Cámaras Gigabit Multimedia Serial Link como alternativa a las cámaras GigE Vision

Resumen

El Gigabit Multimedia Serial Link™ (GMSL™) y el Gigabit Ethernet (GigE) son dos tecnologías de enlace populares para aplicaciones de cámaras que se suelen encontrar en diferentes mercados finales. Este artículo realiza un análisis comparativo de las dos tecnologías en cuanto a arquitecturas de sistemas, características clave y limitaciones. Ayudará a explicar los fundamentos de ambas tecnologías y proporcionará perspectivas sobre por qué las cámaras GMSL son una fuerte alternativa a las cámaras GigE Vision®.

Antecedentes

GigE Vision es un estándar de interfaz para cámaras de red basado en infraestructuras y protocolos Ethernet. Es ampliamente adoptado en el ámbito industrial. El GMSL de Analog Devices es una tecnología de enlace serie punto a punto dedicada a la transmisión de datos de video y fue originalmente diseñada para aplicaciones de cámaras y pantallas automotrices.   Ambas tecnologías tienen el propósito de ampliar el alcance de los datos de video desde los sensores de imagen, mientras que cada solución posee características únicas. A lo largo de los años, hemos visto cómo más cámaras GMSL se han adoptado fuera del ámbito automotriz, a menudo como una alternativa a las cámaras GigE Vision.

Arquitectura típica del sistema

Conexión del sensor de imagen

Las cámaras GigE Vision (mostradas en la Figura 1) suelen estar compuestas por tres componentes principales en su cadena de señales: un sensor de imagen, un procesador y un Ethernet PHY. El procesador convierte los datos de imagen crudos provenientes del sensor de imagen en tramas Ethernet, y el proceso generalmente incluye procesamiento y compresión de imágenes o almacenamiento en búfer de tramas para ajustar la tasa de datos al ancho de banda compatible con Ethernet.

La cadena de señal de las cámaras GMSL (mostrada en la Figura 2) es típicamente más sencilla, ya que solo incluye un sensor de imagen y un serializador. En aplicaciones típicas, el serializador convierte los datos en bruto provenientes del sensor de imagen y luego los envía a través del enlace en su formato original. Sin la necesidad de un procesador, estas cámaras son más fáciles de diseñar y más adecuadas para aplicaciones que requieren un formato compacto de cámara y bajo consumo de energía.  

Conexión del procesador anfitrión

Las cámaras GigE Vision son ampliamente aceptadas en la industria por su compatibilidad con una gran variedad de dispositivos host. El puerto Ethernet Gigabit es casi un estándar en las computadoras personales (PCs) o plataformas embebidas. Algunas cámaras GigE Vision pueden funcionar con un controlador universal para una experiencia de conexión y uso inmediato ("plug-and-play").   Las cámaras GMSL requieren deserializador(es) en el lado del host. En la mayoría de los casos, el dispositivo host es una plataforma embebida personalizada con uno o varios deserializadores. Los deserializadores transmitirán los datos de imagen a través de su(s) transmisor(es) MIPI en el formato original de la salida MIPI del sensor de imagen. Para estas cámaras, se requiere un controlador de cámara específico para cada diseño de cámara personalizado, al igual que cualquier otra cámara MIPI. Sin embargo, si existe un controlador ya disponible para el sensor de imagen, solo se necesitan unos pocos registros de perfil o algunas escrituras de registros para que el par SerDes obtenga un flujo de video desde las cámaras hacia el SoC.   Cuando se utiliza una única cámara, GigE Vision puede tener algunas ventajas sobre GMSL en términos de complejidad del sistema, ya que puede conectarse directamente a una PC o a una plataforma embebida con un puerto Ethernet. Sin embargo, cuando se utilizan múltiples cámaras GigE, se requiere un conmutador Ethernet. Este puede ser un dispositivo dedicado de conmutador Ethernet, una tarjeta de interfaz de red (NIC) con múltiples puertos Ethernet, o un circuito integrado (IC) de conmutador Ethernet entre varios puertos Ethernet y el SoC. En algunos casos, esto resultará en una velocidad máxima total de datos reducida y, peor aún, una latencia impredecible dependiendo de la interfaz entre las cámaras y el dispositivo terminal. Ver Figura 3.

