Fotocamere Gigabit Multimedia Serial Link come alternativa alle fotocamere GigE Vision

Abstract

Il Gigabit Multimedia Serial Link™ (GMSL™) e il Gigabit Ethernet (GigE) sono due tecnologie di collegamento molto popolari per applicazioni con telecamere, spesso presenti in diversi mercati finali. Questo articolo offre un'analisi comparativa delle due tecnologie in termini di architetture di sistema, caratteristiche principali e limitazioni. Aiuterà a spiegare i fondamenti di entrambe le tecnologie e fornirà approfondimenti sul motivo per cui le telecamere GMSL rappresentano una valida alternativa alle telecamere GigE Vision®.

Contesto

GigE Vision è uno standard di interfaccia per telecamere di rete basato su infrastrutture Ethernet e protocolli. È ampiamente adottato nel settore industriale. Il GMSL di Analog Devices è una tecnologia di collegamento seriale punto-punto dedicata alla trasmissione di dati video ed è stato originariamente progettato per applicazioni di telecamere e display automobilistici.   Entrambe le tecnologie hanno lo scopo di estendere la portata dei dati video dai sensori d'immagine, mentre ciascuna soluzione presenta caratteristiche uniche. Nel corso degli anni, abbiamo osservato un aumento nell'adozione di telecamere GMSL al di fuori del settore automobilistico, spesso come alternativa alle telecamere GigE Vision.

Architettura tipica del sistema

Connessione sensore immagine

Le telecamere GigE Vision (mostrate in Figura 1) di solito consistono in tre componenti principali nella loro catena di segnale: un sensore d'immagine, un processore e un PHY Ethernet. Il processore converte i dati grezzi dell'immagine provenienti dal sensore d'immagine in frame Ethernet, e il processo di solito coinvolge l'elaborazione delle immagini e la compressione o il buffering dei frame per adattare il tasso di dati alla larghezza di banda supportata da Ethernet.

La catena del segnale delle telecamere GMSL (illustrata nella Figura 2) è tipicamente più semplice, comprendendo solo un sensore di immagine e un serializer. Nelle applicazioni tipiche, il serializer converte i dati grezzi provenienti dal sensore di immagine e li invia tramite il collegamento nel loro formato originale. Senza la necessità di un processore, queste telecamere sono più semplici da progettare e più adatte ad applicazioni che richiedono un formato piccolo per la telecamera e un basso consumo energetico.  

Connessione al processore host

Le telecamere GigE Vision sono ben accettate nell'industria per la loro compatibilità con una vasta gamma di dispositivi host. La porta Ethernet Gigabit è quasi uno standard offerto nei personal computer (PC) o nelle piattaforme embedded. Alcune delle telecamere GigE Vision possono funzionare con un driver universale per un'esperienza plug-and-play autentica.   Le telecamere GMSL richiedono deserializzatori sul lato host. Nella maggior parte dei casi d'uso, il dispositivo host è una piattaforma embedded personalizzata con uno o più deserializzatori. I deserializzatori trasmettono i dati immagine tramite i propri trasmettitori MIPI nel formato originale proveniente dall'uscita MIPI del sensore di immagine. Per queste telecamere, è necessario un driver per fotocamera per ogni progetto di telecamera personalizzato, come per qualsiasi altra telecamera MIPI. Tuttavia, se esiste già un driver per il sensore di immagine, sono necessari solo pochi registri di profilo o alcune scritture nei registri per configurare la coppia SerDes e ottenere un flusso video dalle telecamere al SoC.   Utilizzando una sola telecamera, GigE Vision può presentare alcuni vantaggi rispetto al GMSL in termini di complessità del sistema, poiché può essere collegata direttamente a un PC o a una piattaforma embedded con una porta Ethernet. Tuttavia, quando vengono utilizzate più telecamere GigE, è necessario uno switch Ethernet. Questo può essere un dispositivo switch Ethernet dedicato, una scheda di interfaccia di rete (NIC) con più porte Ethernet oppure un circuito integrato (IC) switch Ethernet tra più porte Ethernet e il SoC. In alcuni casi, ciò può comportare una riduzione della velocità massima totale dei dati e, nel peggiore dei casi, una latenza imprevedibile a seconda dell'interfaccia tra le telecamere e il dispositivo terminale. Vedere la Figura 3.

