השתמשו ב-GMSL כדי לעמוד באמינות בדרישות וידאו ברוחב-פס רחב בתעשייה וברכב

יישומי תעשייה ורכב תלויים יותר ויותר במערכות דימות ברזולוציה גבוהה החייבות לספק נתוני וידאו בזמן-אמת וברוחב-פס רחב באמינות וביעילות. בעוד ש-GigE Vision מובנת היטב ונמצאת בשימוש נרחב, הדרישות של יישומים חדשים יותר מחייבות חיפוש אחר חלופות. טכנולוגיית Gigabit Multimedia Serial Link‏ (GMSL‏) היא חלופה כזו, המציעה תמיכה במספר מצלמות, עיבוד בזמן-אמת מוקפד, מורכבות מופחתת, דטרמיניזם, צריכת הספק נמוכה וגורם-צורה קומפקטי.

מאמר זה מעניק סקירה קצרה של ההבדלים העיקריים בין GigE Vision לבין GMSL. לאחר מכן הוא מציג פתרונות GMSL של Analog Devices ומראה כיצד ניתן להשתמש בהם כדי להפחית משמעותית את מורכבות המערכת, לשפר את האמינות ולאפשר שידור וידאו יעיל בזמן-אמת.

כיצד טכנולוגיית ממשק המצלמה משפיעה על הביצועים

טכנולוגיות ממשק שונות מציעות פתרונות להארכת המרחק בין חיישני המצלמה למעבד המארח כדי לעמוד בדרישות הבסיסיות של יישומי דימות רבים. תקן ממשק המצלמה GigE Vision המבוסס על טכנולוגיית Gigabit Ethernet‏ (GbE‏) זכה לאימוץ נרחב. מצלמות GigE Vision מסתמכות בדרך כלל על שרשרת אותות המורכבת משלושה רכיבים עיקריים: חיישן תמונה, מעבד וממשק שכבה פיזית Ethernet‏ (PHY) (איור 1).

איור 1: מצלמות Ethernet משתמשות בשרשרת אותות מבוססת-מעבד החוצצת ומעבדת נתוני חיישן תמונה לפני השידור. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

בצד החיישנים, מצלמות GigE Vision יכולות להשתמש במעבד הפנימי שלהן כדי לתמוך בפרוטוקולי ממשק חיישנים מותאמים-במיוחד. בצד השידור, באמצעות שימוש ב-Ethernet סטנדרטי, מצלמות GigE Vision מעניקות תאימות עם מגוון רחב של התקני מארח. לדוגמה, מחשבים אישיים ומערכות משובצות כוללים בדרך כלל יציאת GbE כממשק סטנדרטי. אם מצלמת GigE Vision תומכת במנהל-התקן אוניברסלי, הזמין בדרך כלל עם מערכות אלה, היא פועלת כעוד ציוד היקפי מסוג "חבר והפעל".

פתרונות מבוססי Ethernet יכולים להוות יתרון עבור יישומים של מצלמה יחידה, אך הם דורשים חומרה נוספת עבור שימוש ביישומים רבי-מצלמות. בדרך כלל יישומים אלה דורשים מתג Ethernet ייעודי נוסף או כרטיס ממשק רשת (NIC) כדי לטפל במספר זרמי נתונים. הכללת התקנים אלה בנתיב נתוני הווידאו עלולה לפגוע בתפוקה ובזמן השיהוי (Latency‏) בין המצלמות לבין המארח.

לחלופין, טכנולוגיית GMSL של Analog Devices משתמשת בגישת קישור טורי נקודה לנקודה, המציעה פתרון יעיל עבור יישומים הדורשים מספר מצלמות עם שיהוי מינימלי. מצלמות GMSL, שתוכננו במקור עבור יישומים ברכב, מאומצות יותר ויותר מחוץ לתחום הרכב כחלופה למצלמות מבוססות Ethernet.

ביישום מבוסס GMSL, מספר מצלמות GMSL קומפקטיות יכולות להתחבר למארח GMSL יחיד מבלי לפגוע בתפוקה או בשיהוי, בתנאי שמערכת המארח-על-השבב (SoC) תומכת ברוחב הפס המלא של כל המצלמות (איור 2).

איור 2: יישומי GMSL רבי-מצלמות משתמשים במצלמות פשוטות (משמאל) עם קישורי GMSL בודדים המתכנסים למארח יחיד (מימין). (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

מצלמות המשתמשות ב-GMSL משתמשות בדרך כלל בשרשרת אותות פשוטה הכוללת חיישן תמונה וממיר מקבילי-לטורי GMSL. ממירי מקבילי-לטורי GMSL תומכים בשני ממשקי חיישנים סטנדרטיים:

• התקני GMSL ‏(GMSL1) מהדור-הראשון תומכים בממשק LVDS (איתות דיפרנציאלי במתח נמוך) מקבילי.
• התקני GMSL מהדור-השני (GMSL2) ומהדור-השלישי (GMSL3) תומכים בתקן הפופולרי Mobile Industry Processor Interface‏ (MIPI‏), המאפשר שימוש במגוון רחב של חיישני תמונה מובילים במצלמות GMSL.

