Il GMSL supera i confini delle applicazioni automotive

Le applicazioni di visione richiedono flussi di dati molto consistenti per garantire video di alta qualità. Un'immagine Full HD è composta da 1080 righe per 1920 colonne, per un totale di oltre 2 milioni di pixel. A 60 fotogrammi al secondo, la velocità di trasmissione dei dati grezzi raggiunge rapidamente l'ordine dei gigabit al secondo. È qui che i progettisti di prodotti possono trarre vantaggio dalla tecnologia Gigabit Multimedia Serial Link (o GMSL).

Sviluppato originariamente da Maxim e ora parte del portafoglio di Analog Devices Inc., il GMSL continua ad evolversi come tecnologia leader per i collegamenti video e dati ad alta velocità. Creato per applicazioni di trasmissione dati e video ad alta velocità nel settore automotive, ha attraversato tre generazioni (GMSL1, GMSL2 e GMSL3) con oltre 900 milioni di circuiti integrati distribuiti in tutto il mondo. Ora la sua adozione sta registrando un'impennata anche in una serie di applicazioni non automotive in cui la trasmissione di dati video e di sensori ad alta velocità e bassa latenza è fondamentale:

• Il GMSL viene utilizzato per collegare le telecamere per la visione artificiale nei sistemi robotici e di ispezione, offrendo prestazioni affidabili negli stabilimenti di produzione, dove le EMI e le lunghe tratte dei cavi possono mettere a dura prova le interfacce convenzionali.
• Nei dispositivi medici, il GMSL consente di ottenere video in tempo reale da telecamere chirurgiche e diagnostiche, soprattutto nei sistemi compatti in cui è essenziale ridurre al minimo il cablaggio e la latenza.
• I progettisti del settore aerospaziale e della difesa utilizzano il GMSL per la trasmissione di immagini e dati dei sensori mission-critical presenti in velivoli, droni e sistemi di sorveglianza, beneficiando delle capacità di diagnostica e della robustezza di questa tecnologia.
• I sistemi ferroviari e di trasporto pubblico utilizzano il GMSL per trasmettere feed video e informazioni sui passeggeri tra i veicoli e le unità di controllo.

In tutti questi settori, la combinazione di larghezza di banda, resilienza e semplicità della tecnologia GMSL aiuta i progettisti a soddisfare le esigenze dei sistemi basati sull'impiego di telecamere e dati. Sebbene sia spesso percepito come una soluzione di fascia alta, il GMSL può essere applicato a progetti professionali a basso volume che richiedono collegamenti robusti e ad alta velocità per dati video o dei sensori.

Capacità fondamentali

Il GMSL è una tecnologia serializzatore/deserializzatore (SerDes) ad alta velocità progettata per la trasmissione di video, audio, controllo e alimentazione su un unico cavo, tipicamente coassiale o a doppino intrecciato schermato (STP). Il GMSL supporta la comunicazione full-duplex asimmetrica, con un canale diretto per la trasmissione video ad alta larghezza di banda e un canale inverso per i segnali di controllo a bassa frequenza.

Questa tecnologia supporta distanze fino a 15 m e velocità superiori a 6 Gbps nelle sue ultime versioni. Queste caratteristiche consentono al GMSL di supportare video ad alta risoluzione, quali sensori da 8 MP e display a 4K+.

Molte applicazioni moderne, dai sistemi di assistenza alla guida nel settore automotive alla visione artificiale industriale, dipendono dalla trasmissione di immagini ad alta risoluzione in tempo reale. Un fotogramma Full HD contiene 2 milioni di pixel, quindi con ciascun pixel che memorizza 8 bit per ciascun canale rosso, verde e blu (24 bit in totale), si arriva a quasi 50 Mb di dati non compressi per fotogramma.

Un singolo flusso video di 1080p non compresso a 60 fotogrammi al secondo può richiedere oltre 3 Gbps di larghezza di banda, e questo prima ancora di aggiungere la profondità di colore, la sincronizzazione e la correzione degli errori. La capacità del GMSL di trasmettere più gigabit al secondo su un singolo cavo coassiale o STP consente ai progettisti di fornire video nitidi a bassa latenza senza dover ricorrere a schemi di compressione che aumentano la complessità e introducono ritardi.

La latenza è un problema fondamentale nelle applicazioni sensibili al tempo. Che si tratti della telecamera frontale di un veicolo che aiuta a rilevare i pericoli o di un robot in una catena di montaggio che regola la sua presa, anche i più lievi ritardi nella trasmissione video possono compromettere le prestazioni o la sicurezza.

I collegamenti ad alta velocità del GMSL supportano la trasmissione quasi istantanea di dati video e dei sensori, pertanto sono ideali per i sistemi che si basano su feedback e decisioni in tempo reale. Questo è fondamentale per le applicazioni in cui la latenza rappresenta un problema, come il rilevamento dei pericoli in una catena di montaggio.

Un'altra caratteristica importante del GMSL, soprattutto nei progetti con vincoli di spazio o sensibili ai costi, è l'integrazione dell'erogazione di alimentazione sullo stesso cavo utilizzato per i dati. Conosciuta come Power over Coax (o PoC, alimentazione su cavo coassiale), questa funzionalità consente a un singolo cavo coassiale di trasportare video, segnali di controllo e alimentazione a dispositivi remoti quali telecamere, display o sensori. Questo riduce la necessità di linee di alimentazione separate, riducendo anche la complessità del cablaggio, il peso e i costi del progetto.

Il PoC è una caratteristica fondamentale del GMSL fin dalla sua prima generazione ed è particolarmente utile nelle applicazioni automotive, industriali ed embedded che prevedono lunghe tratte di cavi o un instradamento flessibile. A ogni generazione, il PoC si è evoluto per supportare livelli di potenza più elevati, maggiore efficienza e migliori prestazioni EMI, oltre a funzioni di diagnostica e caratteristiche di protezione potenziate per supportare progetti di sistemi multidispositivo più complessi.

Una panoramica delle varie generazioni del GMSL

Il GMSL di prima generazione, inizialmente introdotto nel 2008, utilizzava lo standard di segnalazione differenziale a bassa tensione (LVDS) per fornire velocità di downlink di dati paralleli fino a 3,125 Gbps. Questo standard era particolarmente adatto a trasmettere i dati provenienti da sistemi multitelecamera e da altri sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), oltre che al crescente utilizzo di display a schermo piatto ad alta definizione a bordo dell'auto. I componenti GMSL1 continuano a essere una scelta valida e ampiamente disponibile per i progettisti di prodotti che lavorano su applicazioni sensibili ai costi o a larghezza di banda moderata e sono ben supportati dai ricevitori compatibili con GMSL2.

• MAX96705 è un serializzatore GSML1 compatto ed economico con PoC integrato che supporta velocità dati fino a 1,5 Gbps, adatto per sistemi di visione automotive entry-level, telecamere di ispezione industriale e ad altre applicazioni di visione che non richiedono la larghezza di banda maggiore del GMSL2 o GMSL3.

Il GMSL2 utilizza un protocollo seriale proprietario ad alta velocità che consente la temporizzazione embedded, prestazioni EMI migliori e velocità dati più elevate, il tutto su una singola coppia differenziale. In particolare, ha raddoppiato la larghezza di banda disponibile a 6 Gbps, consentendo di supportare flussi video a risoluzione superiore, frequenze di fotogrammi più elevate e persino telecamere multiple aggregate. Elimina la necessità di linee del clock separate, riducendo la complessità del cablaggio e migliorando l'integrità del segnale su distanze maggiori. Il GMSL2 conserva la retrocompatibilità con il GMSL1, facilitando la transizione verso progetti di capacità superiore senza richiedere una revisione completa della piattaforma.

• MAX96716A è un deserializzatore a doppio ingresso che supporta collegamenti GMSL1 e GMSL2 e velocità dati fino a 6 Gbps per canale, con uscite verso MIPI CSI-2, un'interfaccia comune per i SoC e i processori di visione. Grazie al bridging I²C integrato, al supporto PoC e alla rilevazione e correzione degli errori (FEC), è una soluzione affidabile e flessibile per le configurazioni multitelecamera o per il bridging di serializzatori più vecchi e più nuovi senza dover riprogettare l'interfaccia host.

Il GMSL2 soddisfa i severi requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC) delle applicazioni automotive e industriali, dove l'LVDS tradizionale spesso non è all'altezza. Il GMSL2 ha inoltre aggiunto il supporto per video compressi e non, offrendo ai progettisti una maggiore flessibilità in base ai vincoli del sistema. A differenza del GMSL1, questa tecnologia utilizza un clock embedded, riducendo le EMI e semplificando la progettazione del cablaggio.

Altri miglioramenti introdotti nel GMSL2 rispetto alla generazione precedente sono una migliore gestione dei dati di controllo, con una minore latenza di trasmissione di I²C, SPI, GPIO e audio, oltre a una diagnostica integrata e al rilevamento degli errori per una maggiore robustezza del sistema.

Il GMSL3 ha portato ulteriori progressi alle applicazioni di visione grazie al supporto dell'aggregazione, che consente di trasmettere molti flussi video ad alta risoluzione, segnali di controllo bidirezionali (come I²C, GPIO e SPI) e audio su un unico cavo fisico. Questo semplifica il cablaggio e riduce il peso e la complessità nei progetti con vincoli di spazio.

Molte applicazioni moderne prevedono la comunicazione simultanea di molteplici sorgenti video (es. telecamere) e dispositivi periferici (es. sensori o display) con un processore centrale.

Il GMSL3 supporta velocità dati fino a 6 Gbps per canale seriale, con configurazioni che utilizzano più canali per aumentare ulteriormente il throughput.

• MAX96793GTJ/VY+ è un serializzatore GMSL3 compatto che immette fino a quattro canali di video MIPI CSI-2 ed emette un singolo collegamento GMSL3 a 12 Gbps, assicurando la retrocompatibilità con GMSL2 (Figura 1).

Figura 1: I serializzatori GMSL3 MAX96793 con retrocompatibilità integrata con GMSL2 offrono ai progettisti una soluzione efficiente per i sistemi multitelecamera ad alta risoluzione o per l'aggiornamento da GMSL2. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

• MAX96792A di ADI è un deserializzatore a doppio canale GMSL3/GMSL2 ad alte prestazioni che può aggregare due canali seriali per un totale di 12 Gbps di dati video, di controllo e audio serializzati (Figura 2). Ciò consente l'acquisizione di video multitelecamera o ad alta risoluzione attraverso doppie interfacce MIPI CSI-2 e fornisce le funzionalità per i sistemi avanzati di assistenza alla guida, i veicoli autonomi, la visione artificiale avanzata e altre applicazioni ad alta larghezza di banda. Il supporto per entrambe le tecnologie GMSL3 e GMSL2 semplifica gli aggiornamenti tra le varie linee di prodotti. (In modalità GMSL2, può essere abbinato al serializzatore GMSL2 MAX96717RGTJ/V+).

Figura 2: Il deserializzatore a doppio canale GMSL3/GMSL2 MAX96792A offre funzionalità per applicazioni di visione avanzate. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

I progettisti possono sfruttare le schede di valutazione e i kit di sviluppo per esplorare le funzionalità del GMSL3 e realizzare prototipi con hardware reale.

• MAX96793-ACK-EVK# (Figura 3) con il CI serializzatore MAX96793 consente ai progettisti di prototipare e testare rapidamente i collegamenti video GMSL3 e GMSL2 ad alta velocità, convertendo l'ingresso MIPI CSI-2 in un'uscita GMSL3 fino a 12 Gbps su cavo coassiale o STP.

Figura 3: MAX96793-ACK-EVK# offre l'opportunità di prototipare applicazioni GMSL3 con il serializzatore MAX96793. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

• La scheda di valutazione MAX96792A-BCK-EVK# (Figura 4) per MAX96792A è una scheda di valutazione con deserializzatore a doppio canale GMSL3/GMSL2 che dimostra il funzionamento completo della tecnologia GMSL3 utilizzando due canali da 6 Gbps (12 Gbps in totale) su cavo coassiale o STP tramite segnalazione PAM-4.

Figura 4: Il kit di valutazione MAX96792A-BCK-EVK# include un deserializzatore GSML3 per applicazioni di prototipazione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Ampia adozione e solido ecosistema

La tecnologia GMSL di ADI è stata ampiamente adottata nei settori automotive, industriale, medicale e aerospaziale. La combinazione che offre in termini di trasmissione video ad alta velocità, erogazione di alimentazione, resilienza alle EMI e integrazione a livello di sistema ne ha fatto uno standard de facto per i sistemi di visione ad alte prestazioni dove i protocolli aperti non sono all'altezza.

ADI offre una piattaforma scalabile consolidata per l'implementazione di collegamenti video e sensori in tempo reale in ambienti difficili, supportata da un robusto ecosistema di serializzatori, deserializzatori, moduli telecamera e strumenti di sviluppo.

La retrocompatibilità è una caratteristica fondamentale delle varie generazioni del GMSL. GMSL2 è retrocompatibile con GMSL1 in molte configurazioni, consentendo ad alcuni serializzatori e deserializzatori progettati per GMSL2 di operare in modalità GMSL1 quando abbinati a un dispositivo GMSL1. Ciò consente ai progettisti di aggiornare i loro progetti continuando però a utilizzare l'hardware esistente.

Sebbene il GMSL3 utilizzi un protocollo di segnalazione fondamentalmente diverso e un'architettura a velocità più elevata, ADI offre componenti che funzionano in doppia modalità GMSL2 e GMSL3. Ciò offre ai progettisti flessibilità nell'implementazione di aggiornamenti graduali del sistema o nell'offerta di linee di prodotti multipiattaforma, come ad esempio un modello di fascia alta basato su GMSL3 e un modello di fascia bassa basato su GMSL2.

Conclusione

Il GMSL semplifica la complessità del progetto, riduce il cablaggio e supporta la crescente domanda di dati a bassa latenza e alta larghezza di banda nei sistemi embedded ed edge. Il condizionamento avanzato del segnale e la correzione degli errori del GMSL assicurano che le applicazioni possano mantenere collegamenti veloci e ad alta integrità anche in condizioni difficili e su distanze di 15 m o più, mentre altre interfacce come USB, HDMI o MIPI CSI sono tipicamente soggette a deterioramento del segnale su tali distanze, in particolare negli ambienti soggetti a rumore come i veicoli o le fabbriche. La retrocompatibilità tra le varie generazioni del GMSL garantisce la perfetta integrazione dei componenti più recenti nei sistemi esistenti, consentendo aggiornamenti graduali senza una riprogettazione completa e aiutando a bilanciare costi, prestazioni e flessibilità della supply chain tra le varie linee di prodotti.