Les caméras GMSL, qui ont fait leurs preuves sur la route, conquièrent de nouveaux marchés

Les technologies développées pour les applications automobiles sont fréquemment appliquées à d'autres marchés en raison des exigences rigoureuses des constructeurs automobiles en matière de fiabilité et de performances, et du besoin de débits de données rapides dans un environnement électroniquement hostile. C'est pourquoi les caméras GMSL™ (Gigabit Multimedia Serial Link) s'imposent sur les marchés des applications de vision dans des domaines tels que l'automatisation et la robotique, l'agriculture intelligente, la santé numérique, l'avionique, les robotaxis et la gestion des stocks dans les magasins de détail et les entrepôts.

Initialement introduite pour répondre aux applications de transmission de données et vidéo haut débit dans les véhicules, la technologie GMSL largement adoptée et éprouvée d'Analog Devices apporte de nouveaux niveaux de performances aux liaisons vidéo haut débit et permet le multi-streaming sur un seul câble.

Les applications de vision nécessitent des flux de données très importants pour garantir une vidéo de haute qualité. Une image Full HD est composée de 1080 lignes par 1920 colonnes. Cela équivaut à 2 millions de pixels, chacun composé d'un élément rouge, vert et bleu, soit 6 millions d'éléments. Chaque élément représente 8 bits de données, de sorte que chaque image représente près de 50 Mbps de données. À 60 images par seconde, le débit de données requis pour une caméra est supérieur à 3,5 Gbps.

La première génération GMSL, disponible pour la première fois en 2008, utilisait la norme de signalisation différentielle à basse tension (LVDS) pour fournir des débits de données parallèles en liaison descendante jusqu'à 3,125 Gbps. Cette technologie convenait particulièrement bien à la transmission de données provenant de plusieurs systèmes de caméras et d'autres applications avancées d'aide à la conduite (ADAS), ainsi qu'à l'utilisation croissante d'écrans plats haute définition embarqués.

Une deuxième génération, GMSL2, a été introduite en 2018, augmentant les débits de données jusqu'à 6 Gbps et prenant en charge davantage d'interfaces vidéo haute vitesse standard, notamment HDMI et la norme d'interface MIPI, une interface de capteur d'images populaire pour les caméras grand public et automobiles. Ces avancées ont permis de prendre en charge les écrans Full HD (FHD) et les caméras avec une résolution jusqu'à 8 MP.

GMSL3, la nouvelle génération, peut fournir des débits de données atteignant 12 Gbps sur un seul câble, et prendre en charge plusieurs flux de résolution 4K, la connexion en chaîne de plusieurs écrans et l'agrégation de plusieurs caméras telles que celles situées à l'avant, à l'arrière et sur les côtés d'un véhicule pour offrir une capacité de visualisation à 360°. Aujourd'hui, de plus en plus de constructeurs automobiles équipent leurs rétroviseurs intérieurs et extérieurs de caméras, utilisent des caméras orientées vers l'avant et vers l'arrière pour éviter les collisions et des caméras dans l'habitacle pour surveiller la sécurité du conducteur et des passagers. La technologie GMSL3 peut agréger des données de plusieurs flux vidéo ainsi que de LiDAR et de radars.

Les caméras étant dimensionnées au niveau des capteurs CMOS, elles peuvent produire une qualité autrefois considérée comme incroyable, à faible coût et avec une faible consommation d'énergie. Les capteurs d'images disposent de millions d'éléments récepteurs, chacun d'eux convertissant les mesures en valeurs numériques à transmettre via les voies de données série d'une interface parallèle, avec les informations de synchronisation.

Les technologies GMSL2 et GMSL3 utilisent toutes les deux les normes d'interface MIPI qui permettent aux concepteurs et aux fournisseurs d'accéder à une large gamme de capteurs d'images pour les caméras GMSL.

GMSL vs GigE

Les ingénieurs qui se lancent dans les applications de vision seront rapidement confrontés à la question de savoir s'ils doivent utiliser la technologie de vision GMSL ou Gigabit Ethernet (GigE). GigE est largement utilisé dans les applications industrielles, en grande partie en raison de sa dépendance à l'égard de l'infrastructure et des normes de réseau Ethernet.

Les caméras GigE Vision avec 2.5 GigE, 5 GigE et 10 GigE sont courantes dans les applications actuelles, et les caméras de pointe 100 GigE peuvent utiliser un débit de données jusqu'à 100 Gbps. La technologie GMSL est conçue pour transmettre des données via un câble coaxial ou un câble blindé à paire torsadée jusqu'à 15 mètres, contre 100 m pour GigE, bien que ces deux valeurs puissent être dépassées dans certaines conditions.

Chaque technologie est capable de transmettre données et alimentation sur le même câble : GMSL utilise Power over Coax (PoC) afin que la vidéo, l'audio, le contrôle, les données et l'alimentation puissent être transportés sur un seul canal. La plupart des applications GigE Vision s'appuient sur Power over Ethernet (PoE) pour l'Ethernet à 4 paires, ou plus rarement, sur Power over Data Line (PoDL) pour Single Pair Ethernet (SPE).

Les exigences du système et les besoins de l'application détermineront la technologie de vision la plus appropriée. GigE Vision, par exemple, peut offrir certains avantages pour les applications à une seule caméra, en particulier lorsqu'elles se connectent directement à un PC ou à une plateforme embarquée avec un port Ethernet.

Lorsqu'elles utilisent plusieurs caméras, les applications GigE Vision requièrent l'utilisation d'un commutateur Ethernet dédié, d'une carte d'interface réseau (NIC) avec plusieurs ports Ethernet ou d'un circuit intégré de commutateur Ethernet. Cette exigence de commutation peut potentiellement réduire le débit de données total maximum et introduire une latence imprévisible entre les caméras et le terminal, tandis que GMSL fournit une architecture plus simple et plus directe.

