזה, במיוחד בסביבות הרועשות הנמצאות ברכבים או במפעלים. תאימות-לאחור לאורך דורות ה-GMSL מבטיחה אינטגרציה חלקה של‏ רכיבים חדשים יותר במערכות קיימות, דבר המאפשר שדרוגים הדרגתיים ללא תכנון-מחדש מלא ועוזר לאזן עלות, ביצועים וגמישות שרשרת אספקה לרוחב קווי המוצרים.