מצלמות GMSL שנבדקו בדרכים חודרות לשווקים חדשים

טכנולוגיות שפותחו עבור יישומי רכב משמשות לעתים לשווקים אחרים הודות לדרישות המחמירות של יצרני הרכב עבור אמינות, ביצועים והצורך בקצבי נתונים מהירים בסביבה עוינת אלקטרונית. זו הסיבה שמצלמות Gigabit Multimedia Serial Link‏ (™GMSL‏) משמשות ביישומי ראייה בתחומים כמו אוטומציה ורובוטיקה, חקלאות חכמה, טיפולי בריאות דיגיטליים, אוויוניקה, Robotaxis‏ וניהול מלאי קמעונאי ובמחסנים.

הוצגה תחילה עבור טיפול ביישומי וידאו והעברת נתונים במהירות גבוהה ברכבים, ה-GMSL‏ של Analog Devices‏ היא טכנולוגיה מוכחת עם אימוץ נרחב עבור השגת רמות חדשות של ביצועים בקישורי וידאו במהירות גבוהה ואפשור Multi-Streaming‏ על-גבי כבל יחיד.

יישומי ראייה דורשים הזרמות נתונים גדולים מאוד כדי להבטיח וידאו באיכות גבוהה. תמונת HD מלאה מורכבת מ-1080 שורות על 1920 עמודות. זה מסתכם ב-2 מיליון פיקסלים, שכל אחד מהם מורכב מאלמנט אדום, ירוק וכחול, וכתוצאה מכך 6 מיליון אלמנטים. כל אלמנט מייצג 8 ביטים של נתונים, כך שכל פריים הוא של כמעט Mbps‏ 50‏ של נתונים. ב-60 פריימים לשנייה, קצב הנתונים הנדרש עבור מצלמה אחת הוא מעל שלוש וחצי Gbps.

הדור הראשון של GMSL, שהיה זמין לראשונה ב-2008, השתמש בתקן איתות דיפרנציאלי במתח נמוך (LVDS) כדי לספק קצבי קישור מטה של נתונים מקבילים עד Gbps‏ 3.125‏. זה התאים במיוחד עבור העברת נתונים ממערכות עם מספר מצלמות ויישומי סיוע מתקדם לנהג (ADAS) אחרים, כמו גם לשימוש הגובר בצגים שטוחים עם רזולוציה גבוהה בתוך-המכונית.

הדור השני, GMSL2‏ שהושק בשנת 2018, הגדיל את קצבי הנתונים עד ל-Gbps‏ 6‏ ותומך בממשקי וידאו סטנדרטיים במהירות גבוהה, כולל תקני ממשק HDMI‏ ו-MIPI‏, ממשק חיישן תמונה פופולרי עבור מצלמות לצרכנים ולרכב. חידושים אלו התאימו עבור צגי Full High Definition‏ (FHD‏) ומצלמות ברזולוציה של עד MP‏ 8‏.

GMSL3‏, הדור הבא, יכול לספק נתונים עד Gbps‏ 12‏ על גבי כבל יחיד, תומך במספר הזרמות ברזולוציה של 4K‏, שרשור Daisy-Chain‏, ואגרגציה של מספר מצלמות כגון אלו הממוקמות בחזית, מאחור ובצדדים של רכב כדי לספק יכולת צפייה של 360°. כיום, מספר גדל והולך של יצרני רכב משלימים את המראות האחוריות והצדדיות עם מצלמות, משתמשים במצלמות הפונות קדימה ואחורה למניעת התנגשות, ומצלמות פנימיות בתא הנוסעים לניטור בטיחות הנהג והנוסעים. GMSL3 יכול לצרף נתונים מכמה הזנות וידאו כמו גם LiDAR וראדאר.

עם מצלמות המוקטנות לרמה של חיישני CMOS, הן יכולות לייצר מה שנחשב פעם לאיכות מדהימה בעלות נמוכה ועם דרישות הספק נמוך. לחיישני תמונה יש מיליוני רכיבי קולטנים, שכל אחד מהם ממיר מדידות לערכים דיגיטליים שיוזרמו דרך נתיבים טוריים של ממשק מקבילי, יחד עם נתוני סנכרון.

הן GMSL2 והן GMSL3 משתמשים בתקני ממשק MIPI המעניקים למתכננים וליצרנים גישה למגוון רחב של חיישני תמונה עבור מצלמות GMSL.

GMSL לעומת GigE

מהנדסים המתחילים ביישומי ראייה יתמודדו מהר מאד וללא ספק עם ההחלטה אם להשתמש בטכנולוגיית ראייה GMSL‏ או Gigabit Ethernet‏ (GigE‏). GigE הוא בשימוש נרחב ביישומים תעשייתיים, בעיקר בשל הסתמכותו על תשתית ותקנים של רשת Ethernet.