Les dispositifs GigE Vision peuvent prendre en charge une résolution plus élevée et une fréquence d'images supérieure — ou les deux simultanément — avec une mise en mémoire tampon et une compression supplémentaires. La mise en mémoire tampon et le traitement des images ne sont pas disponibles dans les dispositifs GMSL. La résolution et la fréquence d'images dépendent donc de la capacité de prise en charge du capteur d'images dans la bande passante de la liaison. Les ingénieurs devront déterminer un compromis simple entre la résolution, la fréquence d'images et la profondeur de bits des pixels.

La technologie GMSL simplifie l'architecture vidéo haut débit

Les caméras GigE Vision utilisent typiquement une chaîne de signaux incluant un capteur d'images, un processeur et une couche physique (PHY) Ethernet (Figure 1). Les données d'images brutes du capteur sont converties par le processeur en trames Ethernet, en s'appuyant souvent sur la compression ou la mise en mémoire tampon des trames pour s'adapter au débit de données de la bande passante Ethernet prise en charge.

Figure 1 : Représentation des composants clés de la chaîne de signaux côté capteur des caméras GigE Vision. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

La chaîne de signaux de la caméra GMSL utilise une architecture de type sérialiseur/désérialiseur (SerDes) qui évite l'utilisation d'un processeur (Figure 2). Les données parallèles du capteur d'images sont converties par le sérialiseur en un flux de données série à haut débit. Ensuite, un désérialiseur reconvertit les données série en données parallèles pour le traitement par un système sur puce (SoC) de calculateur (ECU).

Figure 2 : Les caméras GMSL utilisent une architecture de chaîne de signaux plus simple côté capteur que GigE Vision. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

L'architecture de caméra GMSL simplifie la conception de caméras à petit facteur de forme avec une faible consommation d'énergie. Les sérialiseurs peuvent se connecter directement aux caméras via l'interface MIPI CSI-2 standard et transmettre des données en paquets via la liaison GMSL.

Un dispositif hôte typique est une plateforme embarquée personnalisée avec un ou plusieurs désérialiseurs qui transmettent des données d'image via des émetteurs MIPI dans le même format que la sortie MIPI du capteur d'images. De nouveaux pilotes de caméra GMSL sont requis pour les conceptions personnalisées, mais s'il existe un pilote pour le capteur d'images, il peut être utilisé avec seulement quelques registres de profil ou écritures de registre pour permettre un flux vidéo des caméras vers une unité de contrôle.

Composants GMSL

ADI propose un portefeuille complet de sérialiseurs et de désérialiseurs pour prendre en charge une variété d'interfaces. Ils se caractérisent par des conceptions PHY robustes, de faibles taux d'erreur sur les bits (TEB) et une compatibilité descendante. Tous les protocoles vidéo peuvent être reliés entre eux, par exemple HDMI vers oLDI (Open LVDS Display Interface).

Les ingénieurs doivent sélectionner les meilleurs composants en fonction des besoins de l'application, tels que les interfaces de dispositifs, les débits de données, la bande passante, la consommation d'énergie, les conditions environnementales et la longueur de câble. Les autres facteurs incluent les interférences électromagnétiques (EMI), la gestion des erreurs et l'intégrité des signaux. Les composants GMSL d'ADI incluent les exemples suivants :

• Le MAX96717, un sérialiseur CSI-2 vers GMSL2 (Figure 3), fonctionne à un débit fixe de 3 Gbps ou 6 Gbps dans le sens direct et de 187,5 Mbps dans le sens opposé.

Figure 3 : Schéma illustrant le flux de données avec les sérialiseurs MAX96717. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

• Le MAX96716A convertit les entrées série GMSL2 doubles en MIPI CSI-2. Les entrées GMSL2 fonctionnent indépendamment et les données vidéo des deux peuvent être agrégées pour une sortie sur un seul port CSI-2 ou répliquées sur un deuxième port pour la redondance.
• Le MAX96724, un désérialiseur à tunnel quadruple, convertit 4 entrées GMSL 2/1 en 2 sorties MIPI D-PHY ou C-PHY Les débits de liaison de données sont de 6/3 Gbps pour GMSL2 et de 3,12 Gbps pour GMSL1, et les débits de liaison inverse de 187,5 Mbps pour GMSL2 et de 1 Mbps pour GMSL1.
• Le désérialiseur MAX96714 convertit une seule entrée GMSL 2/1 en sortie MIPI CSI-2, avec un débit fixe de 3 Gbps ou 6 Gbps dans le sens direct et de 187,5 Mbps dans le sens opposé.
• Le MAX96751 est un sérialiseur GMSL2 avec entrée HDMI 2.0 qui convertit HDMI en protocole série GMSL2 simple ou double. Il permet également la transmission en duplex intégral, sur un seul fil, de données bidirectionnelles et vidéo.
• Le MAX9295D convertit les flux de données MIPI CSI-2 à 4 voies à port simple ou double en GMSL2 ou GMSL1.

ADI propose également plusieurs outils de développement, tels que le kit d'évaluation MAX96724-BAK-EVK# pour les dispositifs MAX96724.

Conclusion

Grâce à leur complexité réduite, les caméras GMSL sont plus compactes et peuvent généralement fournir une solution plus rentable que GigE Vision. La technologie GMSL fournit une transmission vidéo numérique haute résolution fiable avec une latence de quelques microsecondes pour une gamme croissante d'applications basées sur des caméras et des écrans, de l'apprentissage automatique et des opérations autonomes à l'infodivertissement et à la sécurité. Des millions de liaisons GMSL améliorent aujourd'hui l'expérience du conducteur sur la route, attestant de leur fiabilité et de leurs performances.