千兆多媒體串行鏈路(GMSL)相機(jī)用作GigE Vision相機(jī)的替代方案

背景知識(shí)

GigE Vision是基于以太網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)和協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)相機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)。它廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域。ADI公司的GMSL是一種專門用于視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行鏈路技術(shù)，最初是為汽車攝像頭和顯示應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。

這兩種技術(shù)都旨在擴(kuò)展圖像傳感器視頻數(shù)據(jù)的傳輸距離，但每種解決方案有其各自的特性。多年來，我們看到越來越多的GMSL相機(jī)在汽車之外的領(lǐng)域得到采用，它們通常作為GigE Vision相機(jī)的替代方案。

典型系統(tǒng)架構(gòu)

圖像傳感器連接

GigE Vision相機(jī)的信號(hào)鏈（如圖1所示）通常由三個(gè)主要元件組成：圖像傳感器、處理器和以太網(wǎng)PHY。處理器將圖像傳感器中的原始圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)幀，該過程通常涉及圖像處理和壓縮或幀緩沖，以使數(shù)據(jù)速率適合以太網(wǎng)支持的帶寬。

圖1 GigE Vision相機(jī)傳感器側(cè)的主要信號(hào)鏈元件

GMSL相機(jī)的信號(hào)鏈（如圖2所示）通常更加簡(jiǎn)單，僅包含圖像傳感器和串行器。在典型應(yīng)用中，串行器轉(zhuǎn)換圖像傳感器中的原始數(shù)據(jù)，然后以其原始格式通過鏈路發(fā)送。這些相機(jī)無需處理器，設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，更適合需要小尺寸相機(jī)和低功耗的應(yīng)用。

圖2 GMSL相機(jī)傳感器側(cè)的主要信號(hào)鏈元件

主機(jī)處理器連接

GigE Vision相機(jī)因其與眾多主機(jī)設(shè)備的兼容性而受到業(yè)界的廣泛認(rèn)可。千兆以太網(wǎng)端口幾乎是個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)或嵌入式平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)配置。一些GigE Vision相機(jī)可以使用通用驅(qū)動(dòng)程序，提供真正的即插即用體驗(yàn)。

GMSL相機(jī)需要主機(jī)側(cè)提供解串器。在大多數(shù)用例中，主機(jī)設(shè)備是帶有一個(gè)或多個(gè)解串器的定制嵌入式平臺(tái)。解串器通過其MIPI發(fā)送器以圖像傳感器MIPI輸出的原始格式傳輸圖像數(shù)據(jù)。對(duì)于此類相機(jī)，每種定制相機(jī)設(shè)計(jì)都需要一個(gè)匹配的驅(qū)動(dòng)程序，就像任何其他MIPI攝像頭一樣。然而，如果圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)程序已存在，則一對(duì)SerDes只需要幾個(gè)預(yù)設(shè)寄存器或執(zhí)行幾次寄存器寫操作，就能將視頻流從相機(jī)傳輸?shù)絊oC。

圖3 典型GigE Vision網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)僅使用一個(gè)相機(jī)時(shí)，GigE Vision在系統(tǒng)復(fù)雜性方面可能比GMSL有一些優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢灾苯舆B接到具有以太網(wǎng)端口的PC或嵌入式平臺(tái)。然而，當(dāng)使用多個(gè)GigE相機(jī)時(shí)，就需要以太網(wǎng)交換機(jī)。它可以是專用以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備、具有多個(gè)以太網(wǎng)端口的網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)或多個(gè)以太網(wǎng)端口與SoC之間的以太網(wǎng)交換IC。在某些情況下，這將導(dǎo)致最大總數(shù)據(jù)速率降低，更糟糕的是，這將帶來不可預(yù)測(cè)的延遲，具體情況取決于相機(jī)和終端設(shè)備之間的接口。參見圖3。

在GMSL相機(jī)系統(tǒng)中，一個(gè)解串器可以連接多達(dá)四個(gè)鏈路，其MIPI C-PHY或D-PHY發(fā)送器支持所有四個(gè)相機(jī)的總帶寬。只要SoC能夠應(yīng)對(duì)聚合后的數(shù)據(jù)速率，使用一個(gè)或多個(gè)GMSL器件就不會(huì)影響帶寬或增加過多系統(tǒng)復(fù)雜性。