ברוב היישומים, נתונים גולמיים מחיישן התמונה עוברים המרה ממקבילי-לטורי ונשלחים דרך קישור GMSL בפורמט המקורי שלהם. על ידי ביטול הצורך במעבד וברכיבי תמיכה אחרים, מצלמות GMSL הן פשוטות יותר לתכנון וייצור. הן גם מציעות פתרון יעיל יותר עבור יישומים הדורשים מצלמה קומפקטית וצריכת הספק נמוכה.

המארח עבור קישור GMSL הוא בדרך כלל מערכת משובצת מותאמת-במיוחד המשלבת ממיר טורי-למקבילי אחד או יותר. כמה שורות קוד על המארח מספיקות בדרך כלל כדי לגשת לממירי טורי-למקבילי בחומרה אלו ולקבל נתונים. במקרים בהם קיים מנהל התקן עבור חיישן התמונה, המפתחים צריכים רק להגדיר רגיסטרים מתאימים כדי לקרוא את הזרמת הווידאו מהמצלמה. ערכות הערכה עבור התקני GMSL‏ של Analog Devices כוללות את התוכנה הנדרשת לגישה להתקנים אלה ולבחינת יכולותיהם. לתמיכה נוספת בפיתוח GMSL‏, Analog Devices מספקת מאגר תוכנה בקוד פתוח עבור טכנולוגיית GMSL.

התמודדות עם תצורות יישומים רבות-מצלמות

יתרונות הביצועים של GMSL נובעים מהאופן שבו טכנולוגיה זו מטפלת בהזרמת הוידאו (איור 3).

איור 3: לאחר חשיפה וקריאת חיישן התמונה (למעלה), מצלמת GMSL מבצעת המרה ממקבילי-לטורי ומשדרת מנות (Packets‏) של נתוני וידאו גולמיים לפני שהיא נכנסת למצב לא-פעיל עד לפריים הבא (באמצע); מצלמת GigE Vision חוצצת, מעבדת ומשדרת נתונים בפריימים Ethernet לפני שהיא נכנסת למצב לא-פעיל (למטה). (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc‏)

עבור כל פריים וידאו, חיישן תמונת תריס גלובלי קורא נתונים מיד לאחר החשיפה ולאחר מכן נכנס למצב לא-פעיל עד לפריים הבא (איור 3, למעלה).

כאשר מתחילה קריאת המצלמה, מצלמות GMSL ו-GigE Vision מטפלות בהעברת נתונים בצורה שונה. במצלמות GMSL‏, הממיר מקבילי-לטורי של ה-GMSL פועל מיידית ומשדר את נתוני חיישן התמונה, ולאחר מכן חוזר למצב לא-פעיל עד לקריאה הבאה (איור 3, אמצע).

במצלמות GigE Vision, המעבד חוצץ ולעתים גם מעבד את הנתונים לפני בניית ושידור פריימים Ethernet (איור 3, למטה).

הבנת הגורמים העומדים בבסיס ביצועי מערכת הווידאו

בפועל, ביצועי מערכת המצלמות תלויים במספר גורמים, כולל כמה מהמאפיינים העיקריים הבאים:

קצב קישור: הן במצלמות GMSL והן במצלמות מבוססות-Ethernet, מהירות העברת הנתונים המקסימלית, או קצב הקישור, משתנה בהתאם לסוג המצלמה; עם זאת, כל סוג של טכנולוגיית ממשק מסתמך על בט של קצבי קישור קבועים. מצלמות GigE Vision מבוססות-Ethernet עומדות בתקני Ethernet עבור קצבי קישור, המוגדרים בסדרה של צעדים נפרדים, הנעים בין 1 גיגה-ביט-לשנייה (Gbit/s) עבור מצלמות GigE Vision ועד 100 גיגה-ביט-לשנייה עבור מצלמות GigE Vision‏ המתקדמות-ביותר.

קצבי הקישור עבור GMSL משתנים בהתאם לדור הטכנולוגיה. GMSL1‏ תומך בקצבי קישור טורי-לממיר-טורי-למקבילי של Gbits/s‏ 1.74‏ ו-Gbit/s‏ 3.125‏, בעוד ש-GMSL2‏ ו-GMSL3‏ תומכים ב-Gbits/s‏ 6‏ ו-Gbits/s‏ 12‏, בהתאמה.

