GMSL erfüllt zuverlässig die Anforderungen von Industrie- und Automobilherstellern an die hohe Bandbreite von Videos

Industrie- und Automobilanwendungen hängen zunehmend von hochauflösenden Bildgebungssystemen ab, die Videodaten in Echtzeit und mit hoher Bandbreite zuverlässig und effizient liefern müssen. Während GigE Vision gut verstanden und weit verbreitet ist, führen die Anforderungen neuer Anwendungen zu einer Suche nach Alternativen. Die GMSL-Technologie (Gigabit Multimedia Serial Link) ist eine solche Alternative, die Unterstützung für mehrere Kameras, strenge Echtzeitverarbeitung, geringere Komplexität, Determinismus, niedrigen Stromverbrauch und einen kompakten Formfaktor bietet.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die wichtigsten Unterschiede zwischen GigE Vision und GMSL. Anschließend werden GMSL-Lösungen von Analog Devices vorgestellt und es wird gezeigt, wie sie eingesetzt werden können, um die Systemkomplexität erheblich zu reduzieren, die Zuverlässigkeit zu erhöhen und eine effiziente Echtzeit-Videoübertragung zu ermöglichen.

Wie sich die Kamera-Schnittstellentechnologie auf die Performance auswirkt

Verschiedene Schnittstellentechnologien bieten Lösungen, um den Abstand zwischen den Kamerasensoren und dem Host-Prozessor zu vergrößern und so die grundlegenden Anforderungen vieler Bildgebungsanwendungen zu erfüllen. Basierend auf der GbE-Technologie (Gigabit-Ethernet) hat sich der Kamerainterface-Standard GigE Vision durchgesetzt. GigE-Vision-Kameras basieren in der Regel auf einer Signalkette, die aus drei Hauptkomponenten besteht: einem Bildsensor, einem Prozessor und einer Ethernet-PHY-Schnittstelle (Physical Layer) (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ethernet-Kameras verwenden eine prozessorbasierte Signalkette, die Bildsensordaten vor der Übertragung puffert und verarbeitet. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Auf der Sensorseite können GigE-Vision-Kameras ihren internen Prozessor nutzen, um kundenspezifische Sensorschnittstellenprotokolle zu unterstützen. Durch die Verwendung von Standard-Ethernet sind die GigE-Vision-Kameras mit einer Vielzahl von Host-Geräten kompatibel. So verfügen beispielsweise Personalcomputer und eingebettete Systeme in der Regel über einen GbE-Anschluss als Standardschnittstelle. Wenn die GigE-Vision-Kamera einen universellen Treiber unterstützt, der in der Regel mit diesen Systemen verfügbar ist, funktioniert sie wie ein weiteres Plug&Play-Peripheriegerät.

Ethernet-basierte Lösungen können für Anwendungen mit einer Kamera vorteilhaft sein, erfordern aber zusätzliche Hardware für den Einsatz in Anwendungen mit mehreren Kameras. Für diese Anwendungen ist in der Regel ein zusätzlicher dedizierter Ethernet-Switch oder eine Netzwerkschnittstellenkarte (NIC) erforderlich, um die verschiedenen Datenströme zu verarbeiten. Die Einbeziehung dieser Geräte in den Videodatenpfad kann den Durchsatz und die Latenzzeit zwischen den Kameras und dem Host beeinträchtigen.

Alternativ dazu verwendet die GMSL-Technologie von Analog Devices einen seriellen Punkt-zu-Punkt-Verbindungsansatz, der eine effiziente Lösung für Anwendungen bietet, die mehrere Kameras mit minimaler Latenzzeit erfordern. Ursprünglich für Anwendungen in der Automobilindustrie entwickelt, werden GMSL-Kameras zunehmend auch außerhalb des Automobilbereichs als Alternative zu Ethernet-basierten Kameras eingesetzt.

In einer GMSL-basierten Anwendung können mehrere kompakte GMSL-Kameras ohne Beeinträchtigung des Durchsatzes oder der Latenzzeit an einen einzigen GMSL-Host angeschlossen werden, sofern das Host-System auf dem Chip (SoC) die volle Bandbreite aller Kameras unterstützt (Abbildung 2).