圖4 典型GMSL相機(jī)到主機(jī)的連接

特性比較

傳感器接口

GMSL串行器僅支持并行LVDS (GMSL1)和MIPI (GMSL2/GMSL3)傳感器接口。MIPI是消費(fèi)電子和汽車攝像頭廣泛使用的圖像傳感器接口，因此GMSL相機(jī)可以支持種類眾多的圖像傳感器。然而，由于GigE Vision相機(jī)內(nèi)部使用了處理器，其在傳感器接口方面更加靈活。

視頻規(guī)格

工作原理

圖5顯示了連續(xù)視頻流中數(shù)據(jù)從圖像傳感器傳輸?shù)紾MSL鏈路或GigE網(wǎng)絡(luò)的時(shí)序圖示例。

在視頻流的每一幀中，圖像傳感器在曝光周期之后立即發(fā)出數(shù)據(jù)，然后在下一幀開始之前進(jìn)入空閑狀態(tài)。示例圖更好地展示了全局快門傳感器的情況。對(duì)于滾動(dòng)快門傳感器，其曝光和讀出是每行單獨(dú)控制的，因此幀級(jí)別上的曝光和讀出周期會(huì)有重疊。

傳感器側(cè)的GMSL串行器對(duì)圖像傳感器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行串行化，然后立即通過其專有協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)芥溌贰?/p>

GigE Vision相機(jī)中的處理器會(huì)緩沖并且通常還會(huì)處理圖像傳感器中的數(shù)據(jù)，然后將視頻數(shù)據(jù)排列在以太網(wǎng)幀中并將其發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。

鏈路速率

鏈路速率規(guī)定了鏈路上數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦碚撟畲笏俣?。?dāng)比較不同數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)時(shí)，鏈路速率通常是關(guān)鍵指標(biāo)。GMSL2、GMSL3和GigE Vision均使用離散的固定鏈路速率。

圖5 視頻傳輸時(shí)序圖

GMSL2支持3 Gbps和6 Gbps的數(shù)據(jù)速率。GMSL3支持12 Gbps的數(shù)據(jù)速率，并且所有GMSL3設(shè)備都向后兼容使用GMSL2協(xié)議的GMSL2設(shè)備。

GigE Vision遵循以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。GigE、2.5 GigE、5 GigE和10 GigE Vision相機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)在常見應(yīng)用中。顧名思義，它們分別支持1 Gbps至高達(dá)10 Gbps的鏈路速率。先進(jìn)的GigE Vision相機(jī)將支持100 Gbps鏈路速率的100 GigE。1對(duì)于GigE Vision，所有高速協(xié)議都將向后支持低速協(xié)議。

盡管鏈路速率與視頻分辨率、幀速率和延遲密切相關(guān)，但僅根據(jù)鏈路速率很難對(duì)這兩種技術(shù)進(jìn)行直接比較。

有效視頻數(shù)據(jù)速率

在數(shù)據(jù)通信中，有效數(shù)據(jù)速率描述了不包括協(xié)議開銷的數(shù)據(jù)速率容量，此概念也適用于視頻數(shù)據(jù)通信。通常，一個(gè)數(shù)據(jù)包或一幀中傳輸?shù)挠行б曨l數(shù)據(jù)量為：像素位深度×像素?cái)?shù)。圖6說明了有效視頻數(shù)據(jù)和開銷之間的關(guān)系。

圖6 數(shù)據(jù)幀/數(shù)據(jù)包中的有效載荷和開銷

GMSL以數(shù)據(jù)包的形式傳輸視頻數(shù)據(jù)。GMSL2和GMSL3設(shè)備使用固定的數(shù)據(jù)包大小，因此有效視頻數(shù)據(jù)速率也有明確定義。以GMSL2設(shè)備為例。當(dāng)鏈路設(shè)置為6 Gbps時(shí)，建議使用不超過5.2 Gbps的視頻帶寬。然而，由于鏈路還承載來自傳感器MIPI接口的一些開銷和消隱時(shí)間，因此5.2 Gbps反映了所有輸入MIPI數(shù)據(jù)通道的聚合數(shù)據(jù)速率，而不是每秒5.2 Gb的視頻數(shù)據(jù)。

以太網(wǎng)以幀的形式傳輸數(shù)據(jù)。GigE Vision沒有標(biāo)準(zhǔn)幀大小，它通常作為軟件解決方案的一個(gè)權(quán)衡因素來提高效率（長(zhǎng)幀的優(yōu)勢(shì)）或減少延遲（短幀的優(yōu)勢(shì)）。對(duì)于這些相機(jī)，開銷通常不超過5%。較高速度的以太網(wǎng)會(huì)降低使用長(zhǎng)幀的風(fēng)險(xiǎn)，以實(shí)現(xiàn)更好的有效視頻數(shù)據(jù)速率。

