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以GMSL取代GigE Vision的相機應用方案
 

【作者: Kainan Wang】   2024年02月27日 星期二

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Gigabit Multimedia Serial Link(GMSL)和Gigabit Ethernet(GigE)是相機應用中兩種流行的鏈路技術,常見於不同的終端市場。本文對兩種技術的系統架構、關鍵特性和侷限性進行了比較分析。這將有助於解釋此兩種技術的基本原理,並深入瞭解為什麼GMSL相機是GigE Vision相機的可行替代方案。


GigE Vision是基於乙太網路基礎架構和協定的網路相機介面標準,其廣泛用於工業領域。ADI的GMSL是一種專門用於影像資料傳輸的點對點串列鏈路技術,最初是為汽車攝影鏡頭和顯示應用而設計的。


此兩種技術的目的,都是為在擴展圖像感測器影像資料的傳輸距離,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相機在汽車之外的領域得到採用,通常是成為GigE Vision相機的替代方案。


典型系統架構

圖像感測器連接

GigE Vision相機的訊號鏈(如圖一所示)通常由三個主要元件組成:圖像感測器、處理器和乙太網路PHY。處理器將圖像感測器中的原始圖像資料轉換為乙太網幀,該過程通常涉及影像處理和壓縮或幀緩衝,以使資料速率適合乙太網路支援的頻寬。



圖一 : GigE Vision相機感測器側的主要訊號鏈元件
圖一 : GigE Vision相機感測器側的主要訊號鏈元件

GMSL相機的訊號鏈(如圖二所示)通常更加簡單,僅包含圖像感測器和串列器。在典型應用中,串列器轉換圖像感測器中的原始資料,然後以其原始格式透過鏈路發送。這些相機無需處理器,設計更簡單,更適合需要精巧尺寸相機和低功耗的應用。



圖二 : GMSL相機感測器側的主要訊號鏈元件
圖二 : GMSL相機感測器側的主要訊號鏈元件

主機處理器連接

GigE Vision相機因其與眾多主機裝置的相容性而受到業界的廣泛認可。GigE埠幾乎是個人電腦(PC)或嵌入式平台的標準配置。一些GigE Vision相機可以使用通用驅動程式,提供真正的隨插即用體驗。


GMSL相機需要主機側提供解串器。在大多數用例中,主機裝置是具有一個或多個解串器的客製化嵌入式平台。解串器透過其MIPI發送器以圖像感測器MIPI輸出的原始格式傳輸圖像資料。對於此類相機,每種客製化相機設計都需要一個匹配的驅動程式,就像任何其他MIPI攝影鏡頭一樣。然而如果圖像感測器的驅動程式已存在,則一對SerDes只需要幾個預設暫存器或執行幾次暫存器寫操作,就能將影像流從相機傳輸到SoC。


當僅使用一個相機時,GigE Vision在系統複雜性方面可能比GMSL有一些優勢,因為其可以直接連接到具有乙太網路埠的PC或嵌入式平台。然而當使用多個GigE相機時,就需要乙太網路交換器。其可以是專用乙太網路交換器裝置、具有多個乙太網埠的網路介面卡(NIC)或多個乙太網埠與SoC之間的乙太網路交換IC。在某些情況下,這將導致最大總數據速率降低,更糟糕的是,這將帶來不可預測的延遲,具體情況取決於相機和終端裝置之間的介面。(圖三)。



圖三 : 典型GigE Vision網路
圖三 : 典型GigE Vision網路

在GMSL相機系統中,一個解串器可以連接多達四個鏈路,其MIPI C-PHY或D-PHY發送器支援四個相機的總頻寬。只要SoC能夠因應聚合後的資料速率,使用一個或多個GMSL元件就不會影響頻寬或增加過多系統複雜性。



圖四 : 典型GMSL相機到主機的連接
圖四 : 典型GMSL相機到主機的連接

特性比較

感測器介面

GMSL串列器僅支援並行LVDS (GMSL1)和MIPI (GMSL2/GMSL3)感測器介面。MIPI是消費性電子和汽車攝影鏡頭廣泛使用的圖像感測器介面,因此GMSL相機可以支援種類眾多的圖像感測器。然而,由於GigE Vision相機內部使用了處理器,其在感測器介面方面更加彈性。