Abbildung 2: GMSL-Mehrkameraanwendungen verwenden einfache Kameras (links) mit einzelnen GMSL-Links, die auf einem einzigen Host (rechts) zusammenlaufen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Kameras, die GMSL verwenden, haben in der Regel eine vereinfachte Signalkette, die aus einem Bildsensor und einem GMSL-Serialisierer besteht. GMSL-Serialisierer unterstützen zwei Standard-Sensorschnittstellen:

• GMSL-Geräte der ersten Generation (GMSL1) unterstützen die parallele LVDS-Schnittstelle (Low-Voltage Differential Signaling).
• GMSL-Bausteine der zweiten (GMSL2) und dritten Generation (GMSL3) unterstützen den weit verbreiteten MIPI-Standard (Mobile Industry Processor Interface) und ermöglichen so die Verwendung einer breiten Palette führender Bildsensoren in GMSL-Kameras.

In den meisten Anwendungen werden die Rohdaten des Bildsensors serialisiert und über eine GMSL-Verbindung in ihrem ursprünglichen Format gesendet. Durch den Wegfall eines Prozessors und anderer unterstützender Komponenten sind GMSL-Kameras einfacher zu entwickeln und herzustellen. Sie bieten auch eine effektivere Lösung für Anwendungen, die einen kompakten Formfaktor der Kamera und einen geringen Stromverbrauch erfordern.

Der Host für eine GMSL-Verbindung ist in der Regel ein kundenspezifisches eingebettetes System, das einen oder mehrere Hardware-Deserialisierer kombiniert. Einige wenige Codezeilen, die auf dem Host laufen, reichen im Allgemeinen aus, um auf diese Hardware-Deserialisierer zuzugreifen und Daten zu erfassen. In Fällen, in denen ein Treiber für den Bildsensor vorhanden ist, müssen die Entwickler nur die entsprechenden Register setzen, um den Videostrom von der Kamera zu lesen. Die GMSL-Geräte-Evaluierungskits von Analog Devices enthalten die Software, die für den Zugriff auf diese Geräte und die Erforschung ihrer Fähigkeiten erforderlich ist. Als zusätzliche Unterstützung für die GMSL-Entwicklung bietet Analog Devices ein Open-Source-Software-Repository für die GMSL-Technologie an.

Bewältigung von Konfigurationen für Anwendungen mit mehreren Kameras

Die Leistungsvorteile von GMSL ergeben sich aus der Art und Weise, wie diese Technologie die Übertragung eines Videostroms handhabt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Nach der Belichtung und dem Auslesen des Bildsensors (oben) serialisiert und überträgt eine GMSL-Kamera Pakete mit Videorohdaten, bevor sie bis zum nächsten Bild in einen Ruhezustand übergeht (Mitte); eine GigE-Vision-Kamera puffert, verarbeitet und überträgt Daten in Ethernet-Frames, bevor sie in einen Ruhezustand übergeht (unten). (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Für jedes Videobild liest ein Global-Shutter-Bildsensor unmittelbar nach der Belichtungszeit Daten aus und geht dann bis zum nächsten Bild in einen Ruhezustand über (Abbildung 3, oben).

Wenn der Auslesezeitraum der Kamera beginnt, behandeln GMSL- und GigE-Vision-Kameras die Datenübertragung unterschiedlich. Bei GMSL-Kameras serialisiert und überträgt der GMSL-Serializer die Bildsensordaten sofort und kehrt dann bis zur nächsten Ausleseperiode in einen Ruhezustand zurück (Abbildung 3, Mitte).

Bei GigE-Vision-Kameras puffert der Prozessor die Daten und verarbeitet sie häufig, bevor er Ethernet-Frames erstellt und überträgt (Abbildung 3, unten).

Verstehen der Faktoren, die der Performance von Videosystemen zugrunde liegen

In der Praxis hängt die Performance eines Kamerasystems von mehreren Faktoren ab, zu denen einige dieser Hauptmerkmale gehören:

Verbindungsrate: Sowohl bei GMSL- als auch bei Ethernet-basierten Kameras variiert die maximale Datenübertragungsgeschwindigkeit (Link-Rate) je nach Kameratyp; jede Schnittstellentechnologie basiert jedoch auf einer Reihe fester Link-Raten. Ethernet-basierte GigE-Vision-Kameras halten sich an Ethernet-Standards für Verbindungsraten, die in einer Reihe von diskreten Schritten spezifiziert sind, die von 1 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) für GigE-Vision-Kameras bis zu 100 Gbit/s für moderne 100-GigE-Vision-Kameras reichen.