מצלמות GigE Vision עם GigE‏ 2.5‏, GigE‏ 5‏ ו-GigE‏ 10‏ הן נפוצות ביישומים כיום, ומצלמות GigE‏ 100‏ מתקדמות ביותר יכולות להשתמש בקצב נתונים של עד Gbps‏ 100‏. GMSL מתוכנן לשדר נתונים באמצעות כבל קואקסיאלי או כבל זוג חוטים מפותלים מסוכך עד 15 מטר, בהשוואה ל-100 מטר עבור GigE, אם כי ניתן לחרוג משניהם בתנאים מסוימים.

כל טכנולוגיה מסוגלת להעביר נתונים והספקת-כוח באמצעות אותו כבל: GMSL משתמש ב-Power over Coax‏ (PoC‏) כך שניתן להעביר וידאו, אודיו, בקרה, נתונים והספקת-כוח בערוץ אחד. מרבית יישומי GigE Vision מסתמכים על Power over Ethernet‏ (PoE‏) עבור Ethernet‏ 4 זוגות, או מה שפחות נפוץ, Power over Data Line‏ (PoDL‏) עבור Single-Pair Ethernet‏ (SPE‏).

דרישות המערכת וצורכי היישום יקבעו איזו טכנולוגיית ראייה היא המתאימה ביותר. GigE Vision, לדוגמה, עשוי להציע כמה יתרונות עבור יישומי מצלמה בודדת, במיוחד כאשר הם מתחברים ישירות למחשב או לפלטפורמה משובצת עם נקודת-חיבור Ethernet.

בעת שימוש במספר מצלמות, יישומי GigE Vision ידרשו שימוש במתג Ethernet ייעודי, כרטיס ממשק רשת (NIC) עם מספר נקודות-חיבור Ethernet, או IC מתג Ethernet. דרישת מיתוג זו עשויה להפחית את קצב הנתונים הכולל המקסימלי ולהציג שיהוי (Latency‏) בלתי-צפוי בין המצלמות וההתקן הסופי, בעוד ש-GMSL מספק ארכיטקטורה פשוטה וישירה יותר.

התקני GigE Vision עשויים לתמוך ברזולוציה גבוהה יותר ובקצב פריימים גבוה יותר - או שניהם בו-זמנית - עם חציצה ודחיסה נוספים. חציצת ועיבוד פריימים אינם מסופקים על ידי התקני GMSL, כך שהרזולוציה וקצב הפריימים תלויים במה שחיישן התמונה יכול לתמוך ברוחב הפס של הקישור. המהנדסים יצטרכו להחליט על פשרה פשוטה בין רזולוציה, קצב פריימים ועומק הביטים של הפיקסלים.

GMSL מפשט ארכיטקטורת וידאו במהירות גבוהה

מצלמות GigE Vision משתמשות בדרך כלל בשרשרת אותות הכוללת חיישן תמונה, מעבד ושכבה פיזית של Ethernet‏ (PHY‏) (איור 1). נתוני תמונה גולמיים מהחיישן מומרים על ידי המעבד לפריימים Ethernet, לעתים קרובות על סמך דחיסה או חציצה של הפריים כדי להתאים לקצב הנתונים של רוחב הפס הנתמך של ה-Ethernet.

איור 1: ייצוג של רכיבי שרשרת אותות עיקריים בצד החיישן של מצלמות GigE Vision. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

שרשרת האותות של מצלמות GMSL משתמשת בארכיטקטורת ממיר מקבילי-לטורי/טורי-למקבילי (SerDes‏) המונעת את השימוש במעבד (איור 2). במקום זאת, נתוני חיישן התמונה המקביליים מומרים על ידי ממיר מקבילי-לטורי לזרם נתונים טוריים במהירות גבוהה. בקצה האחורי, ממיר טורי-למקבילי ממיר את הנתונים הטוריים בחזרה לצורה מקבילית עבור עיבוד על ידי יחידת בקרה אלקטרונית (ECU) במערכת-על-שבב (SoC).

איור 2: מצלמות GMSL משתמשות בארכיטקטורת שרשרת אותות פשוטה יותר בצד החיישן לעומת GigE Vision. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

ארכיטקטורת מצלמות GMSL הופכת את זה לפשוט יותר לתכנן מצלמות קטנות עם צריכת הספק נמוכה. ממירי מקבילי-לטורי יכולים להתחבר ישירות למצלמות דרך ממשק MIPI CSI-2‏ הסטנדרטי ולשדר נתונים במנות (Packets‏) באמצעות קישור GMSL.