影像規格

工作原理

圖五顯示了連續影像流中資料從圖像感測器傳輸到GMSL鏈路或GigE網路的時序圖示例。



圖五 : 影像傳輸時序圖
圖五 : 影像傳輸時序圖

在影像流的每一幀中,圖像感測器在曝光週期之後立即發出資料,然後在下一幀開始之前進入空閒狀態。示例圖更能展示全域快門感測器的情況。對於滾動快門感測器,其曝光和讀出是每行單獨控制的,因此幀級別上的曝光和讀出週期會有重疊。


感測器側的GMSL串列器對圖像感測器中的資料進行序列化,然後立即透過其專有協議將資料傳輸到鏈路。


GigE Vision相機中的處理器會緩衝,並且通常還會處理圖像感測器中的資料,然後將影像資料排列在乙太網幀中並將其發送到網路。


鏈路速率

鏈路速率規定了鏈路上資料傳輸的理論最大速度。當比較不同資料連結技術時,鏈路速率通常是關鍵指標。GMSL2、GMSL3和GigE Vision均使用離散的固定鏈路速率。


GMSL2支援3 Gbps和6 Gbps的資料速率。GMSL3支援12 Gbps的資料速率,並且所有GMSL3裝置都以GMSL2協定向後相容GMSL2裝置。


GigE Vision遵循乙太網路標準。GigE、2.5 GigE、5 GigE和10 GigE Vision相機經常出現在常見應用中。顧名思義,其分別支援1 Gbps至高達10 Gbps的鏈路速率。先進的GigE Vision相機將支援100 Gbps鏈路速率的100 GigE。1對於GigE Vision,所有高速協定都將向後支援低速協定。


儘管鏈路速率與影像解析度、畫面播放速率和延遲密切相關,但僅根據鏈路速率很難對此兩種技術進行直接比較。


有效影像資料速率

在資料通訊中,有效資料速率描述了不包括協定開銷的資料速率容量,此概念也適用於影像資料通訊。通常,一個資料封包或一幀中傳輸的有效影像資料量為:像素位元深度×像素數。圖六說明了有效影像資料和開銷之間的關係。



圖六 : 資料幀/資料封包中的有效載荷和開銷
圖六 : 資料幀/資料封包中的有效載荷和開銷

GMSL以資料封包的形式傳輸影像資料。GMSL2和GMSL3裝置使用固定的資料封包大小,因此有效影像資料速率也有明確定義。以GMSL2設備為例。當鏈路設定為6 Gbps時,建議使用不超過5.2 Gbps的影像頻寬。由於鏈路還承載來自感測器MIPI介面的一些開銷和消隱時間,因此5.2 Gbps反映了所有輸入MIPI資料通道的聚合資料速率,而不是每秒5.2 Gb的影像資料。


乙太網路以幀的形式傳輸資料。GigE Vision沒有標準幀大小,其通常作為軟體解決方案的一個權衡因素來提高效率(長幀的優勢)或減少延遲(短幀的優勢)。對於這些相機,開銷通常不超過5%。較高速度的乙太網路會降低使用長幀的風險,以實現更好的有效影像資料速率。


此兩種技術都以突發方式傳輸資料。因此,較長期間(一個影像幀或更長時間)內的平均數據速率甚至可能低於傳輸期間的有效影像資料速率。對於GMSL相機,突發時間僅取決於圖像感測器的讀出時間,實際應用中的突發比可能達到100%以支援完整的有效影像資料速率。GigE Vision相機可能用在更複雜和不可預測的網路環境中,在此種情況下,為了避免資料衝突,突發比通常較低(見圖七示例)。



圖七 : GMSL和GigE Vision網路的資料流程量
圖七 : GMSL和GigE Vision網路的資料流程量

解析度和畫面播放速率

解析度和畫面播放速率是攝影機的兩個非常重要的規格,其是提升鏈路速率的關鍵驅動因素。對於這些規格,兩種技術各有利弊。


GMSL裝置不提供幀緩衝和處理。解析度和畫面播放速率全部取決於圖像感測器或感測器側ISP在鏈路頻寬內的支援能力,而這通常是解析度、畫面播放速率和像素位元深度之間的簡單權衡。