En un sistema de cámara GMSL, un deserializador puede conectarse a hasta cuatro enlaces con su transmisor MIPI C-PHY o D-PHY para soportar el ancho de banda completo de las cuatro cámaras. Mientras el SoC pueda manejar la tasa total de datos, el uso de uno o múltiples dispositivos GMSL no comprometerá el ancho de banda ni aumentará demasiado la complejidad del sistema.

Comparación de características: Interfaz de sensor

Los serializadores GMSL solo son compatibles con interfaces de sensores LVDS paralelas (GMSL1) y MIPI (GMSL2/GMSL3). Dado que MIPI es la interfaz de sensor de imagen más popular para cámaras de consumo y automotrices, una amplia variedad de sensores de imagen pueden integrarse en una cámara GMSL. Sin embargo, las cámaras GigE Vision son más versátiles en la interfaz de sensores debido al procesador utilizado dentro de la cámara.

Especificaciones del video: Teoría de operación

La Figura 5 muestra un ejemplo de diagrama de tiempo sobre cómo se transmiten los datos desde un sensor de imagen a un enlace GMSL o una red GigE en un flujo de video continuo.

En cada fotograma de una transmisión de video, un sensor de imagen envía datos inmediatamente después del período de exposición y luego pasa a un estado de reposo antes de que comience el siguiente fotograma. El diagrama de ejemplo representa mejor un sensor de obturador global. En el caso de un sensor de obturador rodante, habrá una superposición entre el período de exposición y la lectura a nivel de fotograma, ya que la exposición y la lectura se controlan individualmente por fila.   Los serializadores GMSL en el lado del sensor serializan los datos del/de los sensor(es) de imagen y los transmiten inmediatamente al enlace mediante su protocolo propietario.   El procesador en las cámaras GigE Vision almacenará temporalmente y, muy a menudo, procesará los datos del/de los sensor(es) de imagen antes de organizar los datos de video en tramas Ethernet y enviarlos a la red.  

Tasa de enlace

La tasa de enlace especifica la velocidad máxima teórica de transmisión de datos en un enlace y a menudo es la especificación clave cuando se comparan diferentes tecnologías de enlace de datos entre sí. GMSL2, GMSL3 y GigE Vision utilizan tasas de enlace discretas y fijas.   GMSL2 soporta tasas de datos de 3 Gbps y 6 Gbps. GMSL3 soporta una tasa de datos de 12 Gbps, y todos los dispositivos GMSL3 son compatibles con los dispositivos GMSL2 utilizando protocolos GMSL2.   GigE Vision sigue los estándares de Ethernet. Las cámaras GigE, 2.5 GigE, 5 GigE y 10 GigE Vision se encuentran comúnmente en aplicaciones habituales. Como sus nombres indican, soportan desde 1 Gbps hasta 10 Gbps de tasa de enlace, respectivamente. La cámara de última generación GigE Vision soportará 100 GigE con una tasa de enlace de 100 Gbps.1 Para GigE Vision, todos los protocolos de mayor velocidad brindan compatibilidad retroactiva con los protocolos de menor velocidad.   Aunque la tasa de enlace está fuertemente asociada con la resolución de video, la tasa de fotogramas y la latencia, es difícil realizar una comparación directa entre las dos tecnologías solo basándose en la tasa de enlace.

Tasa de datos de video efectiva

En las comunicaciones de datos, la tasa de datos efectiva describe la capacidad de la tasa de datos excluyendo la sobrecarga del protocolo, y este concepto también se aplica a las comunicaciones de datos de video. Por lo general, la cantidad efectiva de datos de video transferidos es la profundidad de bits por píxel × el número de píxeles en un paquete o fotograma. La Figura 6 ilustra la relación entre los datos de video efectivos y la sobrecarga.

