Straßenerprobte GMSL-Kameras erobern neue Märkte

Technologien, die für Automobilanwendungen entwickelt wurden, werden häufig auf andere Märkte übertragen, da die Automobilhersteller strenge Anforderungen an Zuverlässigkeit und Leistung stellen und schnelle Datenraten in einer elektronisch schwierigen Umgebung benötigen. Aus diesem Grund finden GMSL™-Kameras (Gigabit Multimedia Serial Link) immer mehr Absatzmärkte für Bildverarbeitungsanwendungen in Bereichen wie Automatisierung und Robotik, intelligente Landwirtschaft, digitales Gesundheitswesen, Avionik, Robotaxis sowie Bestandsmanagement im Einzelhandel und in Lagern.

Die GMSL-Technologie von Analog Devices, die ursprünglich für Anwendungen zur Highspeed-Video- und -Datenübertragung in Fahrzeugen eingeführt wurde, ist eine weit verbreitete und bewährte Technologie, die Highspeed-Videolinks ein neues Leistungsniveau verleiht und Multi-Streaming über ein einziges Kabel ermöglicht.

Bildverarbeitungsanwendungen erfordern sehr große Datenströme, um eine hohe Videoqualität zu gewährleisten. Ein Full-HD-Bild besteht aus 1080 Zeilen und 1920 Spalten. Das sind 2 Millionen Pixel, von denen jedes aus einem roten, grünen und blauen Element besteht, was 6 Millionen Elemente ergibt. Jedes Element repräsentiert 8 Bits an Daten, so dass jedes Bild eine Datenmenge von fast 50 Mbit/s ergibt. Bei 60 Bildern pro Sekunde beträgt die erforderliche Datenrate für eine Kamera über dreieinhalb Gbit/s.

Die erste Generation von GMSL, die 2008 auf den Markt kam, nutzte den LVDS-Standard (Low-Voltage Differential Signaling), um parallele Datenübertragungsraten von bis zu 3,125 Gbit/s zu ermöglichen. Dies war besonders geeignet für die Übertragung von Daten aus mehreren Kamerasystemen und anderen fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) sowie für den zunehmenden Einsatz von hochauflösenden Flachbildschirmen im Fahrzeug.

Die zweite Generation, GMSL2, wurde 2018 eingeführt. Sie erhöht die Datenraten auf bis zu 6 Gbit/s und unterstützt weitere standardmäßige Highspeed-Videoschnittstellen, darunter HDMI und den MIPI-Schnittstellenstandard, eine beliebte Bildsensorschnittstelle für Verbraucher- und Automobilkameras. Diese Fortschritte ermöglichten Full-High-Definition-Displays (FHD) und Kameras mit einer Auflösung von bis zu 8 MP.

GMSL3, die nächste Generation, kann Daten mit bis zu 12 Gbit/s über ein einziges Kabel übertragen, unterstützt mehrere Streams mit 4K-Auflösung, die Verkettung mehrerer Displays und die Zusammenführung mehrerer Kameras, z. B. vorne, hinten und an den Seiten eines Fahrzeugs, um eine 360°-Ansicht zu ermöglichen. Heute ergänzen immer mehr Automobilhersteller Rück- und Seitenspiegel mit Kameras, nutzen nach vorne und hinten gerichtete Kameras zur Kollisionsvermeidung und Innenraumkameras zur Überwachung der Sicherheit von Fahrer und Beifahrer. GMSL3 kann Daten aus mehreren Videoeinspeisungen sowie aus LiDAR und Radar zusammenführen.

Mit Kameras, die auf das Niveau von CMOS-Sensoren herunterskaliert wurden, können sie das, was früher als unglaubliche Qualität galt, zu niedrigen Kosten und mit geringem Energiebedarf produzieren. Bildsensoren verfügen über Millionen von Rezeptorelementen, von denen jedes einzelne die Messwerte in digitale Werte umwandelt, die zusammen mit den Synchronisationsinformationen über die seriellen Datenkanäle einer parallelen Schnittstelle übertragen werden.

Sowohl GMSL2 als auch GMSL3 nutzen MIPI-Schnittstellenstandards, die Entwicklern und Anbietern Zugang zu einer breiten Palette von Bildsensoren für GMSL-Kameras bieten.

