Gigabit Multimedia Serial Link-Kameras als Alternative zu GigE Vision-Kameras

Abstrakt

Gigabit Multimedia Serial Link™ (GMSL™) und Gigabit Ethernet (GigE) sind zwei beliebte Verbindungstechnologien für Kameraanwendungen, die häufig in unterschiedlichen Endmärkten eingesetzt werden. Dieser Artikel führt eine vergleichende Analyse der beiden Technologien in Bezug auf Systemarchitekturen, Hauptmerkmale und Einschränkungen durch. Er erläutert die Grundlagen beider Technologien und bietet Einblicke, warum GMSL-Kameras eine starke Alternative zu GigE Vision®-Kameras darstellen.

Hintergrund

GigE Vision ist ein Netzwerk-Kameraschnittstellenstandard, der auf Ethernet-Infrastrukturen und -Protokollen basiert. Er ist im industriellen Bereich weit verbreitet. Die GMSL-Technologie (Gigabit Multimedia Serial Link) von Analog Devices ist eine Punkt-zu-Punkt-Serienverbindungstechnologie, die speziell für die Übertragung von Videodaten entwickelt wurde und ursprünglich für Kamera- und Display-Anwendungen im Automobilbereich konzipiert war.   Beide Technologien dienen dem Zweck, die Reichweite der Videodaten von Bildsensoren zu erweitern, wobei jede Lösung ihre eigenen spezifischen Merkmale aufweist. Im Laufe der Jahre haben wir einen zunehmenden Einsatz von GMSL-Kameras außerhalb des Automobilbereichs beobachtet, oft als Alternative zu GigE-Vision-Kameras.

Typische Systemarchitektur

Bildsensorverbindung

GigE-Vision-Kameras (wie in Abbildung 1 gezeigt) bestehen in der Regel aus drei Hauptkomponenten in ihrer Signalverarbeitungskette – einem Bildsensor, einem Prozessor und einem Ethernet-PHY. Der Prozessor wandelt die Rohbilddaten des Bildsensors in Ethernet-Frames um, wobei der Prozess normalerweise Bildverarbeitung und -kompression oder Frame-Buffering beinhaltet, um die Datenrate an die von Ethernet unterstützte Bandbreite anzupassen.

Das Signalweg von GMSL-Kameras (siehe Abbildung 2) ist typischerweise einfacher, da er normalerweise nur aus einem Bildsensor und einem Serializer besteht. In typischen Anwendungen konvertiert der Serializer die Rohdaten vom Bildsensor und sendet sie anschließend im ursprünglichen Format über die Verbindung. Ohne die Notwendigkeit eines Prozessors sind diese Kameras einfacher zu entwickeln und besser geeignet für Anwendungen, die eine kleine Kamera-Bauform und einen geringen Stromverbrauch erfordern.  

Verbindung zum Host-Prozessor

GigE-Vision-Kameras sind in der Industrie aufgrund ihrer Kompatibilität mit einer Vielzahl von Host-Geräten gut akzeptiert. Ein Gigabit-Ethernet-Anschluss ist praktisch eine Standardausstattung bei Personal Computern (PCs) oder eingebetteten Plattformen. Einige der GigE-Vision-Kameras können mit einem universellen Treiber verwendet werden, um ein echtes Plug-and-Play-Erlebnis zu bieten.   GMSL-Kameras erfordern auf der Host-Seite Deserialisierer. In den meisten Anwendungsfällen ist das Host-Gerät eine kundenspezifische eingebettete Plattform mit einem oder mehreren Deserialisierern. Die Deserialisierer übertragen Bilddaten über ihren MIPI-Transmitter im ursprünglichen Format des MIPI-Ausgangs des Bildsensors. Für diese Kameras ist ein Kameratreiber erforderlich, der auf jedes spezifische Kameradesign zugeschnitten ist, ähnlich wie bei anderen MIPI-Kameras. Wenn jedoch bereits ein Treiber für den Bildsensor existiert, sind nur wenige Profilregister oder Registerschreibvorgänge für das SerDes-Paar erforderlich, um einen Videostream von den Kameras zum SoC zu erhalten.   Wird nur eine Kamera verwendet, kann GigE Vision in Bezug auf die Systemkomplexität einige Vorteile gegenüber GMSL haben, da eine direkte Verbindung zu einem PC oder einer eingebetteten Plattform mit Ethernet-Anschluss möglich ist. Werden jedoch mehrere GigE-Kameras eingesetzt, ist ein Ethernet-Switch erforderlich. Dies kann ein dediziertes Ethernet-Switch-Gerät, eine Netzwerkkarte (NIC) mit mehreren Ethernet-Ports oder ein Ethernet-Switch-IC zwischen mehreren Ethernet-Ports und dem SoC sein. In einigen Fällen führt dies zu einer reduzierten maximalen Gesamtdatenrate und, schlimmer noch, zu unvorhersehbarer Latenz, abhängig von der Schnittstelle zwischen den Kameras und dem Endgerät. Siehe Abbildung 3.

