Las cámaras GMSL probadas en carretera llegan a nuevos mercados

Las tecnologías desarrolladas para aplicaciones de automoción se trasladan con frecuencia a otros mercados debido a los rigurosos requisitos de fiabilidad y rendimiento de los fabricantes de automóviles y a la necesidad de velocidades de datos rápidas en un entorno electrónicamente hostil. Por eso, las cámaras Gigabit Multimedia Serial Enlace (GMSL™) están encontrando mercados preparados para aplicaciones de visión en ámbitos como la automatización y la robótica, la agricultura inteligente, la sanidad digital, la aviónica, los robotaxis y la gestión de inventarios en comercios y almacenes.

Introducida inicialmente para abordar aplicaciones de video de alta velocidad y transmisión de datos en vehículos, GMSL de Analog Devices es una tecnología ampliamente adoptada y probada para aportar nuevos niveles de rendimiento a los enlaces de vídeo de alta velocidad y permitir el multi-streaming a través de un único cable.

Aplicaciones de visión requieren flujos de datos muy grandes para garantizar un video de alta calidad. Una imagen Full HD se compone de 1080 filas por 1920 columnas. Eso equivale a 2 millones de píxeles, cada uno de los cuales consta de un elemento rojo, verde y azul, lo que da como resultado 6 millones de elementos. Cada elemento representa 8 bits de datos, por lo que cada fotograma da lugar a casi 50 Mbps de datos. A 60 fotogramas por segundo, la velocidad de datos necesaria para una cámara es de más de tres Gbps y medio.

La primera generación de GMSL, disponible por primera vez en 2008, utilizaba el estándar de señal diferencial de bajo voltaje (LVDS) para ofrecer velocidades de bajada de datos en paralelo de hasta 3.125 Gbps. Era especialmente adecuado para transmitir datos de sistemas de cámaras múltiples y otras aplicaciones avanzadas de asistencia al controlador (ADAS), así como para el creciente uso de pantallas planas de alta definición en los vehículos.

En 2018 se introdujo una segunda generación, GMSL2, que aumenta la velocidad de datos hasta 6 Gbps y admite más interfaces de video de alta velocidad estándar, como HDMI y el estándar de interfaz MIPI, una popular interfaz de sensores de imagen para cámaras de consumo y de automoción. Estos avances dieron cabida a pantallas de alta definición total (FHD) y cámaras con una resolución de hasta 8 MP.

GMSL3, la nueva generación, puede suministrar datos de hasta 12 Gbps a través de un solo cable, admite múltiples secuencias de resolución 4K, la conexión en cadena de varias pantallas y la agregación de varias cámaras, como las situadas en la parte delantera, trasera y lateral de un vehículo, para proporcionar una capacidad de visualización de 360°. Hoy en día, cada vez más fabricantes de automóviles complementan los espejos retrovisores y laterales con cámaras, utilizan cámaras orientadas hacia delante y hacia atrás para evitar colisiones, y cámaras en el interior de la cabina para controlar la seguridad del conductor y los pasajeros. GMSL3 puede agregar datos de múltiples fuentes de video, así como de LiDAR y radar.

Con cámaras reducidas al nivel de los sensores CMOS, pueden producir lo que antes se consideraba una calidad increíble a bajo costo y con poca demanda de energía. Los sensores de imágenes tienen millones de elementos receptores, cada uno de los cuales convierte las mediciones en valores digitales que se transmiten a través de vías de datos en serie de una interfaz paralela, junto con información de sincronización.

Tanto GMSL2 como GMSL3 utilizan estándares de interfaz MIPI que proporcionan a diseñadores y proveedores acceso a una amplia gama de sensores de imagen para cámaras GMSL.

GMSL frente a GigE

Sin duda, los ingenieros que se inicien en las aplicaciones de visión se enfrentarán rápidamente a la decisión de utilizar la tecnología de visión GMSL o Gigabit Ethernet (GigE). GigE se utiliza ampliamente en aplicaciones industriales debido en gran parte a su dependencia de la infraestructura y los estándares de la red Ethernet.

Las cámaras GigE Vision de 2.5 GigE, 5 GigE y 10 GigE son habituales en las aplicaciones actuales, y las cámaras de última generación de 100 GigE pueden utilizar una velocidad de datos de hasta 100 Gbps. GMSL está diseñado para transmitir datos por cable coaxial o de par trenzado apantallado hasta 15 metros, frente a los 100 m de GigE, aunque ambos pueden superarse en determinadas condiciones.

Cada tecnología es capaz de transmitir datos y alimentación a través del mismo cable: GMSL utiliza Power over Coax (PoC) para que el video, el audio, el control, los datos y la alimentación puedan transportarse por un solo canal. La mayoría de las aplicaciones GigE Vision dependen de Alimentación por Ethernet (PoE) para Ethernet de 4 pares o, con menos frecuencia, de Alimentación por línea de datos (PoDL) para Ethernet de un solo par (SPE).

Los requisitos del sistema y las necesidades de la aplicación determinarán qué tecnología de visión es la más adecuada. GigE Vision, por ejemplo, puede ofrecer algunas ventajas para las aplicaciones de una sola cámara, sobre todo cuando se conectan directamente a un PC o a una plataforma integrada con un puerto Ethernet.

Cuando se utilicen varias cámaras, las aplicaciones GigE Vision requerirán el uso de un conmutador Ethernet dedicado, una tarjeta de interfaz de red (NIC) con varios puertos Ethernet o un CI de conmutación Ethernet. Ese requisito de interruptor puede reducir potencialmente la velocidad máxima total de datos e introducir una latencia impredecible entre las cámaras y el dispositivo terminal, mientras que GMSL ofrece una arquitectura más sencilla y directa.

