Câmeras GMSL testadas na estrada entram em novos mercados

As tecnologias desenvolvidas para aplicações automotivas são frequentemente transferidas para outros mercados devido às rigorosas exigências dos fabricantes de automóveis quanto à confiabilidade, desempenho e necessidade de taxas de dados rápidas em um ambiente eletronicamente hostil. É por isso que as câmeras Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL™) estão encontrando mercados prontos para aplicações de visão em áreas como automação e robótica, agricultura inteligente, assistência médica digital, aviônica, táxis autônomos e gerenciamento de inventário de varejo e armazém.

Inicialmente criada para atender aplicações de vídeo de alta velocidade e transmissão de dados em veículos, a GMSL da Analog Devices é uma tecnologia amplamente adotada e comprovada por levar novos níveis de desempenho a links de vídeo de alta velocidade e possibilitar o multi-streaming em um cabo único.

As aplicações de visão exigem fluxos de dados muito grandes para garantir vídeo de alta qualidade. Uma imagem full HD é composta de 1080 linhas por 1920 colunas. Isso equivale a 2 milhões de pixels, cada um dos quais consiste em um elemento vermelho, verde e azul, resultando em 6 milhões de elementos. Cada elemento representa 8 bits de dados, de modo que cada quadro resulta em quase 50 Mbps de dados. Com 60 quadros por segundo, a taxa de dados necessária para uma câmera é superior a três e meio Gbps.

A GMSL de primeira geração, disponível pela primeira vez em 2008, utilizou o padrão de sinalização diferencial de baixa tensão (LVDS) para fornecer taxas de downlink paralelo de dados de até 3,125 Gbps. Era especialmente adequada para transmitir dados de vários sistemas de câmeras e outras aplicações avançadas de assistência ao motorista (ADAS), bem como para o uso crescente de telas planas de alta definição no carro.

Uma segunda geração, a GMSL2, foi lançada em 2018, aumentando as taxas de dados para até 6 Gbps e suportando mais padrões de interfaces de vídeo de alta velocidade, incluindo HDMI e o padrão de interface MIPI, uma interface de sensor de imagem popular para câmeras automotivas e de consumo. Esses avanços acomodaram displays de alta definição total (FHD) e câmeras com resolução de até 8 MP.

A GMSL3, a próxima geração, pode transmitir dados até 12 Gbps por meio de um único cabo, suportar várias fluxos em resolução 4K, o encadeamento de vários displays e a agregação de várias câmeras, como as localizadas na frente, atrás e nas laterais de um veículo, para fornecer uma capacidade de visualização de 360°. Atualmente, um número cada vez maior de fabricantes de automóveis complementa os espelhos retrovisores e laterais com câmeras, utiliza câmeras voltadas para a frente e para trás para evitar colisões, e câmeras internas da cabine para monitorar a segurança do motorista e dos passageiros. A GMSL3 pode agregar dados de várias fontes de vídeo, além de LiDAR e radar.

Com as câmeras reduzidas ao nível dos sensores CMOS, elas podem produzir o que antes era considerado uma qualidade impossível a baixo custo e com baixa demanda de energia. Os sensores de imagem têm milhões de elementos receptores, cada um dos quais converte as medições em valores digitais a serem transmitidos por meio de pistas de dados seriais de uma interface paralela, juntamente com informações de sincronização.

Tanto a GMSL2 quanto a GMSL3 utilizam padrões de interface MIPI que proporcionam aos projetistas e fornecedores acesso a uma ampla variedade de sensores de imagem para câmeras GMSL.

GMSL versus GigE

Os engenheiros que estão começando a trabalhar com aplicações de visão logo se depararão com a decisão de usar a tecnologia de visão GMSL ou Gigabit Ethernet (GigE). A GigE é amplamente usada em aplicações industriais devido, em grande parte, à sua dependência da infraestrutura e dos padrões de rede Ethernet.

As câmeras GigE Vision com 2,5 GigE, 5 GigE e 10 GigE são comuns nas aplicações atuais, e as câmeras 100 GigE de última geração podem utilizar uma taxa de dados de até 100 Gbps. A GMSL foi projetada para transmitir dados por um cabo coaxial ou cabo de par trançado blindado a até 15 metros, em comparação com 100 m para GigE, embora ambos possam ser excedidos em determinadas condições.

Cada tecnologia é capaz de transmitir dados e energia pelo mesmo cabo: a GMSL usa alimentação via cabo coaxial (PoC) para que vídeo, áudio, controle, dados e energia possam ser transportados em um único canal. A maioria das aplicações GigE Vision depende da alimentação via Ethernet (PoE) para Ethernet de 4 pares ou, menos comum, alimentação via linha de dados (PoDL) para Ethernet de Par Único (SPE).

Os requisitos do sistema e as necessidades da aplicação determinarão qual tecnologia de visão é mais apropriada. A GigE Vision, por exemplo, pode oferecer algumas vantagens para aplicações de câmera única, especialmente quando elas se conectam diretamente a um PC ou a uma plataforma incorporada com uma porta Ethernet.

Ao usar várias câmeras, as aplicações GigE Vision exigirão o uso de um switch Ethernet dedicado, uma placa de interface de rede (NIC) com várias portas Ethernet ou um CI switch Ethernet. Essa necessidade de um switch pode reduzir a taxa de dados total máxima e introduzir uma latência imprevisível entre as câmeras e o dispositivo final, enquanto a GMSL oferece uma arquitetura mais simples e direta.