GMSL vs. GigE (Gigabit Ethernet)

Wer mit Bildverarbeitungsanwendungen beginnen will, wird zweifellos schnell vor der Entscheidung stehen, ob Bildverarbeitungstechnologie per GMSL oder Gigabit-Ethernet (GigE) verwendet werden soll. GigE ist in industriellen Anwendungen weit verbreitet, da es weitgehend auf der Infrastruktur und den Standards von Ethernet-Netzwerken basiert.

GigE-Vision-Kameras für 2,5 GigE, 5 GigE und 10 GigE sind heute in vielen Anwendungen üblich, und moderne 100-GigE-Kameras können eine Datenrate von bis zu 100 Gbit/s nutzen. GMSL ist für die Datenübertragung über Koaxialkabel oder geschirmtes Twisted-Pair-Kabel mit einer Reichweite von bis zu 15 m ausgelegt, im Vergleich zu 100 m bei GigE, wobei beide Werte unter bestimmten Bedingungen überschritten werden können.

Jede Technologie ist in der Lage, Daten und Strom über das gleiche Kabel zu übertragen: GMSL verwendet PoC (Power over Coax), sodass Video, Audio, Steuerung, Daten und Strom über einen einzigen Kanal übertragen werden können. Die meisten GigE-Vision-Anwendungen nutzen PoE (Power over Ethernet) für 4-Pair-Ethernet oder, seltener, PoDL (Power over Data Line) für Single-Pair-Ethernet (SPE).

Die Systemanforderungen und der Anwendungsbedarf bestimmen, welche Bildverarbeitungstechnologie am besten geeignet ist. GigE Vision kann zum Beispiel einige Vorteile für Anwendungen mit nur einer Kamera bieten, insbesondere wenn diese direkt an einen PC oder eine eingebettete Plattform mit Ethernet-Anschluss angeschlossen werden.

Bei der Verwendung mehrerer Kameras erfordern GigE-Vision-Anwendungen die Verwendung eines dedizierten Ethernet-Switches, einer Netzwerkkarte (NIC) mit mehreren Ethernet-Anschlüssen oder eines Ethernet-Switch-ICs. Diese Umschaltung kann die maximale Gesamtdatenrate verringern und zu unvorhersehbaren Latenzzeiten zwischen den Kameras und dem Endgerät führen, während GMSL eine einfachere, direktere Architektur bietet.

GigE-Vision-Geräte können eine höhere Auflösung und eine höhere Bildrate - oder beides gleichzeitig - mit zusätzlicher Pufferung und Komprimierung unterstützen. Bildpufferung und -verarbeitung werden von GMSL-Geräten nicht bereitgestellt, so dass Auflösung und Bildrate davon abhängen, was der Bildsensor innerhalb der Verbindungsbandbreite unterstützen kann. Es muss ein einfacher Kompromiss zwischen Auflösung, Bildrate und Pixelbittiefe gefunden werden.

GMSL vereinfacht Highspeed-Videoarchitektur

GigE-Vision-Kameras verwenden in der Regel eine Signalkette, die einen Bildsensor, einen Prozessor und eine PHY (Ethernet Physical Layer) umfasst (Abbildung 1). Die Rohbilddaten vom Sensor werden vom Prozessor in Ethernet-Frames umgewandelt, wobei häufig eine Komprimierung oder Framepufferung erfolgt, um die Datenrate der unterstützten Ethernet-Bandbreite anzupassen.

Abbildung 1: Darstellung der wichtigsten Komponenten der Signalkette auf der Sensorseite von GigE-Vision-Kameras. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Die Signalkette der GMSL-Kamera verwendet eine Serialisierer/Deserialisierer-Architektur (SerDes), die den Einsatz eines Prozessors vermeidet (Abbildung 2). Stattdessen werden die parallelen Daten des Bildsensors durch den Serialisierer in einen seriellen Highspeed-Datenstrom umgewandelt. Am anderen Ende wandelt ein Deserialisierer die seriellen Daten wieder in eine parallele Form um, die von einem SoC (System-on-Chip) des elektronischen Steuergeräts (ECU) verarbeitet werden kann.

Abbildung 2: GMSL-Kameras verwenden eine einfachere Signalkettenarchitektur auf der Sensorseite als GigE Vision. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Die GMSL-Kameraarchitektur vereinfacht die Entwicklung von Kameras mit kleinem Formfaktor und geringem Stromverbrauch. Serialisierer können über die standardmäßige MIPI-CSI-2-Schnittstelle direkt an Kameras angeschlossen werden und paketierte Daten über die GMSL-Verbindung übertragen.