這兩種技術(shù)都以突發(fā)方式傳輸數(shù)據(jù)。因此，較長(zhǎng)期間（一個(gè)視頻幀或更長(zhǎng)時(shí)間）內(nèi)的平均數(shù)據(jù)速率甚至可能低于傳輸期間的有效視頻數(shù)據(jù)速率。對(duì)于GMSL相機(jī)，突發(fā)時(shí)間僅取決于圖像傳感器的讀出時(shí)間，實(shí)際應(yīng)用中的突發(fā)比可能達(dá)到100%以支持完整的有效視頻數(shù)據(jù)速率。GigE Vision相機(jī)可能用在更復(fù)雜和不可預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，在這種情況下，為了避免數(shù)據(jù)沖突，突發(fā)比通常較低。示例參見圖7。

分辨率和幀速率

分辨率和幀速率是攝像機(jī)的兩個(gè)至關(guān)重要的規(guī)格，它們是提高鏈路速率的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。對(duì)于這些規(guī)格，兩種技術(shù)各有利弊。

GMSL設(shè)備不提供幀緩沖和處理。分辨率和幀速率全部取決于圖像傳感器或傳感器側(cè)ISP在鏈路帶寬內(nèi)的支持能力，而這通常是分辨率、幀速率和像素位深度之間的簡(jiǎn)單權(quán)衡。

GigE Vision的模型更為復(fù)雜。盡管在許多情況下其可用鏈路速率比GMSL慢，但它可以利用額外的緩沖和壓縮來支持更高分辨率和/或更高幀速率。然而，這一切的代價(jià)是延遲和功耗的增加，并且相機(jī)系統(tǒng)兩側(cè)需要使用昂貴的元件。在一些不太常見的用例中，此類相機(jī)也以較低幀速率傳輸原始圖像數(shù)據(jù)。

延遲

延遲是攝像機(jī)的另一個(gè)關(guān)鍵規(guī)格，尤其是在實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)和做出決策的應(yīng)用中。

從串行器的輸入/傳感器的輸出到解串器的輸出/接收SoC的輸入，GMSL相機(jī)系統(tǒng)的延遲較低且具有確定性。

由于內(nèi)部處理和更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)流量，GigE Vision相機(jī)的延遲通常較高且不具有確定性。然而，這些延遲并不總是會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)延遲更長(zhǎng)，尤其是當(dāng)相機(jī)側(cè)處理屬于系統(tǒng)圖像流水線的一部分且更專用、更高效時(shí)。

其他特性

傳輸距離

根據(jù)設(shè)計(jì)，GMSL串行器和解串器可在乘用車中使用同軸電纜將數(shù)據(jù)傳輸15米之遠(yuǎn)。但是，只要相機(jī)硬件系統(tǒng)滿足GMSL通道規(guī)范，則傳輸距離不限于15米。

圖7 GMSL和GigE Vision網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量

通過以太網(wǎng)協(xié)議，GigE Vision可以使用銅纜將數(shù)據(jù)傳輸100米之遠(yuǎn)，使用光纖甚至可以更遠(yuǎn)，不過它可能會(huì)失去一些特性，例如以太網(wǎng)供電(PoE)。

PoC和PoE/PoDL

這兩種技術(shù)都能夠通過同一根電纜傳輸電力和數(shù)據(jù)。GMSL使用同軸電纜供電(PoC)，GigE Vision針對(duì)4對(duì)以太網(wǎng)使用PoE，針對(duì)單對(duì)以太網(wǎng)(SPE)使用數(shù)據(jù)線供電(PoDL)。大多數(shù)GigE Vision相機(jī)使用傳統(tǒng)的4對(duì)線和PoE。

PoC很簡(jiǎn)單，采用同軸電纜配置的相機(jī)應(yīng)用通常默認(rèn)使用這種方式。在這種配置中，鏈路上的電力和數(shù)據(jù)來自單根電線，并且PoC電路僅需要幾個(gè)無源元件。

支持1 Gbps或更高數(shù)據(jù)速率的PoE電路需要專用電路，相機(jī)和主機(jī)（或交換機(jī)）側(cè)均需要有源元件。這使得PoE功能成本更高且不易獲得。支持PoE的GigE Vision相機(jī)通常還具有本地外部供電選項(xiàng)。