קצב נתונים אפקטיבי: בכל יישום תקשורת נתונים, קצב הנתונים האפקטיבי מתאר את קיבולת קצב הנתונים, לא כולל תקורת הפרוטוקול. מושג זה חל גם על תקשורת נתוני וידאו, כאשר כמות נתוני הווידאו האפקטיבית המועברת שווה לעומק ביטי הפיקסלים × מספר הפיקסלים במטען של מנה (Packet‏) או פריים.

מצלמות GMSL משדרות נתוני וידאו במנות (Packets‏). השימוש בגודלי מנות קבועים בהתקני GMSL2 ו-GMSL3 מביא לקצב נתונים אפקטיבי מוגדר-היטב. לדוגמה, כאשר התקני GMSL2 משתמשים בקישור של Gbits/s‏ 6‏, רוחב-הפס המומלץ של הווידאו אינו עולה על Gbits/s‏ 5.2‏ מאחר והקישור כולל גם את תקורת הפרוטוקול ו אינטרוולים חוסמים מממשק MIPI של החיישן, קצב הנתונים האפקטיבי של Gbits/s‏ 5.2‏ מייצג נתונים מצטברים מכל נתיבי נתוני MIPI של הכניסה, ולא נתוני וידאו בלבד.

כמו התקנים אחרים מבוססי-Ethernet, מצלמות GigE Vision משדרות נתוני וידאו בפריימים, תוך שימוש באורך פריים המותאם עבור היישום הספציפי. פריימים ארוכים יותר משפרים את הנצילות, בעוד פריימים קצרים יותר מפחיתים את השיהוי. השימוש ב-Ethernet במהירות גבוהה יותר מסייע להפחית את הסיכונים הכרוכים בשימוש בפריימים ארוכים כדי להשיג קצב נתוני וידאו יעיל יותר.

גם טכנולוגיות GMSL וגם טכנולוגיות מבוססות-Ethernet מציגות דפוסי שידור בפרצים. משך הפרץ (Burst‏) עבור מצלמות GMSL תלוי אך ורק בזמן הקריאה של חיישן הווידאו, כך שיחס הפרץ (משך הפרץ/ מחזור הפריים) ביישומים אמיתיים יכול להגיע ל-100% כדי לתמוך בקצב נתוני הווידאו האפקטיבי המלא. במערכת מצלמות GigE Vision, יחס הפרץ הוא לרוב נמוך כדי למנוע התנגשויות בין נתוני וידאו לנתונים אחרים הנמצאים בדרך כלל בסביבת רשת מבוססת-Ethernet (איור 4).

איור 4: פרץ נתוני וידאו של מצלמת GMSL יכול לתפוס מחזור פריים וידאו שלם (למעלה), בעוד שפרץ נתונים של מצלמה מבוססת-Ethernet חולק את הרשת עם פרצי נתונים ממקורות אחרים (למטה). (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

רזולוציה וקצב פריימים: הן מצלמות GMSL והן מצלמות מבוססות-Ethernet מציגות פשרות ברזולוציה וקצב פריימים, שהם שניים מהמפרטים הקריטיים ביותר עבור מצלמות וידאו והגורמים העיקריים של קצבי קישור גבוהים יותר.

כפי שצוין לעיל, התקני GMSL אינם כוללים יכולות חציצה או עיבוד של פריימים. כתוצאה מכך, הרזולוציה וקצב הפריימים במצלמות אלו תלויים אך ורק במה שחיישן התמונה או מעבד חיישן התמונה (ISP) הפנימי שלו יכולים לתמוך בו בתוך רוחב-הפס של הקישור. בדרך כלל הביצועים במערכות אלו הם החלפה פשוטה בין רזולוציה, קצב פריימים ועומק הביטים של הפיקסלים.

מצלמות GigE Vision מציגות מודל ביצועים מורכב יותר הנובע מיכולות האחסון והעיבוד הפנימיות שלהן. מצלמות אלו עשויות לכלול קצב קישור איטי יותר לעומת מצלמות GMSL, אך הן עשויות לתמוך גם ברזולוציות גבוהות יותר, קצבי פריימים גבוהים יותר, או שניהם, עם חציצה ודחיסה נוספים.

שיהוי (Latency‏): הן ביישומי רכב והן ביישומים תעשייתיים, פעולה אמינה של המערכת ובטיחות המשתמש תלויות ביכולת לקלוט ולעבד נתוני הזרמת וידאו בזמן-אמת עם שיהוי מינימלי ודטרמיניסטי.