In einem GMSL-Kamerasystem kann ein Deserializer mit seinem MIPI C-PHY- oder D-PHY-Transmitter bis zu vier Verbindungen unterstützen, um die volle Bandbreite aller vier Kameras zu gewährleisten. Solange das SoC die gesamte Datenrate verarbeiten kann, würde die Verwendung eines oder mehrerer GMSL-Geräte die Bandbreite nicht beeinträchtigen oder die Systemkomplexität erheblich erhöhen.

Funktionsvergleich: Schnittstelle für Sensoren

GMSL-Serialisierer unterstützen nur parallele LVDS- (GMSL1) und MIPI- (GMSL2/GMSL3) Sensor-Schnittstellen. Da MIPI die beliebteste Bildsensor-Schnittstelle für Verbraucher- und Automobilkameras ist, kann eine breite Palette von Bildsensoren in eine GMSL-Kamera integriert werden. Die GigE-Vision-Kameras sind jedoch aufgrund des im Inneren der Kamera verwendeten Prozessors in der Sensor-Schnittstelle einfach vielseitiger.

Videospezifikationen: Funktionsweise

Abbildung 5 zeigt ein Beispiel für ein Timing-Diagramm, das veranschaulicht, wie Daten von einem Bildsensor zu einer GMSL-Verbindung oder einem GigE-Netzwerk in einem kontinuierlichen Video-Stream übertragen werden.

In jedem Frame eines Videostreams sendet ein Bildsensor die Daten unmittelbar nach der Belichtungszeit aus und geht dann in einen Ruhezustand, bevor das nächste Frame beginnt. Das Beispieldiagramm stellt einen Global-Shutter-Sensor besser dar. Bei einem Rolling-Shutter-Sensor gibt es auf Frame-Ebene eine Überschneidung zwischen der Belichtungs- und der Auslesezeit, da Belichtung und Auslese jeweils individuell pro Zeile gesteuert werden.   GMSL-Serializer auf der Sensorseite serialisieren die Daten von den Bildsensoren und übertragen sie sofort über ihr proprietäres Protokoll zur Verbindung.   Der Prozessor in GigE-Vision-Kameras puffert und verarbeitet sehr häufig die Daten von den Bildsensoren, bevor er die Videodaten in Ethernet-Frames arrangiert und sie an das Netzwerk sendet.  

