Utilizzare GMSL per soddisfare in modo affidabile i requisiti video industriali e automotive ad ampia larghezza di banda

Le applicazioni industriali e automotive dipendono sempre più da sistemi di imaging ad alta risoluzione che devono fornire dati video in tempo reale e ad ampia larghezza di banda in modo affidabile ed efficiente. Sebbene la GigE Vision sia ben conosciuta e ampiamente utilizzata, le esigenze delle nuove applicazioni spingono a cercare alternative. La tecnologia Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL) è una di queste alternative. Offre supporto per più telecamere, elaborazione rigorosa in tempo reale, minore complessità, determinismo, basso consumo energetico e un fattore di forma compatto.

Questo articolo offre una breve panoramica delle principali differenze tra GigE Vision e GMSL. Presenta quindi le soluzioni GMSL di Analog Devices e mostra come utilizzarle per ridurre significativamente la complessità del sistema, migliorare l'affidabilità e consentire un'efficiente trasmissione video in tempo reale.

La tecnologia di interfaccia delle telecamere e il suo impatto sulle prestazioni

Diverse tecnologie di interfaccia offrono soluzioni per estendere la distanza tra i sensori delle telecamere e il processore host per soddisfare i requisiti di base di molte applicazioni di imaging. Basato sulla tecnologia Gigabit Ethernet (GbE), lo standard di interfaccia per telecamere GigE Vision è ora ampiamente adottato. Le telecamere GigE Vision si affidano in genere a una catena di segnali composta da tre elementi: un sensore di immagine, un processore e uno strato fisico (PHY) Ethernet (Figura 1).

Figura 1: Le telecamere Ethernet utilizzano una catena di segnali basata su un processore che bufferizza ed elabora i dati del sensore di immagine prima della trasmissione. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Dal lato del sensore, le telecamere GigE Vision possono utilizzare il processore interno per supportare i protocolli di interfaccia sensoriale personalizzati. Dal punto di vista della trasmissione, grazie all'utilizzo dello standard Ethernet, le telecamere GigE Vision sono compatibili con un'ampia gamma di dispositivi host. Ad esempio, i PC e i sistemi embedded includono tipicamente una porta GbE come interfaccia standard. Se la telecamera GigE Vision supporta un driver universale, generalmente disponibile con questi sistemi, funziona come un'altra periferica plug-and-play.

Le soluzioni basate su Ethernet possono essere vantaggiose per le applicazioni con una sola telecamera, ma richiedono hardware aggiuntivo per l'uso in applicazioni con più telecamere. In genere, queste applicazioni richiedono uno switch Ethernet dedicato o una scheda di interfaccia di rete (NIC) aggiuntiva per gestire flussi di dati multipli. L'inclusione di questi dispositivi nel percorso dei dati video può potenzialmente compromettere il throughput e la latenza tra le telecamere e l'host.

In alternativa, la tecnologia GMSL di Analog Devices adotta un approccio di collegamento seriale punto-punto e si prospetta come una soluzione efficiente per le applicazioni che richiedono più telecamere con una latenza minima. Originariamente progettate per applicazioni automotive, le telecamere GMSL sono sempre più adottate al di fuori di tale settore come alternativa alle telecamere basate su Ethernet.

In un'applicazione basata su GMSL, più telecamere GMSL compatte possono collegarsi a un singolo host GMSL senza compromettere il throughput o la latenza, a condizione che il System-on-Chip (SoC) dell'host supporti l'intera larghezza di banda di tutte le telecamere (Figura 2).