GMSL transmite datos de video en paquetes. Los dispositivos GMSL2 y GMSL3 utilizan tamaños de paquetes fijos, por lo que la tasa de datos de video efectiva también está bien definida. Tomemos como ejemplo los dispositivos GMSL2. Cuando el enlace está configurado a 6 Gbps, se recomienda usar un ancho de banda de video de no más de 5.2 Gbps. Sin embargo, dado que el enlace también transporta cierto overhead y tiempo de blanking desde la interfaz MIPI de los sensores, los 5.2 Gbps reflejan la tasa de datos agregada de todos los carriles de datos MIPI de entrada en lugar de 5.2 Gb de datos de video por segundo.   Ethernet transmite datos en frames. GigE Vision no tiene un tamaño estándar de frame, y usualmente forma parte del balance de la solución de software para mejorar la eficiencia (beneficio de frames largos) o reducir el retraso (beneficio de frames cortos). Para estas cámaras, el overhead generalmente no supera el 5%. Ethernet de mayor velocidad reducirá los riesgos de usar frames largos para lograr una mejor tasa de datos de video efectiva.   Ambas tecnologías transmiten datos de manera intermitente. Como resultado, la tasa promedio de datos durante un período más largo (durante un frame de video o más) puede ser incluso menor que la tasa efectiva de datos de video durante la transmisión. Para las cámaras GMSL, el tiempo de ráfaga depende únicamente del tiempo de lectura del sensor de imagen, y la relación de ráfaga en aplicaciones reales podría alcanzar el 100% para soportar su tasa de datos de video efectiva completa. Las cámaras GigE Vision pueden usarse en un entorno de red más complejo e impredecible, en cuyo caso la relación de ráfaga suele ser baja para evitar colisiones de datos. Consulte la Figura 7 como ejemplo.

Resolución y tasa de fotogramas

La resolución y la tasa de fotogramas son las dos especificaciones más importantes para cámaras de video, y son los factores clave para tasas de enlace más altas. En cuanto a estas especificaciones, ambas tecnologías tienen sus ventajas y desventajas.   Los dispositivos GMSL no ofrecen almacenamiento en búfer ni procesamiento de fotogramas. La resolución y la tasa de fotogramas dependen completamente de lo que el sensor de imagen o el ISP desde el lado del sensor pueda soportar dentro del ancho de banda del enlace, y generalmente implican una simple compensación entre resolución, tasa de fotogramas y profundidad de bits de píxel.   El modelo de GigE Vision es más complejo. Aunque su tasa de enlace utilizable, en muchos casos, es más lenta que la de GMSL, puede admitir mayor resolución, una tasa de fotogramas más alta, o ambas al mismo tiempo mediante almacenamiento en búfer adicional y compresión. Sin embargo, todo esto conlleva el costo de latencia, consumo de energía y componentes caros en ambos lados del sistema de cámara. En algunos casos menos comunes, estas cámaras también transmiten datos de imagen sin procesar a una tasa de fotogramas más baja.

Latencia

La latencia es otra especificación clave de las cámaras de video, especialmente en aplicaciones que procesan datos y toman decisiones en tiempo real.   Los sistemas de cámaras GMSL tienen una latencia baja y determinista desde la entrada del serializador/salida del sensor hasta la salida del deserializador/entrada del SoC receptor.   Las cámaras GigE Vision suelen tener una latencia más alta e indeterminista debido al procesamiento interno de la cámara y al tráfico de red más complicado. Sin embargo, esto no siempre conduce a una mayor latencia a nivel del sistema, especialmente cuando el procesamiento en el lado de la cámara se considera parte de la canalización de imágenes del sistema y es más dedicado y eficiente.

Otras características: Distancia de transmisión

Los serializadores y deserializadores GMSL están diseñados para transmitir datos hasta 15 metros utilizando cables coaxiales en vehículos de pasajeros. Sin embargo, la distancia de transmisión no está limitada a 15 metros siempre que el sistema de hardware de la cámara cumpla con la Especificación del Canal GMSL.   GigE Vision utiliza el protocolo Ethernet, que puede transmitir datos hasta 100 metros utilizando cables de cobre, o incluso a mayores distancias mediante fibras ópticas, aunque podría perder algunas características como Power over Ethernet (PoE).