Linkrate

Die Linkrate gibt die theoretisch maximale Geschwindigkeit der Datenübertragung über eine Verbindung an und ist oft die entscheidende Spezifikation, wenn verschiedene Datenübertragungstechnologien miteinander verglichen werden. GMSL2, GMSL3 und GigE Vision verwenden alle diskrete, feste Linkraten.   GMSL2 unterstützt Datenraten von 3 Gbps und 6 Gbps. GMSL3 unterstützt eine Datenrate von 12 Gbps, und alle GMSL3-Geräte sind rückwärtskompatibel mit den GMSL2-Geräten, die GMSL2-Protokolle verwenden.   GigE Vision folgt den Ethernet-Standards. GigE-, 2,5-GigE-, 5-GigE- und 10-GigE-Vision-Kameras werden häufig in üblichen Anwendungen eingesetzt. Wie die Namen bereits andeuten, unterstützen sie jeweils Linkraten von 1 Gbps bis zu 10 Gbps. Die modernsten GigE-Vision-Kameras unterstützen 100 GigE mit einer Linkrate von 100 Gbps.1 Für GigE Vision werden alle Protokolle mit höherer Geschwindigkeit rückwärtskompatibel zu Protokollen mit geringerer Geschwindigkeit sein.   Obwohl die Linkrate eng mit der Videoauflösung, der Bildrate und der Latenz verbunden ist, ist es schwierig, einen direkten Vergleich zwischen den beiden Technologien allein auf Basis der Linkrate anzustellen.

Effektive Videodatenrate

In der Datenkommunikation beschreibt die effektive Datenrate die Datenübertragungskapazität ohne das Protokoll-Overhead, und dieses Konzept gilt auch für die Videodatenkommunikation. In der Regel entspricht die effektive Menge der übertragenen Videodaten der Pixeltiefe × der Pixelanzahl in einem Paket oder Frame. Abbildung 6 veranschaulicht die Beziehung zwischen den effektiven Videodaten und dem Overhead.

GMSL überträgt Videodaten in Paketen. GMSL2- und GMSL3-Geräte verwenden feste Paketgrößen, daher ist die effektive Videodatenrate ebenfalls genau definiert. Nehmen wir GMSL2-Geräte als Beispiel. Wenn die Verbindung auf 6 Gbps eingestellt ist, wird empfohlen, eine Videobandbreite von maximal 5,2 Gbps zu verwenden. Da die Verbindung jedoch auch etwas Overhead und die Leerlaufzeit der MIPI-Sensor-Schnittstelle enthält, spiegeln 5,2 Gbps die aggregierte Datenrate aller Eingangs-MIPI-Datenleitungen wider, anstatt 5,2 Gb Videodaten pro Sekunde.   Ethernet überträgt Daten in Frames. GigE Vision hat keine standardisierte Framegröße, und es ist normalerweise Teil der Softwarelösung, Abwägungen zwischen Effizienz (Vorteil langer Frames) und geringer Verzögerung (Vorteil kurzer Frames) zu treffen. Für diese Kameras beträgt der Overhead normalerweise nicht mehr als 5 %. Höhere Ethernet-Geschwindigkeiten verringern die Risiken bei der Verwendung langer Frames, um eine bessere effektive Videodatenrate zu erzielen.   Beide Technologien übertragen Daten auf eine stoßartige Weise. Dadurch kann die durchschnittliche Datenrate über einen längeren Zeitraum (über einen Videoframe oder länger) sogar niedriger sein als die effektive Videodatenrate während der Übertragung. Bei GMSL-Kameras hängt die Stoßzeit ausschließlich von der Auslesezeit des Bildsensors ab, und das Stoßverhältnis kann in realen Anwendungen möglicherweise 100 % erreichen, um die volle effektive Videodatenrate zu unterstützen. GigE Vision-Kameras könnten in komplexeren und unvorhersehbaren Netzwerkumgebungen eingesetzt werden, in denen das Stoßverhältnis häufig niedrig ist, um Datenkollisionen zu vermeiden. Siehe Abbildung 7 als Beispiel.