Figura 2: Le applicazioni multicamera GMSL utilizzano telecamere semplici (a sinistra) con collegamenti GMSL individuali che convergono su un singolo host (a destra). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Le telecamere che utilizzano GMSL impiegano in genere una catena di segnali semplificata comprendente un sensore di immagine e un serializzatore GMSL. I serializzatori GMSL supportano due interfacce sensoriali standard:

• I dispositivi GMSL di prima generazione (GMSL1) supportano l'interfaccia parallela di segnalazione differenziale a bassa tensione (LVDS).
• I dispositivi GMSL di seconda generazione (GMSL2) e di terza generazione (GMSL3) supportano il popolare standard MIPI (Mobile Industry Processor Interface), portando all'uso di un'ampia gamma di sensori di immagine leader nelle telecamere GMSL.

Nella maggior parte delle applicazioni, i dati grezzi provenienti dal sensore di immagine vengono serializzati e inviati mediante un collegamento GMSL nel loro formato originale. Eliminando la necessità di un processore e di altri componenti di supporto, le telecamere GMSL sono più semplici da progettare e produrre. Inoltre, sono una soluzione più efficace per le applicazioni che richiedono un fattore di forma compatto e un basso consumo energetico.

L'host per un collegamento GMSL è in genere un sistema embedded personalizzato che combina uno o più deserializzatori hardware. Poche righe di codice in esecuzione sull'host sono generalmente sufficienti per accedere a questi deserializzatori hardware e acquisire i dati. Nei casi in cui esiste un driver per il sensore di immagine, gli sviluppatori devono solo impostare i registri appropriati per leggere il flusso video dalla telecamera. I kit di valutazione per dispositivi GMSL di Analog Devices includono il software necessario per accedere a questi dispositivi ed esplorarne le capacità. Per un ulteriore supporto allo sviluppo di GMSL, Analog Devices mette a disposizione un repository software open-source per la tecnologia GMSL.

Configurazioni di applicazioni multicamera

I vantaggi prestazionali di GMSL derivano dal modo in cui questa tecnologia gestisce la trasmissione di un flusso video (Figura 3).

Figura 3: Dopo l'esposizione e la lettura del sensore di immagine (in alto), una telecamera GMSL serializza e trasmette pacchetti di dati video grezzi prima di passare a uno stato di inattività fino al fotogramma successivo (al centro); una telecamera GigE Vision bufferizza, elabora e trasmette dati in fotogrammi Ethernet prima di passare a uno stato di inattività (in basso). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Per ogni fotogramma video, un sensore di immagine con otturatore totale legge i dati subito dopo il periodo di esposizione e poi passa a uno stato di inattività fino al fotogramma successivo (Figura 3, in alto).

Quando inizia il periodo di lettura della telecamera, le telecamere GMSL e GigE Vision gestiscono la trasmissione dei dati in modo diverso. Nelle telecamere GMSL, il serializzatore GMSL serializza e trasmette immediatamente i dati del sensore di immagine, quindi torna a uno stato di inattività fino al periodo di lettura successivo (Figura 3, al centro).

Nelle telecamere GigE Vision, il processore bufferizza e spesso elabora i dati prima di creare e trasmettere i fotogrammi Ethernet (Figura 3, in basso).

Capire i fattori alla base delle prestazioni di un sistema video

In pratica, le prestazioni di un sistema di telecamere dipendono da molteplici fattori, tra cui alcune di queste caratteristiche chiave:

Velocità di collegamento: sia nelle telecamere GMSL sia in quelle basate su Ethernet, la velocità massima di trasmissione dei dati (velocità di collegamento) varia a seconda del tipo di telecamera; tuttavia, ogni tipo di tecnologia per l'interfaccia si basa su una serie di velocità di collegamento fisse. Le telecamere GigE Vision basate su Ethernet rispettano gli standard Ethernet per le velocità di collegamento, che sono specificate in una serie di passi discreti, che vanno da 1 Gbit/s per le telecamere GigE Vision a 100 Gbit/s per le telecamere 100 GigE Vision di ultima generazione.

Le velocità di collegamento per GMSL variano a seconda della generazione della tecnologia. GMSL1 supporta velocità di collegamento da seriale a deserializzatore di 1,74 e 3,125 Gbit/s, mentre GMSL2 e GMSL3 rispettivamente di 6 e 12 Gbit/s.