Die Verbindungsraten für GMSL variieren je nach Generation der Technologie. GMSL1 unterstützt Verbindungsraten von 1,74 und 3,125 Gbit/s von der seriellen Schnittstelle zum Deserialisierer, während GMSL2 und GMSL3 6 bzw. 12 Gbit/s unterstützen.

Effektive Datenrate: In jeder Datenübertragungsanwendung beschreibt die effektive Datenrate die Datenübertragungskapazität, ohne den Protokoll-Overhead. Dieses Konzept gilt auch für die Videodatenübertragung, bei der die effektive Menge der übertragenen Videodaten der Pixelbittiefe × Pixelanzahl in der Nutzlast eines Pakets oder Bildes entspricht.

GMSL-Kameras übertragen Videodaten in Paketen. Die Verwendung fester Paketgrößen in GMSL2- und GMSL3-Geräten führt zu einer genau definierten effektiven Datenrate. Wenn z. B. GMSL2-Geräte eine 6-Gbit/s-Verbindung verwenden, beträgt die empfohlene Videobandbreite höchstens 5,2 Gbit/s. Da die Verbindung auch den Protokoll-Overhead und die Austastlücken der MIPI-Schnittstelle des Sensors enthält, stellt die effektive Datenrate von 5,2 Gbit/s keine reinen Videodaten, sondern aggregierte Daten aus allen MIPI-Eingangsdatenkanälen dar.

Wie andere Ethernet-basierte Geräte übertragen GigE-Vision-Kameras Videodaten in Einzelbildern, wobei eine für die jeweilige Anwendung optimierte Bildlänge verwendet wird. Längere Frames verbessern die Effizienz, während kürzere Frames die Verzögerung verringern. Die Verwendung von Ethernet mit höherer Geschwindigkeit hilft, die Risiken zu verringern, die mit der Verwendung langer Frames verbunden sind, um eine bessere effektive Videodatenrate zu erreichen.

Sowohl GMSL- als auch Ethernet-basierte Technologien weisen burstartige Übertragungsmuster auf. Die Burst-Zeit für GMSL-Kameras hängt ausschließlich von der Auslesezeit des Videosensors ab, so dass das Burst-Verhältnis (Burst-Zeit/Bildperiode) in realen Anwendungen potenziell 100% erreichen kann, um die volle effektive Videodatenrate zu unterstützen. In einem GigE-Vision-Kamerasystem ist das Burst-Verhältnis oft niedrig, um Kollisionen zwischen Videodaten und anderen Daten zu vermeiden, die in einer Ethernet-basierten Netzwerkumgebung typischerweise auftreten (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der Videodatenburst einer GMSL-Kamera kann eine ganze Videobildperiode einnehmen (oben), während der Datenburst einer Ethernet-basierten Kamera das Netzwerk mit Datenbursts von anderen Quellen teilt (unten). (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Auflösung und Framerate: Sowohl GMSL- als auch Ethernet-basierte Kameras weisen Kompromisse bei der Auflösung und der Framerate auf, die zwei der wichtigsten Spezifikationen für Videokameras und die Hauptfaktoren für höhere Verbindungsraten sind.

Wie bereits erwähnt, verfügen die GMSL-Geräte nicht über die Möglichkeit, Frames zu puffern oder zu verarbeiten. Folglich hängen Auflösung und Framerate bei diesen Kameras ausschließlich davon ab, was der Bildsensor oder sein interner Bildsensorprozessor (ISP) innerhalb der Verbindungsbandbreite unterstützen kann. In der Regel ist die Performance dieser Systeme ein direkter Austausch zwischen Auflösung, Framerate und Pixelbittiefe.

GigE-Vision-Kameras weisen ein komplexeres Leistungsmodell auf, das auf ihre internen Puffer- und Verarbeitungsfunktionen zurückzuführen ist. Diese Kameras können eine niedrigere nutzbare Verbindungsrate als GMSL-Kameras aufweisen, aber sie können auch höhere Auflösungen, höhere Frameraten oder beides unterstützen, mit zusätzlicher Pufferung und Komprimierung.

Latenz: Sowohl bei Automobil- als auch bei Industrieanwendungen hängen ein zuverlässiger Systembetrieb und die Sicherheit der Benutzer von der Fähigkeit ab, Videostromdaten in Echtzeit mit minimaler und deterministischer Latenz zu erfassen und zu verarbeiten.