במצלמות מבוססות-Ethernet, יכולות חציצה ועיבוד פנימיות התומכות ברזולוציה וקצב פריימים גבוהים יותר עלולות לפגוע בביצועי השיהוי ובתגובה הדטרמיניסטית. עם זאת, במצלמות אלו ייתכן שהשיהוי ברמת-המערכת לא תמיד יהיה ארוך יותר, מכיוון שיכולות העיבוד הפנימיות של המצלמות עשויות להוביל ל-Pipeline‏ תמונות מערכת יעיל יותר.

ניתוח השיהוי במצלמות GMSL הוא פשוט יותר. למערכות מצלמות GMSL יש שרשרת אותות קצרה מיציאת חיישן התמונה עד לכניסת ה-SoC המקבל (ראו שוב איור 2). מכיוון ששרשרת אותות זו פשוט מעבירה נתוני וידאו גולמיים מממיר מקבילי-לטורי בצד החיישן לממיר טורי-למקבילי בצד הקולט, השיהוי של נתוני הווידאו נשאר מינימלי ודטרמיניסטי.

כיצד יכולות טכנולוגיית GMSL נוספות משפרות יישומים

מרחק שידור: ממירי מקבילי-לטורי וממירי טורי-למקבילי של GMSL מתוכננים בדרך כלל להעביר נתונים עד 15 מטרים (מ') באמצעות כבלים קואקסיאליים ברכבי נוסעים. בפועל, מרחקי השידור יכולים לעלות על 15 מטר, בתנאי שחומרת המצלמה עומדת במפרט ערוץ GMSL‏.^1‏ התקני GMSL מתקדמים, כגון ממיר מקבילי-לטורי GMSL‏ MAX9295DGTM/VY+T‏ וממיר טורי-למקבילי GMSL‏ MAX96716AGTM-VY‏ של Analog Devices, משתמשים ביכולות איזון אדפטיביות. זה מאפשר אורכי כבלים קואקסיאליים מעל 15 מטר.

הספקת-כוח על קואקס (PoC‏): טכנולוגיית GMSL‏ תומכת בהעברת הספקת-כוח ונתונים על אותו כבל. יכולת PoC זו משמשת בדרך כלל כברירת מחדל ביישומי מצלמה המשתמשים בכבל קואקסיאלי ודורשת רק מספר קטן של רכיבים פסיביים כדי להשלים מעגל PoC. בתצורה זו, הספקת-הכוח והנתונים עוברים על חוט יחיד בקישור.

בקרת התקנים היקפיים וחיבוריות מערכת: טכנולוגיית GMSL נועדה לתמוך בקישורי מצלמה או תצוגה ייעודיים, ולא במגוון רחב של התקנים היקפיים; עם זאת, התקני GMSL מספקים לעתים קרובות תמיכה בחיבוריות עבור ממשקים סטנדרטיים. לדוגמה, ה-MAX9295DGTM/VY+T וה-MAX96716AGTM-VY של Analog Devices תומכים בפעולת מינהור (Tunneling‏) או Pass-Through‏ של מספר ממשקים סטנדרטיים, כולל ממשקי כניסה/יציאה למטרות כלליות (GPIO‏), מעגל Inter-integrated circuit‏ (I2C) וממשק היקפי טורי (SPI). עבור יישומים גדולים המשתמשים במצלמות GMSL, המפתחים משתמשים בדרך כלל בממשקים במהירות נמוכה יותר, כגון אפיק רשת אזור בקרים (CAN), כדי להחליף אותות בקרה או נתונים אחרים.

הפעלת מצלמה וסנכרון: עם התקני GMSL‏, GPIO‏ ומנהור I2C מתרחשים תוך מספר מיקרו-שניות הן בערוצים קדימה והן בערוצים אחורה. יכולת זו מאפשרת לטריגרים לנבוע מחיישן התמונה בצד ממיר מקבילי-לטורי או מה-SoC בצד ממיר טורי-למקבילי, ותומכת במגוון דרישות טריגרים וסנכרון עם שיהוי קצר.

סיכום

בעוד של-GigE Vision יש מקום ראוי בהחלט בדימות בתעשייה וברכב, טכנולוגיית GMSL מציעה פתרון חסון עבור יישומים הדורשים שיהוי (Latency‏) מינימלי, מורכבות נמוכה, גורמי צורה קומפקטיים ודטרמיניזם. מערכות מצלמה מבוססות-GMSL, שנבנו באמצעות ממירי מקבילי-לטורי וממירי טורי-למקבילי GMSL של Analog Devices, מאפשרות תכנים יעילים המפשטים יישומים רבי-מצלמות תוך שמירה על הביצועים הנדרשים בסביבות זמן-אמת תובעניות.

מקורות

1. מדריך למשתמש במפרט ערוץ GMSL2