Velocità efficace dei dati: in qualsiasi applicazione di comunicazione dati, la velocità efficace dei dati descrive la capacità di trasmissione dei dati, escludendo l'overhead del protocollo. Questo concetto si applica anche alle comunicazioni di dati video, dove la quantità efficace di dati video trasferiti è pari alla profondità di bit dei pixel × il numero di pixel nel carico utile di un pacchetto o di un fotogramma.

Le telecamere GMSL trasmettono i dati video in pacchetti. L'uso di pacchetti di dimensioni fisse nei dispositivi GMSL2 e GMSL3 determina una velocità efficace dei dati ben definita. Ad esempio, quando i dispositivi GMSL2 utilizzano un collegamento a 6 Gbit/s, la larghezza di banda video consigliata non supera i 5,2 Gbit/s. Poiché il collegamento comprende anche l'overhead del protocollo e gli intervalli di blanking dell'interfaccia MIPI del sensore, la velocità efficace dei dati di 5,2 Gbit/s rappresenta i dati aggregati di tutti i canali di dati MIPI in ingresso, non i dati puramente video.

Come altri dispositivi basati su Ethernet, le telecamere GigE Vision trasmettono i dati video in fotogrammi, utilizzando una lunghezza di fotogrammi ottimizzata per l'applicazione specifica. I fotogrammi più lunghi migliorano l'efficienza, mentre quelli più corti riducono il ritardo. L'uso di Ethernet ad alta velocità aiuta a mitigare i rischi associati all'uso di fotogrammi lunghi per risultare in una migliore velocità efficace dei dati video.

Sia le tecnologie GMSL sia quelle basate su Ethernet presentano schemi di trasmissione di tipo burst. Il tempo di burst delle telecamere GMSL dipende esclusivamente dal tempo di lettura del sensore video, quindi il rapporto di burst (tempo di burst/periodo del fotogramma) nelle applicazioni reali può potenzialmente raggiungere il 100% per supportare l'intera velocità efficace dei dati video. In un sistema di telecamere GigE Vision, il rapporto di burst è spesso basso per evitare collisioni tra i dati video e altri dati tipicamente presenti in un ambiente di rete basato su Ethernet (Figura 4).

Figura 4: Il burst di dati video di una telecamera GMSL può occupare un intero periodo del fotogramma video (in alto), mentre il burst di dati di una telecamera basata su Ethernet condivide la rete con burst di dati provenienti da altre fonti (in basso). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Risoluzione e frequenza dei fotogrammi: sia le telecamere GMSL sia quelle basate su Ethernet portano a compromessi nella risoluzione e nella frequenza dei fotogrammi – due delle specifiche più critiche per le telecamere e fattori chiave per ottenere velocità di collegamento più elevate.

Come già detto, i dispositivi GMSL non includono capacità di buffering o di elaborazione dei fotogrammi. Di conseguenza, la risoluzione e la frequenza dei fotogrammi di queste telecamere dipendono esclusivamente dalla capacità del sensore di immagine o del suo processore interno (ISP) di supportare la larghezza di banda del collegamento. In genere, le prestazioni di questi sistemi sono uno scambio diretto tra risoluzione, frequenza dei fotogrammi e profondità di bit dei pixel.

Le telecamere GigE Vision presentano un modello prestazionale più complesso che deriva dalle loro capacità interne di buffering ed elaborazione. Queste telecamere possono avere una velocità di collegamento utilizzabile più lenta rispetto alle telecamere GMSL, ma possono supportare risoluzioni più elevate e/o frequenze di fotogrammi più elevate, con buffering e compressione aggiuntivi.

Latenza: nelle applicazioni automotive e industriali, il funzionamento affidabile del sistema e la sicurezza degli utenti dipendono dalla capacità di acquisire ed elaborare i dati del flusso video in tempo reale con una latenza minima e deterministica.