Ein typisches Host-Gerät ist eine kundenspezifische eingebettete Plattform mit einem oder mehreren Deserialisierern, die Bilddaten über MIPI-Transmitter im gleichen Format wie der MIPI-Ausgang des Bildsensors übertragen. Für kundenspezifische Entwürfe sind neue GMSL-Kameratreiber erforderlich, aber wenn es einen vorhandenen Treiber für den Bildsensor gibt, kann dieser mit nur wenigen Profilregistern oder Registerschreiboperationen verwendet werden, um einen Videostrom von den Kameras zu einer Steuereinheit zu ermöglichen.

GMSL-Komponenten

ADI bietet ein umfassendes Portfolio an Serialisierern und Deserialisierern zur Unterstützung einer Vielzahl von Schnittstellen. Diese zeichnen sich durch robuste PHY-Designs, niedrige Bitfehlerraten (BER) und Abwärtskompatibilität aus. Es können beliebige Videoprotokolle miteinander verbunden werden, z. B. HDMI mit dem oLDI (Open LVDS Display Interface).

Es sollten immer die besten Komponenten auf der Grundlage der Anwendungsanforderungen ausgewählt werden, z. B. Geräteschnittstellen, Datenraten, Bandbreite, Stromverbrauch, Umgebungsbedingungen und Kabellänge. Weitere Faktoren sind EMI, Fehlerbehandlung und Signalintegrität. Einige Beispiele für die GMSL-Komponenten von ADI sind:

• MAX96717, ein CSI-2-zu-GMSL2-Serialisierer (Abbildung 3), arbeitet mit einer festen Rate von 3 Gbit/s oder 6 Gbit/s in Vorwärtsrichtung und 187,5 Mbit/s in Rückwärtsrichtung.

Abbildung 3: Schematische Darstellung des Datenstroms unter Verwendung von MAX96717-Serialisierern. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

• MAX96716A, der zwei serielle GMSL2-Eingänge in MIPI CSI-2 umwandelt. Die GMSL2-Eingänge arbeiten unabhängig voneinander, und die Videodaten beider Eingänge können für die Ausgabe an einem einzigen CSI-2-Port aggregiert oder zur Redundanz auf einen zweiten Port repliziert werden.
• Der MAX96724, ein Vierfach-Tunnel-Deserialisierer, wandelt vier GMSL-2/1-Eingänge in zwei MIPI-D-PHY- oder -C-PHY-Ausgänge um. Die Datenübertragungsraten betragen 6/3 Gbit/s für GMSL2 und 3,12 Gbit/s für GMSL1 sowie Rückwärtsübertragungsraten von 187,5 Mbit/s für GMSL2 und 1 Mbit/s für GMSL1.
• Der Deserialisierer MAX96714 konvertiert einen einzelnen GMSL-2/1-Eingang in einen MIPI-CSI-2-Ausgang mit einer festen Rate von 3 Gbit/s oder 6 Gbit/s in Vorwärtsrichtung und 187,5 Mbit/s in Rückwärtsrichtung.
• Der MAX96751 ist ein GMSL2-Serialisierer mit HDMI-2.0-Eingang, der HDMI in ein einfaches oder doppeltes serielles GMSL2-Protokoll umwandelt. Außerdem ermöglicht er die Vollduplex-Einzeladerübertragung von Video und bidirektionalen Daten.
• Der MAX9295D konvertiert vierspurige Single- oder Dual-Port-MIPI-CSI-2-Datenströme in GMSL2 oder GMSL1.

ADI bietet auch verschiedene Entwicklungstools an, wie z.B. das Evaluierungskit MAX96724-BAK-EVK# für die MAX96724-Bausteine.

Fazit

Aufgrund ihrer geringeren Komplexität sind GMSL-Kameras kompakter und bieten im Allgemeinen eine kostengünstigere Lösung im Vergleich zu GigE Vision. GMSL bietet einen zuverlässigen Transport von hochauflösenden digitalen Videos mit einer Latenzzeit von Mikrosekunden für eine wachsende Anzahl von kamera- und displaybasierten Anwendungen, vom maschinellen Lernen und autonomen Betrieb bis hin zu Infotainment und Sicherheit. Millionen von GMSL-Verbindungen verbessern heute das Fahrerlebnis auf der Straße und zeugen von ihrer Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit.