Le telecamere GMSL testate su strada entrano in nuovi mercati

Le tecnologie sviluppate appositamente per le applicazioni automotive si applicano spesso anche ad altri mercati a causa dei rigorosi requisiti di affidabilità, prestazioni e velocità di trasmissione dei dati in un ambiente elettronicamente ostile. Ecco perché le telecamere Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL™) stanno trovando mercati pronti per applicazioni di visione in settori quali l'automazione e la robotica, l'agricoltura intelligente, la sanità digitale, l'avionica, i robotaxi e la gestione dell'inventario di negozi e magazzini.

Introdotta inizialmente per le applicazioni di trasmissione dati e video ad alta velocità nei veicoli, GMSL di Analog Devices è una tecnologia ampiamente adottata e collaudata per portare nuovi livelli di prestazioni ai collegamenti video ad alta velocità e consentire il multi-streaming su un singolo cavo.

Le applicazioni di visione richiedono flussi di dati molto grandi per garantire video di alta qualità. Un'immagine Full HD è composta da 1080 righe e 1920 colonne. Ciò equivale a 2 milioni di pixel, ognuno composto da un elemento rosso, verde e blu, per un totale di 6 milioni di elementi. Ogni elemento rappresenta 8 bit di dati, per cui ogni fotogramma produce quasi 50 Mbps di dati. Con 60 fotogrammi al secondo, la velocità di trasmissione dati richiesta per una telecamera è di oltre 3,5 Gbps.

Il GMSL di prima generazione, disponibile per la prima volta 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 sistema era particolarmente adatto a trasmettere i dati provenienti da sistemi multitelecamera e da altre applicazioni avanzate di assistenza alla guida (ADAS), oltre che al crescente utilizzo di display a schermo piatto ad alta definizione a bordo dell'auto.

Nel 2018 è stata introdotta una seconda generazione, GMSL2, che ha aumentato la velocità dati fino a 6 Gbps e supporta più interfacce video standard ad alta velocità, tra cui HDMI e lo standard di interfaccia MIPI, una popolare interfaccia per sensori di immagine per fotocamere consumer e automotive. Questi progressi hanno permesso di installare display ad alta definizione (FHD) e fotocamere con risoluzione fino a 8 MP.

GMSL3, la nuova generazione, è in grado di fornire dati fino a 12 Gbps su un singolo cavo, supporta flussi multipli con risoluzione 4K, il collegamento a margherita di più display e l'aggregazione di più telecamere, come quelle situate sulla parte anteriore, posteriore e laterale di un veicolo, per fornire una visione a 360°. Oggi, un numero crescente di produttori di automobili integra gli specchietti retrovisori e i retrovisori laterali con telecamere, utilizza telecamere rivolte in avanti e all'indietro per evitare le collisioni e telecamere interne all'abitacolo per monitorare la sicurezza del conducente e dei passeggeri. GMSL3 è in grado di aggregare dati provenienti da più feed video, LiDAR e radar.

Con le telecamere ridotte al livello dei sensori CMOS, è possibile produrre quella che una volta era considerata una qualità incredibile a basso costo e con bassi consumi. I sensori di immagine hanno milioni di elementi recettoriali, ognuno dei quali converte le misurazioni in valori digitali da trasmettere attraverso canali di dati seriali di un'interfaccia parallela, insieme alle informazioni di sincronizzazione.

Sia GMSL2 che GMSL3 utilizzano gli standard di interfaccia MIPI che consentono a progettisti e fornitori di accedere a un'ampia gamma di sensori di immagine per le telecamere GMSL.

GMSL e GigE

Gli ingegneri che iniziano ad occuparsi di applicazioni di visione si troveranno senza dubbio a dover decidere se utilizzare la tecnologia di visione GMSL o Gigabit Ethernet (GigE). GigE è ampiamente utilizzato nelle applicazioni industriali, soprattutto grazie alla sua dipendenza dall'infrastruttura e dagli standard di rete Ethernet.

Le telecamere GigE Vision da 2,5 GigE, 5 GigE e 10 GigE sono ormai comuni nelle applicazioni, mentre le telecamere all'avanguardia da 100 GigE possono utilizzare una velocità di trasferimento dati fino a 100 Gbps. GMSL è progettato per trasmettere dati su cavo coassiale o cavo schermato a doppino intrecciato fino a 15 metri, rispetto ai 100 metri del GigE, anche se entrambi possono essere superati in determinate condizioni.

Ogni tecnologia è in grado di trasmettere dati e potenza attraverso lo stesso cavo: Il GMSL utilizza Power over Coax (PoC) per trasportare video, audio, controllo, dati e alimentazione su un unico canale. La maggior parte delle applicazioni GigE Vision si basa su Power over Ethernet (PoE) per Ethernet a 4 coppie o, meno comunemente, su Power over Data Line (PoDL) per Single-Pair Ethernet (SPE).

I requisiti del sistema e le esigenze applicative determineranno la tecnologia di visione più appropriata. GigE Vision, ad esempio, può offrire alcuni vantaggi per le applicazioni a telecamera singola, in particolare quando sono collegate direttamente a un PC o a una piattaforma embedded con una porta Ethernet.

Quando si utilizzano più telecamere, le applicazioni GigE Vision richiedono l'uso di uno switch Ethernet dedicato, di una scheda di interfaccia di rete (NIC) con più porte Ethernet o di un switch Ethernet in CI. Questo requisito di commutazione può potenzialmente ridurre la velocità massima totale dei dati e introdurre una latenza imprevedibile tra le telecamere e il dispositivo terminale, mentre il GMSL offre un'architettura più semplice e diretta.