PoC y PoE/PoDL

Ambas tecnologías son capaces de transmitir potencia y datos a través del mismo cable. GMSL utiliza Power over Coax (PoC) y GigE Vision utiliza PoE para Ethernet de 4 pares y Power over Data Line (PoDL) para Ethernet de un solo par (SPE). La mayoría de las cámaras GigE Vision emplean los cables tradicionales de 4 pares con PoE.   PoC es sencillo y suele utilizarse por defecto para aplicaciones de cámaras con una configuración de cable coaxial. En esta configuración, la energía y los datos en el enlace provienen de un solo cable y solo se requieren unos pocos componentes pasivos para los circuitos de PoC.   Los circuitos PoE que admiten una tasa de datos de 1 Gbps o más requieren circuitos dedicados con componentes activos tanto en el lado de la cámara como en el lado del anfitrión (o switch). Esto hace que la función PoE sea más costosa y menos accesible. Es común que las cámaras GigE Vision que admiten PoE también dispongan de una opción de suministro local externo.

Control periférico y conectividad del sistema

GMSL, como un enlace dedicado para cámaras o pantallas, no está diseñado para admitir una amplia variedad de dispositivos periféricos. En aplicaciones típicas de cámaras GMSL, el enlace transmite señales de control (UART, I2C y SPI) para comunicarse únicamente con periféricos de cámaras tales como sensores de temperatura, sensores de luz ambiental, unidades de medición inercial (IMU), controladores de LED, etc. Los sistemas más grandes que utilizan GMSL como interfaz para cámaras generalmente cuentan con otras interfaces de menor velocidad, como CAN y Ethernet, para comunicarse con otros dispositivos.   Las cámaras GigE Vision normalmente gestionan el control de periféricos de cámara con su procesador integrado. Al ser una solución de conectividad popular para aplicaciones industriales, existen varios protocolos estándar para Ethernet industrial que admiten una amplia variedad de máquinas y equipos. Las cámaras GigE Vision se conectan directamente a la red mediante sus interfaces de software y hardware.

Activación de la cámara y marca de tiempo

Los enlaces GMSL admiten la transmisión de GPIO e I2C de baja latencia en el orden de microsegundos, tanto en los canales directos como inversos, para soportar diferentes configuraciones de activación/sincronización de cámaras. La fuente de la señal de activación en un sistema de cámara GMSL puede ser el SoC en el lado del deserializador o uno de los sensores de imagen en el lado del serializador.   Las cámaras GigE Vision suelen ofrecer opciones de activación tanto en hardware como en software mediante un pin/puerto dedicado o un paquete de activación/sincronización por Ethernet. En aplicaciones típicas, se utiliza un disparador por hardware como el enfoque estándar para proporcionar una sincronización receptiva y precisa con otras cámaras o dispositivos que no son cámaras. El principal problema de la activación por software para estas cámaras es el retraso en la red. Aunque existen protocolos disponibles para mejorar la precisión de la sincronización, pueden no ser lo suficientemente precisos (protocolo de tiempo en red (NTP), sincroniza a escala de milisegundos) o no ser rentables (protocolo de tiempo preciso (PTP), sincroniza a escala de microsegundos, pero requiere hardware compatible).   Cuando se utiliza un protocolo de sincronización en una red Ethernet, todos los dispositivos de la misma red, incluidas las cámaras GigE Vision, podrán proporcionar marcas de tiempo en el mismo dominio de reloj.   GMSL no tiene características de registro de marcas de tiempo. Algunos sensores de imagen pueden proporcionar una marca de tiempo a través del encabezado incrustado MIPI, pero esto generalmente no está vinculado con otros dispositivos en el sistema de nivel superior. En algunas arquitecturas de sistemas, el deserializador GMSL se conectará a un SoC que esté en una red PTP para usar un reloj centralizado. Si se requiere esta característica, utilice AD-GMSL2ETH-SL como referencia.

Conclusión

En resumen (ver Tabla 1), GMSL es una alternativa sólida o un reemplazo frente a las soluciones existentes de GigE Vision. En comparación con las cámaras GigE Vision, las cámaras GMSL suelen ofrecer velocidades de enlace y características equivalentes o mejores a un costo más bajo, menor consumo de energía, y una arquitectura de sistema más simple con un tamaño compacto. Además, dado que GMSL fue diseñado originalmente para aplicaciones automotrices, ha sido validado por ingenieros automotrices en entornos rigurosos durante décadas. Esto brindará tranquilidad a los ingenieros y arquitectos de sistemas en el desarrollo de sistemas donde la confiabilidad y la seguridad funcional son fundamentales.