Auflösung und Bildrate

Auflösung und Bildrate sind die beiden wichtigsten Spezifikationen für Videokameras, und sie sind die entscheidenden Treiber für höhere Linkraten. Bei diesen Spezifikationen haben beide Technologien ihre Vor- und Nachteile.   GMSL-Geräte bieten keine Frame-Pufferung und -Verarbeitung. Auflösung und Bildrate hängen vollständig davon ab, was der Bildsensor oder der ISP (Image Signal Processor) von der Sensorseite innerhalb der Link-Bandbreite unterstützen kann. Es handelt sich in der Regel um einen einfachen Kompromiss zwischen Auflösung, Bildrate und Pixel-Bittiefe.   Das Modell von GigE Vision ist komplexer. Obwohl seine nutzbare Linkrate in vielen Fällen langsamer ist als die von GMSL, kann es eine höhere Auflösung, eine höhere Bildrate oder beides gleichzeitig mit zusätzlicher Pufferung und Kompression unterstützen. Allerdings geht dies mit Kosten für Latenz, Stromverbrauch und teure Komponenten auf beiden Seiten des Kamerasystems einher. In einigen weniger häufigen Anwendungsfällen übertragen diese Kameras auch rohe Bilddaten mit einer niedrigeren Bildrate.

Latenz

Latenz ist eine weitere wichtige Spezifikation von Videokameras, insbesondere in Anwendungen, die Daten verarbeiten und in Echtzeit Entscheidungen treffen.   GMSL-Kamerasysteme weisen eine geringe und deterministische Latenz vom Eingang des Serialisierers/Ausgang des Sensors bis zum Ausgang des Deserialisierers/Eingang des empfangenden SoCs auf.   GigE Vision-Kameras haben in der Regel eine höhere und indeterministische Latenz aufgrund der Verarbeitung in der Kamera und des komplexeren Netzwerkverkehrs. Dies führt jedoch nicht immer zu einer längeren Systemlatenz, insbesondere wenn die Verarbeitung auf Kameraseite als Teil der Systembildpipeline zählt und spezifischer sowie effizienter ist.

Weitere Funktionen: Übertragungsreichweite

GMSL-Serializer und -Deserializer sind dafür ausgelegt, Daten über Koaxialkabel in Passagierfahrzeugen bis zu einer Distanz von 15 Metern zu übertragen. Die Übertragungsdistanz ist jedoch nicht auf 15 Meter begrenzt, sofern das Kamera-Hardwaresystem der GMSL-Kanalspezifikation entspricht.   GigE Vision verwendet das Ethernet-Protokoll, das Daten über Kupferkabel bis zu 100 Meter oder sogar weiter über Glasfaserkabel übertragen kann, wobei jedoch einige Funktionen wie Power over Ethernet (PoE) verloren gehen können.

PoC und PoE/PoDL

Beide Technologien sind in der Lage, Leistung und Daten durch dasselbe Kabel zu übertragen. GMSL verwendet Power over Coax (PoC), und GigE Vision nutzt PoE für 4-adriges Ethernet sowie Power over Data Line (PoDL) für Single-Pair-Ethernet (SPE). Die meisten GigE-Vision-Kameras verwenden die herkömmlichen 4-adrigen Leitungen mit PoE.   PoC ist unkompliziert und wird in der Regel standardmäßig für Kameraanwendungen mit einer Koaxial-Konfiguration eingesetzt. In dieser Konfiguration stammen Strom und Daten über die Verbindung von einem einzigen Kabel, und es sind nur wenige passive Komponenten für die PoC-Schaltungen erforderlich.   PoE-Schaltungen, die eine Datenrate von 1 Gbit/s oder höher unterstützen, erfordern eine spezielle Schaltung mit aktiven Komponenten sowohl auf der Kamera- als auch auf der Host- (oder Switch-)Seite. Dies macht die PoE-Funktion teurer und weniger zugänglich. Es ist üblich, dass GigE-Vision-Kameras, die PoE unterstützen, auch eine lokale, externe Stromversorgungsoption bieten.