外設(shè)控制和系統(tǒng)連接

GMSL作為專用相機(jī)或顯示器鏈路，其并非設(shè)計(jì)用來支持各種各樣的外圍設(shè)備。在典型的GMSL相機(jī)應(yīng)用中，鏈路傳輸控制信號(hào)（UART、I2C和SPI），僅與溫度傳感器、環(huán)境光傳感器、IMU、LED控制器等相機(jī)外設(shè)進(jìn)行通信。使用GMSL作為相機(jī)接口的較大系統(tǒng)通常還有其他低速接口，例如CAN和以太網(wǎng)，以便與其他設(shè)備通信。

GigE Vision相機(jī)一般利用其內(nèi)置處理器處理相機(jī)外設(shè)控制。作為工業(yè)應(yīng)用中流行的連接解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)有多種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來支持多樣化的機(jī)器和設(shè)備，GigE Vision相機(jī)通過其軟件和硬件接口直接連接到網(wǎng)絡(luò)。

相機(jī)觸發(fā)和時(shí)間戳

GMSL鏈路的正向和反向通道均支持微秒級(jí)的低延遲GPIO和I2C信號(hào)隧道，從而支持不同的相機(jī)觸發(fā)/同步配置。GMSL相機(jī)系統(tǒng)中的觸發(fā)信號(hào)源可以來自解串器側(cè)的SoC，也可以來自串行器側(cè)的圖像傳感器之一。

GigE Vision相機(jī)通常通過專用引腳/端口或以太網(wǎng)觸發(fā)/同步數(shù)據(jù)包來提供硬件和軟件觸發(fā)選項(xiàng)。在典型應(yīng)用中，硬件觸發(fā)作為標(biāo)準(zhǔn)方法，用于與其他相機(jī)或非相機(jī)設(shè)備進(jìn)行響應(yīng)靈敏且準(zhǔn)確的同步。這些相機(jī)的軟件觸發(fā)的主要問題是網(wǎng)絡(luò)延遲。盡管有一些協(xié)議可用于提高同步精度，但它們要么精度不夠高（網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)，同步到毫秒級(jí)2），要么性價(jià)比不高（精密時(shí)間協(xié)議(PTP)，同步到微秒級(jí)3，但需要兼容的硬件）。

當(dāng)在以太網(wǎng)上使用同步協(xié)議時(shí)，來自同一網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備（包括GigE Vision相機(jī)）將能夠在同一時(shí)鐘域中提供時(shí)間戳。

GMSL沒有時(shí)間戳功能。有些圖像傳感器可以通過MIPI嵌入式報(bào)頭提供時(shí)間戳，但這通常不與更高級(jí)別系統(tǒng)上的其他設(shè)備相關(guān)。在某些系統(tǒng)架構(gòu)中，GMSL解串器會(huì)連接到PTP網(wǎng)絡(luò)上的SoC以使用集中式時(shí)鐘。如果需要此功能，請(qǐng)使用AD-GMSL2ETH-SL作為參考。

結(jié)語(yǔ)

總之（參見表1），GMSL是現(xiàn)有GigE Vision解決方案的有力替代方案。與GigE Vision相機(jī)相比，GMSL相機(jī)通常能以更低的成本、更低的功耗、更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)架構(gòu)和更小的系統(tǒng)尺寸提供同等或更好的鏈路速率和特性。此外，由于GMSL最初是為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，因此它已經(jīng)在惡劣的環(huán)境中經(jīng)過了汽車工程師幾十年的驗(yàn)證。在可靠性和功能安全至關(guān)重要的系統(tǒng)開發(fā)中，GMSL將為工程師和系統(tǒng)架構(gòu)師提供信心保證。

表1 GMSL與GigE Vision主要特性比較

關(guān)于作者

Kainan Wang是ADI公司在美國(guó)馬薩諸塞州威明頓市的汽車座艙體驗(yàn)(ACE)部門的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。他從馬薩諸塞州波士頓市東北大學(xué)獲得電氣工程碩士學(xué)位后，于2016年加入ADI公司。Kainan一直從事2D/3D成像解決方案的工作，涉及硬件開發(fā)、系統(tǒng)集成和應(yīng)用開發(fā)等各方面。最近，他的工作重點(diǎn)是將ADI汽車座艙技術(shù)拓展到汽車以外的其他市場(chǎng)。