התקן מארח טיפוסי הוא פלטפורמה משובצת מותאמת-במיוחד עם ממיר טורי-למקבילי אחד או יותר המשדרים נתוני תמונה דרך משדרי MIPI באותו פורמט כמו יציאת MIPI של חיישן התמונה. דוחפים חדשים של מצלמות GMSL נדרשים עבור תכנים מותאמים-במיוחד, אך אם יש דוחף קיים עבור חיישן התמונה, ניתן להשתמש בו עם מספר רגיסטרי פרופיל בלבד, או כתיבות לרגיסטר כדי לאפשר הזרמת וידאו ממצלמות אל יחידת בקרה.

רכיבי GMSL

ADI מציעה פורטפוליו מקיף של ממירי טורי-למקבילי ומקבילי-לטורי לתמיכה במגוון של ממשקים. אלה כוללים תכני PHY חסונים, שיעורי שגיאות ביטים (BER) נמוך ותאימות-לאחור. ניתן לגשר בין כל פרוטוקולי הווידאו - לדוגמה, HDMI‏ ל-Open LVDS Display Interface‏ (oLDI‏).

המהנדסים יצטרכו לבחור את הרכיבים הטובים ביותר על בסיס צורכי היישום, כגון ממשקי התקנים, קצבי נתונים, רוחב פס, צריכת הספק, תנאי סביבה ואורך הכבל. גורמים נוספים כוללים EMI, טיפול בשגיאות ותקינות האותות. כמה דוגמאות לרכיבי GMSL של ADI כוללות:

• MAX96717‏, ממיר מקבילי-לטורי CSI-2 ל-GMSL2 (איור 3), הפועל בקצב קבוע של Gbps‏ 3‏ או Gbps‏ 6‏ בכיוון קדימה ו-Mbps‏ 187.5‏ בכיוון אחורה.

איור 3‏: סכמה הממחישה את הזרמת הנתונים בשימוש בממיר מקבילי-לטורי MAX96717‏. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

• MAX96716A‏, הממיר כניסות טוריות כפולות GMSL2 ל-MIPI CSI-2. כניסות GMSL2 הפועלות באופן עצמאי וניתן לאסוף נתוני וידאו משתיהן ליציאה על נקודת-חיבור CSI-2 יחידה או לשכפל על נקודת-חיבור שנייה עבור יתירות.
• ה-MAX96724‏, ממיר טורי-למקבילי מינהור (Tunneling‏) מרובע (Quad‏) ממיר ארבע כניסות GMSL 2/1 ל-2 יציאות MIPI D-PHY או C-PHY‏. קצבי קישור הנתונים הם Gbps‏ 3‏/6‏ עבור GMSL2‏ ו-Gbps‏ 3.12‏ עבור GMSL1‏, וקצבי קישור אחורנית הם Mbps‏ 187.5‏ עבור GMSL2‏ ו-Mbps‏ 1‏ עבור GMSL1‏.
• ממיר טורי-למקבילי MAX96714‏ ממיר כניסת GMSL 2/1 יחידה ליציאת MIPI CSI-2, עם קצב קבוע של Gbps‏ 3‏ או Gbps‏ 6‏ בכיוון קדימה ו-Mbps‏ 187.5‏ בכיוון אחורה.
• ה-MAX96751‏ הוא ממיר מקבילי-לטורי GMSL2 עם כניסת HDMI 2.0 הממיר HDMI לפרוטוקול טורי GMSL2 יחיד או כפול. הוא גם מאפשר שידור דופלקס מלא בחוט יחיד של וידאו ונתונים דו-כיווניים.
• ה-MAX9295D‏ ממיר הזרמות נתונים MIPI CSI-2‏ 4‏-נתיבים בנקודת-חיבור יחידה או כפולה ל-GMSL2 או GMSL1.

ADI גם מציעה כמה כלי פיתוח, כמו ערכת ההערכה #MAX96724-BAK-EVK‏ עבור התקני MAX96724.

סיכום

עם המורכבות המופחתת שלהן, מצלמות GMSL הן קומפקטיות יותר ובדרך כלל מסוגלות לספק פתרון חסכוני יותר בהשוואה ל-GigE Vision‏. GMSL מספק העברה אמינה של וידאו דיגיטלי ברזולוציה גבוהה עם שיהוי (Latency‏) של מיקרו-שניות עבור מגוון גדל והולך של יישומים מבוססי מצלמה ותצוגה, החל מלמידת מכונה ופעולות אוטונומיות ועד מידע-ובידור ובטיחות. מיליוני קישורי GMSL משפרים את חווית הנהג על הכביש כיום, ומעידים על האמינות והביצועים שלהם.