I dispositivi GigE Vision possono supportare una risoluzione superiore e una frequenza di fotogrammi più alta, o entrambe contemporaneamente, con buffering e compressione aggiuntivi. Il buffering e l'elaborazione dei fotogrammi non sono forniti dai dispositivi GMSL, pertanto la risoluzione e la frequenza dei fotogrammi dipendono da ciò che il sensore di immagine può supportare nell'ambito della larghezza di banda del collegamento. Gli ingegneri dovranno determinare un semplice compromesso tra risoluzione, frequenza dei fotogrammi e profondità di bit dei pixel.

GMSL semplifica l'architettura video ad alta velocità

Le telecamere GigE Vision utilizzano in genere una catena di segnali che comprende un sensore di immagine, un processore e uno strato fisico (PHY) Ethernet (Figura 1). I dati dell'immagine grezza provenienti dal sensore vengono convertiti dal processore in fotogrammi Ethernet, spesso ricorrendo alla compressione o al buffering dei fotogrammi per adattarli alla velocità dei dati della larghezza di banda Ethernet supportata.

Figura 1: Rappresentazione dei componenti chiave della catena di segnali sul lato sensore delle telecamere GigE Vision. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

La catena di segnali della telecamera GMSL utilizza un'architettura di serializzazione/deserializzazione (SerDes) che evita l'uso di un processore (Figura 2). I dati paralleli del sensore di immagine vengono invece convertiti dal serializzatore in un flusso di dati seriali ad alta velocità. Un deserializzatore converte i dati seriali in forma parallela per l'elaborazione da parte di un System-on-Chip (SoC) dell'unità di controllo elettronico (ECU).

Figura 2: Le telecamere GMSL utilizzano un'architettura della catena di segnali sul lato del sensore più semplice rispetto a GigE Vision. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

L'architettura della telecamera GMSL semplifica la progettazione di telecamere di piccole dimensioni a basso consumo energetico. I serializzatori possono collegarsi direttamente alle telecamere tramite l'interfaccia standard MIPI CSI-2 e trasmettere dati pacchettizzati tramite il collegamento GMSL.

Un dispositivo host tipico è una piattaforma embedded personalizzata con uno o più deserializzatori che trasmettono dati di immagine attraverso trasmettitori MIPI nello stesso formato dell'uscita MIPI del sensore di immagine. Per i progetti personalizzati sono necessari nuovi driver per telecamere GMSL, ma se è presente un driver per il sensore di immagine, è possibile utilizzarlo con poca ricodifica dei registri di profilo per consentire un flusso video dalle telecamere a un'unità di controllo.

Componenti GMSL

ADI offre un portafoglio completo di serializzatori e deserializzatori per supportare una varietà di interfacce. Sono caratterizzati da design PHY robusti, bassi tassi di errore di bit (BER) e compatibilità con le versioni precedenti. È possibile collegare qualsiasi protocollo video, ad esempio HDMI a Open LVDS Display Interface (oLDI).

Gli ingegneri dovranno selezionare i componenti migliori in base alle esigenze dell'applicazione, come le interfacce dei dispositivi, la velocità dati, la larghezza di banda, il consumo energetico, le condizioni ambientali e la lunghezza dei cavi. Altri fattori sono le EMI, la gestione degli errori e l'integrità del segnale. Alcuni esempi di componenti GMSL di ADI includono:

• MAX96717, un serializzatore CSI-2 a GMSL2 (Figura 3), che funziona a una velocità fissa di 3 Gbps o 6 Gbps in senso diretto e di 187,5 Mbps in senso inverso.

Figura 3: Schema del flusso di dati che utilizza i serializzatori MAX96717. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

• MAX96716A, che converte gli ingressi seriali GMSL2 doppi in MIPI CSI-2. Gli ingressi GMSL2 funzionano in modo indipendente e i dati video di entrambi possono essere aggregati per l'uscita su una singola porta CSI-2 o replicati su una seconda porta per ridondanza.
• MAX96724, un deserializzatore quad tunneling, che converte quattro ingressi GMSL 2/1 in 2 uscite MIPI D-PHY o C-PHY. Le velocità del circuito dati sono di 6/3 Gbps per GMSL2 e 3,12 Gbps per GMSL1, mentre le velocità del circuito dati in senso inverso sono di 187,5 Mbps per GMSL2 e 1 Mbps per GMSL1.
• Il deserializzatore MAX96714 converte un singolo ingresso GMSL 2/1 in un'uscita MIPI CSI-2, con una velocità fissa di 3 Gbps o 6 Gbps in senso diretto e 187,5 Mbps in senso inverso.
• MAX96751 è un serializzatore GMSL2 con ingresso HDMI 2.0 che converte HDMI in protocollo seriale GMSL2 singolo o doppio. Inoltre, consente la trasmissione full-duplex monofilare di video e dati bidirezionali.
• MAX9295D converte i flussi di dati MIPI CSI-2 a 4 porte singole o doppie in GMSL2 o GMSL1.

ADI offre anche diversi strumenti di sviluppo, come il kit di valutazione MAX96724-BAK-EVK# per i dispositivi MAX96724.

Conclusione

Grazie alla loro ridotta complessità, le telecamere GMSL sono più compatte e generalmente in grado di fornire una soluzione più economica rispetto a GigE Vision. GMSL fornisce il trasporto affidabile di video digitali ad alta risoluzione con una latenza di pochi microsecondi per una gamma crescente di applicazioni basate su telecamere e display, dall'apprendimento automatico e dalle operazioni autonome all'infotainment e alla sicurezza. Milioni di collegamenti GMSL migliorano oggi l'esperienza dei conducenti sulla strada, a riprova della loro affidabilità e delle loro prestazioni.