In un sistema di telecamere GMSL, un deserializzatore può collegarsi a un massimo di quattro link con il suo trasmettitore MIPI C-PHY o D-PHY per supportare la larghezza di banda completa di tutte e quattro le telecamere. Purché il SoC sia in grado di gestire la velocità complessiva dei dati, l'utilizzo di uno o più dispositivi GMSL non comprometterebbe la larghezza di banda né aumenterebbe eccessivamente la complessità del sistema.

Confronto delle caratteristiche: Interfaccia sensore

I serializer GMSL supportano solo interfacce sensore LVDS parallele (GMSL1) e MIPI (GMSL2/GMSL3). Poiché MIPI è l'interfaccia del sensore di immagine più popolare per le fotocamere consumer e automobilistiche, un'ampia gamma di sensori di immagine può essere utilizzata in una fotocamera GMSL. Tuttavia, le fotocamere GigE Vision sono semplicemente più versatili nell'interfaccia sensore grazie al processore utilizzato all'interno della fotocamera.

Specifiche video: Teoria di funzionamento

La Figura 5 mostra un esempio di diagramma temporale che illustra come i dati vengono trasmessi da un sensore di immagine a un collegamento GMSL o a una rete GigE in un flusso video continuo.

In ogni fotogramma di un flusso video, un sensore d'immagine invia i dati immediatamente dopo il periodo di esposizione e poi passa a uno stato di inattività prima che inizi il fotogramma successivo. Il diagramma esemplificativo rappresenta meglio un sensore con otturatore globale. Per un sensore con otturatore a scorrimento, ci sarà una sovrapposizione tra il periodo di esposizione e il periodo di lettura a livello di fotogramma, poiché l'esposizione e la lettura vengono controllate individualmente per ogni riga.   I serializer GMSL sul lato del sensore serializzano i dati provenienti dai sensori d'immagine e li trasmettono immediatamente al collegamento tramite il proprio protocollo proprietario.   Il processore delle telecamere GigE Vision bufferizza e molto spesso elabora i dati provenienti dai sensori d'immagine prima di organizzare i dati video in frame Ethernet e inviarli alla rete.  

Velocità di collegamento

La velocità di collegamento (link rate) specifica la velocità massima teorica dei dati trasmessi su un collegamento ed è spesso la specifica chiave quando diverse tecnologie di collegamento dati vengono confrontate tra loro. GMSL2, GMSL3 e GigE Vision utilizzano tutti velocità di collegamento discrete e fisse.   GMSL2 supporta velocità di trasmissione dati di 3 Gbps e 6 Gbps. GMSL3 supporta una velocità di trasmissione dati di 12 Gbps e tutti i dispositivi GMSL3 sono retrocompatibili con i dispositivi GMSL2 utilizzando i protocolli GMSL2.   GigE Vision segue gli standard Ethernet. Le telecamere GigE, 2.5 GigE, 5 GigE e 10 GigE Vision si trovano spesso in applicazioni comuni. Come suggeriscono i nomi, esse supportano rispettivamente velocità di collegamento da 1 Gbps fino a 10 Gbps. Le telecamere GigE Vision più avanzate supporteranno 100 GigE con una velocità di collegamento di 100 Gbps.1 Per GigE Vision, tutti i protocolli ad alta velocità saranno retrocompatibili con i protocolli a velocità inferiori.   Sebbene la velocità di collegamento sia fortemente associata alla risoluzione video, al frame rate e alla latenza, è difficile fare un confronto diretto tra le due tecnologie basandosi solo sulla velocità di collegamento.

Bitrate video effettivo

Nelle comunicazioni dati, la velocità effettiva dei dati descrive la capacità di trasmissione dei dati escludendo il sovraccarico del protocollo, e questo concetto si applica anche alle comunicazioni dati video. Di solito, la quantità effettiva di dati video trasferiti è data dalla profondità di bit dei pixel × il numero di pixel in un pacchetto o frame. La Figura 6 illustra la relazione tra i dati video effettivi e il sovraccarico.