Los dispositivos GigE Vision pueden admitir una mayor resolución y una mayor velocidad de fotograma, o ambas simultáneamente, con búfer y compresión adicionales. Los dispositivos GMSL no proporcionan búfer ni procesamiento de fotogramas, por lo que la resolución y la velocidad de fotogramas dependen de lo que el sensor de imagen pueda soportar dentro del ancho de banda del enlace. Los ingenieros tendrán que encontrar un equilibrio sencillo entre resolución, velocidad de fotograma y profundidad de píxeles.

GMSL simplifica la arquitectura de video de alta velocidad.

Las cámaras GigE Vision suelen utilizar una cadena de señales que incluye un sensor de imagen, un procesador y una capa física Ethernet (PHY) (Figura 1). El procesador convierte los datos de imagen sin procesar del sensor en tramas Ethernet, a menudo mediante compresión o almacenamiento de datos en búfer o memoria intermedia para ajustarse a la velocidad de datos del ancho de banda Ethernet admitido.

Figura 1: Representación de los componentes clave de la cadena de señales en el lado de los sensores de las cámaras GigE Vision. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

La cadena de señales de la cámara GMSL utiliza una arquitectura serializadora/deserializadora (SerDes) que evita el uso de un procesador (Figura 2). En su lugar, el serializador convierte los datos paralelos del sensor de imagen en un flujo de datos serie de alta velocidad. En el back end, un deserializador vuelve a convertir los datos serie en forma paralela para su procesamiento por un sistema en chip (SoC) de la unidad de control electrónico (Cliente final).

Figura 2: Las cámaras GMSL utilizan una arquitectura de cadena de señales más sencilla en el lado de los sensores que GigE Vision. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

La arquitectura de cámara GMSL simplifica el diseño de cámaras de pequeño factor de forma y bajo consumo. Los serializadores pueden conectarse directamente a las cámaras a través de la interfaz estándar MIPI CSI-2 y transmitir datos en paquetes a través del enlace GMSL.

Un dispositivo host típico es una plataforma integrada personalizada con uno o más deserializadores que transmiten datos de imagen a través de transmisores MIPI en el mismo formato que la salida MIPI del sensor de imagen. Se necesitan nuevos controladores de cámara GMSL para los diseños personalizados, pero si existe un controlador para el sensor de imagen, puede utilizarse con solo unos pocos registros de perfil o escrituras de registro para permitir un flujo de video desde las cámaras a una unidad de control.

Componentes GMSL

ADI ofrece una amplia cartera de serializadores y deserializadores para soportar una variedad de interfaces. Presentan diseños PHY robustos, bajas tasas de error de bit (BER) y compatibilidad con versiones anteriores. Es posible unir cualquier protocolo de vídeo, por ejemplo, HDMI con la interfaz de pantalla LVDS abierta (oLDI).

Los ingenieros tendrán que seleccionar los mejores componentes en función de las necesidades de la aplicación, como las interfaces de los dispositivos, la velocidad de datos, el ancho de banda, el consumo de energía, las condiciones ambientales y la longitud del cable. Otros factores son la EMI, la gestión de errores y la integridad de la señal. Algunos ejemplos de los componentes GMSL de ADI son:

• MAX96717, un serializador de CSI-2 a GMSL2 (Figura 3), funciona a una velocidad fija de 3 Gbps o 6 Gbps en sentido de avance y 187.5 Mbps en sentido inverso.

Figura 3: Esquema que ilustra el flujo de datos utilizando los serializadores MAX96717. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

• MAX96716A, que convierte entradas serie GMSL2 duales a MIPI CSI-2. Las entradas GMSL2 funcionan de forma independiente y los datos de vídeo de ambas pueden agregarse para su salida en un único puerto CSI-2 o replicarse en un segundo puerto para redundancia.
• El MAX96724, un deserializador de túnel cuádruple, convierte cuatro entradas GMSL 2/1 en 2 salidas MIPI D-PHY o C-PHY. Las velocidades de enlace de datos son de 6/3 Gbps para GMSL2 y 3.12 Gbps para GMSL1, y las velocidades de enlace inverso de 187.5 Mbps para GMSL2 y 1 Mbps para GMSL1.
• El deserializador MAX96714 convierte una única entrada GMSL 2/1 en una salida MIPI CSI-2, con una velocidad fija de 3 Gbps o 6 Gbps en dirección directa y 187.5 Mbps en dirección inversa.
• El MAX96751 es un serializador GMSL2 con entrada HDMI 2.0 que convierte HDMI a protocolo serie GMSL2 simple o doble. También permite la transmisión dúplex completa y monocable de video y datos bidireccionales.
• El MAX9295D convierte flujos de datos MIPI CSI-2 de 4 carriles de uno o dos puertos a GMSL2 o GMSL1.

ADI también ofrece varias herramientas de desarrollo, como el kit de evaluación MAX96724-BAK-EVK# para los dispositivos MAX96724.

Conclusión:

Gracias a su menor complejidad, las cámaras GMSL son más compactas y, por lo general, pueden ofrecer una solución más rentable en comparación con GigE Vision. GMSL proporciona un transporte fiable de vídeo digital de alta resolución con latencia de microsegundos para una gama cada vez mayor de aplicaciones basadas en cámaras y pantallas, desde el aprendizaje automático y las operaciones autónomas hasta el infoentretenimiento y la seguridad. Millones de enlaces GMSL están mejorando la experiencia del controlador en la carretera hoy en día, dando fe de su fiabilidad y rendimiento.