Os dispositivos GigE Vision podem suportar uma resolução e uma taxa de quadros mais alta — ou ambas simultaneamente — com buffer e compactação adicionais. O buffer e o processamento de quadros não são fornecidos pelos dispositivos GMSL, portanto, a resolução e a taxa de quadros dependem do que o sensor de imagem pode suportar dentro da largura de banda do link. Os engenheiros precisarão determinar uma compensação simples entre resolução, taxa de quadros e profundidade de bits de pixel.

A GMSL simplifica a arquitetura de vídeo de alta velocidade

As câmeras GigE Vision normalmente utilizam uma cadeia de sinal que inclui um sensor de imagem, um processador e uma camada física Ethernet (PHY) (Figura 1). Os dados brutos de imagem do sensor são convertidos pelo processador em quadros Ethernet, muitas vezes com base na compactação ou no buffer de quadros para se ajustar à taxa de dados da largura de banda Ethernet suportada.

Figura 1: representação dos principais componentes da cadeia de sinal no lado do sensor das câmeras GigE Vision. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

A cadeia de sinal da câmera GMSL utiliza uma arquitetura de serializador/desserializador (SerDes) que evita o uso de um processador (Figura 2). Em vez disso, os dados paralelos do sensor de imagem são convertidos pelo serializador em um fluxo de dados seriais de alta velocidade. No back-end, um desserializador converte os dados seriais de volta à forma paralela para processamento por uma unidade de controle eletrônico (ECU) tipo sistema sobre Chip (SoC).

Figura 2: as câmeras GMSL utilizam uma arquitetura de cadeia de sinal no lado do sensor mais simples do que as GigE Vision. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

A arquitetura da câmera GMSL simplifica o projeto de câmeras de fator de forma pequeno com baixo consumo de energia. Os serializadores podem se conectar diretamente às câmeras por meio da interface padrão MIPI CSI-2 e transmitir dados em pacotes por meio do link GMSL.

Um dispositivo host típico é uma plataforma embarcada personalizada com um ou mais desserializadores que transmitem dados de imagem por meio de transmissores MIPI no mesmo formato da saída MIPI do sensor de imagem. Novos drivers de câmera GMSL são necessários para projetos personalizados, mas se houver um driver existente para o sensor de imagem, ele poderá ser utilizado com apenas alguns registros de perfil ou gravações de registro para permitir um fluxo de vídeo das câmeras para uma unidade de controle.

Componentes GMSL

A ADI oferece um portfólio abrangente de serializadores e desserializadores para suportar uma variedade de interfaces. Eles apresentam projetos PHY robustos, baixas taxas de erro de bit (BER) e compatibilidade com versões anteriores. Qualquer protocolo de vídeo pode ser interligado, por exemplo, HDMI para oLDI (Open LVDS Display Interface).

Os engenheiros precisarão selecionar os melhores componentes com base nas necessidades das aplicações, como interfaces de dispositivos, taxas de dados, largura de banda, consumo de energia, condições ambientais e comprimento do cabo. Outros fatores incluem EMI, tratamento de erros e integridade do sinal. Alguns exemplos de componentes GMSL da ADI incluem:

• MAX96717, um serializador CSI-2 para GMSL2 (Figura 3), que opera em uma taxa fixa de 3 Gbps ou 6 Gbps no sentido direto e 187,5 Mbps no sentido inverso.

Figura 3: um esquema que ilustra o fluxo de dados utilizando os serializadores MAX96717. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)

• MAX96716A, que converte entradas seriais GMSL2 duplas em MIPI CSI-2. As entradas GMSL2 operam de forma independente e os dados de vídeo de ambas podem ser agregados para saída em uma única porta CSI-2 ou replicados em uma segunda porta para redundância.
• O MAX96724, um desserializador de tunelamento quádruplo, converte quatro entradas GMSL 2/1 em duas saídas MIPI D-PHY ou C-PHY. As taxas de link de dados são de 6/3 Gbps para GMSL2 e 3,12 Gbps para GMSL1, e taxas de link reverso de 187,5 Mbps para GMSL2 e 1 Mbps para GMSL1.
• O desserializador MAX96714 converte uma única entrada GMSL 2/1 em uma saída MIPI CSI-2 com uma taxa fixa de 3 Gbps ou 6 Gbps no sentido direto e 187,5 Mbps no sentido inverso.
• O MAX96751 é um serializador GMSL2 com entrada HDMI 2.0 que converte HDMI em um protocolo serial GMSL2 simples ou duplo. Ele também permite o fluxo full-duplex de vídeo e dados bidirecionais em um único fio.
• O MAX9295D converte fluxos de dados MIPI CSI-2 de 4 pistas de porta única ou dupla para GMSL2 ou GMSL1.

A ADI também oferece várias ferramentas de desenvolvimento, como o kit de teste MAX96724-BAK-EVK# para os dispositivos MAX96724.

Conclusão

Com sua complexidade reduzida, as câmeras GMSL são mais compactas e geralmente podem oferecer uma solução mais econômica em comparação com as GigE Vision. A GMSL fornece transporte confiável de vídeo digital de alta resolução com latência de microssegundos para uma gama crescente de aplicações baseadas em câmeras e displays, desde aprendizado de máquina e operações autônomas até infoentretenimento e segurança. Atualmente, milhões de links GMSL estão aprimorando a experiência do motorista na estrada, atestando sua confiabilidade e desempenho.