GMSL trasmette i dati video in pacchetti. I dispositivi GMSL2 e GMSL3 utilizzano dimensioni di pacchetto fisse, pertanto il tasso di dati video effettivo è anche ben definito. Prendiamo i dispositivi GMSL2 come esempio. Quando il collegamento è impostato su 6 Gbps, è consigliato utilizzare una larghezza di banda video non superiore a 5,2 Gbps. Tuttavia, poiché il collegamento trasporta anche alcuni dati di overhead e tempi di blanking dall'interfaccia MIPI dei sensori, i 5,2 Gbps riflettono la velocità di trasmissione dati aggregata proveniente da tutte le corsie di dati MIPI di input piuttosto che 5,2 Gb di dati video al secondo.   Ethernet trasmette dati in frame. GigE Vision non ha una dimensione standard del frame, ed è solitamente parte del bilanciamento delle soluzioni software per migliorare l'efficienza (vantaggio di frame lunghi) o ridurre i ritardi (vantaggio di frame corti). Per queste videocamere, l'overhead è solitamente non superiore al 5%. Ethernet ad alta velocità ridurrà i rischi di usare frame lunghi per ottenere un tasso di dati video effettivo migliore.   Entrambe le tecnologie trasmettono dati in modo intermittente. Di conseguenza, il tasso medio di trasmissione dati su un periodo più lungo (su un singolo frame video o superiore) può essere anche inferiore rispetto al tasso di dati video effettivo durante la trasmissione. Per le videocamere GMSL, il tempo di burst dipende unicamente dal tempo di lettura del sensore d'immagine, e il rapporto di burst in applicazioni reali può arrivare fino al 100% per supportare il suo tasso di dati video effettivo completo. Le videocamere GigE Vision potrebbero essere utilizzate in un ambiente di rete più complesso e imprevedibile, nel qual caso il rapporto di burst è spesso basso per evitare collisioni di dati. Vedere la Figura 7 come esempio.

Risoluzione e frequenza dei fotogrammi

La risoluzione e il frame rate sono le due specifiche più importanti per le videocamere e sono i principali fattori che determinano tassi di collegamento più elevati. Per queste specifiche, entrambe le tecnologie presentano pro e contro.   I dispositivi GMSL non offrono buffering e elaborazione dei fotogrammi. La risoluzione e il frame rate dipendono interamente da ciò che il sensore d'immagine o l'ISP dal lato del sensore possono supportare entro la larghezza di banda del collegamento, ed è solitamente un semplice compromesso tra risoluzione, frame rate e profondità in bit dei pixel.   Il modello di GigE Vision è più complesso. Sebbene la velocità del collegamento utilizzabile in molti casi sia inferiore rispetto a quella di GMSL, può supportare una risoluzione più alta, un frame rate più elevato, o entrambi contemporaneamente con l'aggiunta di buffering e compressione. Tuttavia, tutto ciò comporta il costo di una maggiore latenza, consumo energetico e componenti costosi su entrambi i lati del sistema della videocamera. In alcuni casi d'uso meno comuni, queste videocamere trasmettono anche dati di immagine grezzi a un frame rate inferiore.

Latenza

La latenza è un'altra specifica chiave delle videocamere, soprattutto nelle applicazioni che elaborano dati e prendono decisioni in tempo reale.   I sistemi con telecamere GMSL hanno una latenza ridotta e deterministica dal segnale in ingresso del serializzatore/uscita dal sensore all'uscita del deserializzatore/ingresso del SoC ricevente.   Le telecamere GigE Vision, di solito, presentano una latenza più alta e indeterministica a causa dell'elaborazione interna alla telecamera e del traffico di rete più complesso. Tuttavia, ciò non conduce necessariamente a una latenza maggiore a livello di sistema, specialmente quando l'elaborazione sul lato della telecamera contribuisce alla pipeline dell'immagine del sistema ed è più dedicata ed efficiente.

Altre caratteristiche: Distanza di trasmissione

I serializzatori e deserializzatori GMSL sono progettati per trasmettere dati fino a 15 metri utilizzando cavi coassiali nei veicoli passeggeri. Tuttavia, la distanza di trasmissione non è limitata a 15 metri, a condizione che il sistema hardware della fotocamera soddisfi le specifiche del canale GMSL.   GigE Vision utilizza il protocollo Ethernet, che può trasmettere dati fino a 100 metri utilizzando cavi in rame, o anche oltre utilizzando fibre ottiche, sebbene potrebbe perdere alcune funzionalità come l'Alimentazione via Ethernet (PoE).