Nelle telecamere basate su Ethernet, le capacità interne di buffering e di elaborazione che supportano risoluzioni e frequenze di fotogrammi più elevati possono compromettere le prestazioni di latenza e la risposta deterministica. Con queste telecamere, tuttavia, la latenza a livello di sistema potrebbe non essere sempre più lunga, in quanto le capacità di elaborazione interna delle telecamere possono portare a una pipeline di immagini più efficiente.

La latenza delle telecamere GMSL è più semplice da analizzare. I sistemi di telecamere GMSL hanno una breve catena di segnali dall'uscita del sensore di immagine all'ingresso del SoC ricevente (vedere di nuovo la Figura 2). Poiché questa catena di segnali trasmette semplicemente i dati video grezzi da un serializzatore sul lato sensore a un deserializzatore sul lato ricevente, la latenza dei dati video rimane minima e deterministica.

Le funzionalità aggiuntive della tecnologia GMSL migliorano le applicazioni

Distanza di trasmissione: i serializzatori e deserializzatori GMSL sono solitamente progettati nei veicoli per passeggeri per trasmettere dati fino a 15 metri utilizzando cavi coassiali. In pratica, le distanze di trasmissione possono superare i 15 m, a condizione che l'hardware della telecamera sia conforme alle specifiche del canale GMSL/¹ I dispositivi GMSL avanzati, come il serializzatore GMSL MAX9295DGTM/VY+T e il deserializzatore GMSL MAX96716AGTM-VY di Analog Devices, utilizzano funzionalità di equalizzazione adattiva che consente di utilizzare cavi coassiali di lunghezza superiore a 15 m.

Alimentazione su cavo coassiale (PoC): la tecnologia GMSL supporta la trasmissione di alimentazione e dati sullo stesso cavo. Questa funzionalità PoC è in genere utilizzata sempre nelle applicazioni con telecamere che utilizzano il cavo coassiale e richiede solo pochi componenti passivi per completare un circuito PoC. In tale configurazione, l'alimentazione e i dati viaggiano su un unico filo del collegamento.

Controllo delle periferiche e connettività del sistema: la tecnologia GMSL è progettata per supportare collegamenti dedicati a telecamere o display, piuttosto che un'ampia varietà di dispositivi periferici. Tuttavia, i dispositivi GMSL spesso forniscono il supporto di connettività per le interfacce standard. Ad esempio, MAX9295DGTM/VY+T e MAX96716AGTM-VY di Analog Devices supportano il tunneling o la modalità pass-through di più interfacce standard, tra cui le interfacce GPIO, I²C e SPI. Per le applicazioni complesse che impiegano telecamere GMSL, gli sviluppatori utilizzano in genere interfacce a velocità inferiore, come un bus Controller Area Network (CAN) per lo scambio di segnali di controllo o altri dati.

Attivazione e sincronizzazione della telecamera: con i dispositivi GMSL, il tunneling GPIO e I²C avviene entro pochi microsecondi sia nei canali in avanti e indietro. Questa capacità consente di generare segnali di attivazione sia dal sensore di immagine sul lato serializzatore che dal SoC sul lato deserializzatore, supportando una serie di requisiti di attivazione e sincronizzazione a bassa latenza.

Conclusione

Mentre GigE Vision ha un ruolo di spicco nell'imaging industriale e automotive, la tecnologia GMSL si prospetta come una soluzione robusta per le applicazioni che richiedono latenza minima, bassa complessità, fattori di forma compatti e determinismo. Realizzati con i serializzatori e deserializzatori GMSL di Analog Devices, i sistemi di telecamere basati su GMSL portano a progetti semplificati in applicazioni multicamera, mantenendo le prestazioni richieste negli ambienti in tempo reale più esigenti.

Riferimento

1. Manuale dell'utente delle specifiche di un canale GMSL2 (in inglese)