Peripheriesteuerung und Systemkonnektivität

GMSL, als dedizierte Kamera- oder Display-Verbindung, ist nicht dafür ausgelegt, eine Vielzahl von Peripheriegeräten zu unterstützen. In typischen GMSL-Kameraanwendungen überträgt die Verbindung Steuersignale (UART, I2C und SPI), um nur mit Kamera-Peripheriegeräten wie Temperatursensoren, Umgebungslichtsensoren, IMUs, LED-Controllern usw. zu kommunizieren. Größere Systeme, die GMSL als Kameraschnittstelle verwenden, verfügen in der Regel über andere niedrigere Geschwindigkeits-Schnittstellen wie CAN und Ethernet, um mit anderen Geräten zu kommunizieren.   GigE-Vision-Kameras übernehmen normalerweise die Steuerung von Kamera-Peripheriegeräten mit ihrem integrierten Prozessor. Als eine beliebte Verbindungslösung für industrielle Anwendungen gibt es mehrere Standardprotokolle für industrielles Ethernet, die eine Vielzahl von Maschinen und Geräten unterstützen. GigE-Vision-Kameras verbinden sich direkt mit dem Netzwerk über ihre Software- und Hardware-Schnittstellen.

Kameraauslösung und Zeitstempelung

```html GMSL-Verbindungen unterstützen eine Niedriglatenz-GPIO- und I2C-Tunneling-Verarbeitung im Mikrosekundenbereich sowohl über die Vorwärts- als auch die Rückwärtskanäle, um unterschiedliche Kameraauslöse-/Synchronisationskonfigurationen zu ermöglichen. Die Quelle des Triggersignals in einem GMSL-Kamerasystem kann entweder vom SoC auf der Deserialisierungsseite oder einem der Bildsensoren auf der Serialisierungsseite stammen.   GigE-Vision-Kameras bieten in der Regel Auslöseoptionen sowohl in Hardware als auch in Software über einen dedizierten Pin/Port oder ein Ethernet-Auslöse-/Synchronisationspaket. In typischen Anwendungen wird ein Hardware-Trigger als Standardansatz verwendet, um eine reaktionsschnelle und präzise Synchronisation mit anderen Kameras oder nicht-kamerabasierten Geräten zu ermöglichen. Das Hauptproblem bei der Software-Auslösung dieser Kameras ist die Netzwerkverzögerung. Obwohl Protokolle verfügbar sind, um die Synchronisationsgenauigkeit zu verbessern, sind diese entweder nicht genau genug (Network Time Protocol (NTP), synchronisiert im Millisekundenbereich) oder nicht kosteneffektiv (Precision Time Protocol (PTP), synchronisiert im Mikrosekundenbereich, erfordert jedoch kompatible Hardware).   Wenn ein Synchronisationsprotokoll in einem Ethernet-Netzwerk verwendet wird, können alle Geräte im selben Netzwerk, einschließlich GigE-Vision-Kameras, Zeitstempel in derselben Taktdomäne bereitstellen.   GMSL verfügt nicht über Zeitstempelfunktionen. Einige Bildsensoren können einen Zeitstempel über den eingebetteten MIPI-Header bereitstellen, dieser ist jedoch üblicherweise nicht mit anderen Geräten auf höherer Systemebene verknüpft. In einigen Systemarchitekturen verbindet sich der GMSL-Deserializer mit einem SoC, das an ein PTP-Netzwerk angeschlossen ist, um eine zentralisierte Uhr zu verwenden. Wenn diese Funktion erforderlich ist, verwenden Sie bitte AD-GMSL2ETH-SL als Referenz. ```

Fazit

Zusammenfassend (siehe Tabelle 1) ist GMSL eine starke Alternative oder ein Ersatz für die bestehenden GigE Vision-Lösungen. Im Vergleich zu GigE Vision Kameras können GMSL Kameras oft gleichwertige oder bessere Übertragungsraten und Funktionen bieten, bei gleichzeitig niedrigeren Kosten, geringerem Stromverbrauch und einer einfacheren Systemarchitektur mit einer kleineren Systemgröße. Darüber hinaus wurde GMSL ursprünglich für Automotive-Anwendungen entwickelt und von Automobilingenieuren über Jahrzehnte hinweg in anspruchsvollen Umgebungen validiert. Es bietet Ingenieuren und Systemarchitekten Sicherheit bei der Systementwicklung, bei der Zuverlässigkeit und funktionale Sicherheit von entscheidender Bedeutung sind.