Bei Ethernet-basierten Kameras können die internen Puffer- und Verarbeitungsfunktionen, die höhere Auflösungen und Frameraten unterstützen, die Latenz und die deterministische Reaktion beeinträchtigen. Bei diesen Kameras muss die Latenz auf Systemebene jedoch nicht immer länger sein, da die internen Verarbeitungsfunktionen der Kameras zu einer effizienteren Bildpipeline führen können.

Die Latenz bei GMSL-Kameras ist einfacher zu analysieren. GMSL-Kamerasysteme haben eine kurze Signalkette vom Ausgang des Bildsensors zum Eingang des empfangenden SoC (siehe Abbildung 2). Da diese Signalkette lediglich Videorohdaten von einem Serialisierer auf der Sensorseite zu einem Deserialisierer auf der Empfangsseite überträgt, bleibt die Latenz der Videodaten minimal und deterministisch.

Wie zusätzliche Funktionen der GMSL-Technologie Anwendungen verbessern

Übertragungsdistanz: GMSL-Serialisierer und -Deserialisierer sind in der Regel für eine Datenübertragung von bis zu 15 Metern (m) über Koaxialkabel in Personenkraftwagen ausgelegt. In der Praxis können Übertragungsdistanzen von mehr als 15 m erreicht werden, vorausgesetzt, die Kamerahardware entspricht der GMSL-Kanalspezifikation.¹ Moderne GMSL-Bausteine wie der GMSL-Serializer MAX9295DGTM/VY+T und der GMSL-Deserializer MAX96716AGTM-VY von Analog Devices verfügen über adaptive Entzerrungsfunktionen. Dies ermöglicht Koaxialkabellängen von über 15 m.

Stromversorgung über Koax (PoC): Die GMSL-Technologie unterstützt die Übertragung von Daten und die Stromversorgung über das gleiche Kabel. Diese PoC-Fähigkeit wird in der Regel standardmäßig in Kameraanwendungen mit Koaxialkabel verwendet und erfordert nur wenige passive Komponenten, um eine PoC-Schaltung zu vervollständigen. Bei dieser Konfiguration laufen Stromversorgung und Daten über eine einzige Leitung in der Verbindung.

Peripheriesteuerung und Systemvernetzung: Die GMSL-Technologie ist für die Unterstützung spezieller Kamera- oder Display-Verbindungen und nicht für eine Vielzahl von Peripheriegeräten ausgelegt. Allerdings bieten GMSL-Geräte häufig Anschlussmöglichkeiten für Standardschnittstellen. So unterstützen beispielsweise der MAX9295DGTM/VY+T und der MAX96716AGTM-VY von Analog Devices den Tunneling- oder Pass-Through-Betrieb mehrerer Standardschnittstellen, darunter GPIO- (General Purpose Input/Output), I2C- (Inter-Integrated Circuit) und SPI-Schnittstellen (Serial Peripheral Interface). Bei großen Anwendungen, die GMSL-Kameras einsetzen, verwenden die Entwickler in der Regel Schnittstellen mit geringerer Geschwindigkeit, wie z. B. einen CAN-Bus (Controller Area Network), um Steuersignale oder andere Daten auszutauschen.

Auslösung und Synchronisierung der Kamera: Bei GMSL-Geräten erfolgt das GPIO- und I2C-Tunneling innerhalb weniger Mikrosekunden sowohl im Vorwärts- als auch im Rückwärtskanal. Dank dieser Fähigkeit können Trigger entweder vom Bildsensor auf der Serialisierungsseite oder vom SoC auf der Deserialisierungsseite ausgehen, wodurch eine Reihe von Trigger- und Synchronisierungsanforderungen mit niedriger Latenz unterstützt werden.

Fazit

Während GigE Vision einen wohlverdienten Platz in der industriellen und automobilen Bildverarbeitung hat, bietet die GMSL-Technologie eine robuste Lösung für Anwendungen, die minimale Latenz, geringe Komplexität, kompakte Formfaktoren und Determinismus erfordern. Mit den GMSL-Serialisierern und -Deserialisierern von Analog Devices ermöglichen GMSL-basierte Kamerasysteme optimierte Designs, die Multi-Kamera-Anwendungen vereinfachen und gleichzeitig die in anspruchsvollen Echtzeitumgebungen erforderliche Performance gewährleisten.

Referenz

1. Benutzerhandbuch zur GMSL2-Kanalspezifikation