PoC e PoE/PoDL

Entrambe le tecnologie sono in grado di trasmettere alimentazione e dati attraverso lo stesso cavo. GMSL utilizza Power over Coax (PoC) e GigE Vision utilizza PoE per Ethernet a 4 coppie e Power over Data Line (PoDL) per Ethernet a singola coppia (SPE). La maggior parte delle telecamere GigE Vision utilizza i tradizionali fili a 4 coppie con PoE.   PoC è semplice da implementare ed è solitamente usato di default per applicazioni con telecamera in configurazione coassiale. In questa configurazione, alimentazione e dati sul collegamento provengono da un unico filo, e sono necessari solo pochi componenti passivi per i circuiti PoC.   I circuiti PoE che supportano un tasso di dati di 1 Gbps o superiore richiedono circuiti dedicati con componenti attivi sia sul lato della telecamera che sul lato dell’host (o switch). Questo rende la funzionalità PoE più costosa e meno accessibile. È comune che le telecamere GigE Vision che supportano PoE abbiano anche un'opzione di alimentazione locale esterna.

Controllo periferico e connettività di sistema

GMSL, come collegamento dedicato per fotocamera o display, non è progettato per supportare una vasta gamma di dispositivi periferici. Nelle applicazioni tipiche delle fotocamere GMSL, il collegamento trasmette segnali di controllo (UART, I2C e SPI) per comunicare esclusivamente con periferiche della fotocamera, quali sensori di temperatura, sensori di luce ambientale, IMU, controller LED, ecc. I sistemi più grandi che utilizzano GMSL come interfaccia per fotocamera di solito dispongono di altre interfacce a bassa velocità, come CAN ed Ethernet, per comunicare con altri dispositivi.   Le fotocamere GigE Vision normalmente gestiscono il controllo delle periferiche della fotocamera tramite il loro processore integrato. Essendo una soluzione di connettività popolare per le applicazioni industriali, esistono diversi protocolli standard per Ethernet industriale che supportano una varietà di macchine e attrezzature. Le fotocamere GigE Vision si collegano direttamente alla rete sia attraverso le loro interfacce software che hardware.

Attivazione della fotocamera e marcatura temporale

I collegamenti GMSL supportano il tunneling GPIO e I2C con bassa latenza nell'ordine di microsecondi sia nei canali diretti che in quelli inversi per supportare configurazioni diverse di sincronizzazione/attivazione delle telecamere. La sorgente del segnale di attivazione in un sistema di telecamere GMSL può provenire sia dal SoC sul lato del deserializzatore che da uno dei sensori d'immagine sul lato del serializzatore.   Le telecamere GigE Vision di solito offrono opzioni di attivazione sia hardware che software tramite un pin/porta dedicato o un pacchetto Ethernet per l'attivazione/sincronizzazione. Nelle applicazioni tipiche, un'attivazione hardware viene utilizzata come approccio standard per garantire una sincronizzazione reattiva e precisa con altre telecamere o dispositivi non camera. Il principale problema con l'attivazione software per queste telecamere è il ritardo di rete. Sebbene esistano protocolli per migliorare la precisione della sincronizzazione, questi possono risultare o non abbastanza precisi (network time protocol (NTP), si sincronizza su una scala di millisecondi) oppure non convenienti in termini di costi (precision time protocol (PTP), si sincronizza su una scala di microsecondi, ma richiede hardware compatibile).   Quando viene utilizzato un protocollo di sincronizzazione su una rete Ethernet, tutti i dispositivi appartenenti alla stessa rete, incluse le telecamere GigE Vision, saranno in grado di fornire timestamp all'interno dello stesso dominio di clock.   GMSL non dispone di funzionalità di timestamping. Alcuni sensori di immagine possono fornire un timestamp tramite l'intestazione MIPI incorporata, ma solitamente questo non è collegato agli altri dispositivi nel sistema di livello superiore. In alcune architetture di sistema, il deserializzatore GMSL si connetterà a un SoC che si trova su una rete PTP per utilizzare un clock centralizzato. Se questa funzionalità è necessaria, si prega di utilizzare AD-GMSL2ETH-SL come riferimento.

Conclusione

In sintesi (vedi Tabella 1), GMSL rappresenta una valida alternativa o una sostituzione alle soluzioni GigE Vision esistenti. Rispetto alle telecamere GigE Vision, le telecamere GMSL spesso possono offrire velocità di collegamento e caratteristiche equivalenti o migliori, a un costo inferiore, con un consumo energetico ridotto e un'architettura di sistema più semplice con un ingombro del sistema minore. Inoltre, poiché GMSL è stato originariamente progettato per applicazioni automobilistiche, è stato validato dagli ingegneri del settore automotive in ambienti difficili per decenni. Questo offrirà sicurezza agli ingegneri e agli architetti di sistema nello sviluppo di sistemi in cui affidabilità e sicurezza funzionale sono fondamentali.