GigE Vision的模型更為複雜。儘管在許多情況下其可用鏈路速率比GMSL慢,但其可以利用額外的緩衝和壓縮來支援更高解析度和/或更高畫面播放速率。然而這一切的代價是延遲和功耗的增加,並且相機系統兩側需要使用昂貴的元件。在一些不太常見的使用案例中,此類相機也以較低畫面播放速率傳輸原始圖像資料。


延遲

延遲是攝影機的另一個關鍵規格,尤其是在即時處理資料和做出決策的應用中。從串列器的輸入/感測器的輸出到解串器的輸出/接收SoC的輸入,GMSL相機系統的延遲較低且具有確定性。


由於內部處理和更複雜的網路流量,GigE Vision相機的延遲通常較高且不具有確定性。然而,這些延遲並不總是會導致系統級延遲更長,尤其是當相機側處理屬於系統圖像流水線的一部分且更專用、更高效時。


其他特性

傳輸距離

根據設計,GMSL串列器和解串器可在乘用車中使用同軸電纜將資料傳輸15公尺之遠。但是,只要相機硬體系統滿足GMSL通道規範,則傳輸距離不限於15公尺。


透過乙太網路協定,GigE Vision可以使用銅纜將資料傳輸100公尺之遠,使用光纖甚至可以更遠,不過其可能會失去一些特性,例如乙太網路供電(PoE)。


PoC和PoE/PoDL

此兩種技術都能夠透過同一條電纜傳輸電力和資料。GMSL使用同軸電纜供電(PoC),GigE Vision針對4對乙太網路使用PoE,針對單對乙太網路(SPE)使用資料線供電(PoDL)。大多數GigE Vision相機使用傳統的4對線和PoE。


PoC很簡單,採用同軸電纜配置的相機應用通常預設使用這種方式。在此種配置中,鏈路上的電力和資料來自單根電線,並且PoC電路僅需要幾個被動元件。


支援1 Gbps或更高資料速率的PoE電路需要專用電路,相機和主機(或交換器)側均需要主動元件。這使得PoE功能成本更高且不易取得。支援PoE的GigE Vision相機通常還具有本地外部供電選項。


周邊控制和系統連接

GMSL作為專用相機或顯示器鏈路,其並非設計用來支援各種各樣的周邊裝置。在典型的GMSL相機應用中,鏈路傳輸控制訊號(UART、I2C和SPI),僅與溫度感測器、環境光感測器、IMU、LED控制器等相機周邊進行通訊。使用GMSL作為相機介面的較大系統通常還有其他低速介面,例如CAN和乙太網路,以便與其他設備通訊。


GigE Vision相機一般利用其內建處理器處理相機周邊控制。作為工業應用中流行的連接解決方案,工業乙太網路有多種標準協定來支援多樣化的機器和裝置,GigE Vision相機透過其軟體和硬體介面直接連接到網路。


相機觸發和時間戳記

GMSL鏈路的正向和反向通道均支援μs級的低延遲GPIO和I2C訊號隧道,從而支援不同的相機觸發/同步配置。GMSL相機系統中的觸發訊號源可以來自解串器側的SoC,也可以來自串列器側的圖像感測器之一。


GigE Vision相機通常通過專用接腳/埠或乙太網路觸發/同步資料封包來提供硬體和軟體觸發選項。在典型應用中,硬體觸發作為標準方法,用於與其他相機或非相機裝置進行回應靈敏且準確的同步。這些相機的軟體觸發的主要問題是網路延遲。儘管有一些協議可用於提高同步精度,但其若不是精度不夠高(網路時間協定(NTP),同步到ms級),就是性價比不高(精密時間協議(PTP),同步到μs級,但需要相容的硬體)。


當在乙太網路上使用同步協定時,來自同一網路的所有裝置(包括GigE Vision相機)將能夠在同一時脈域中提供時間戳記。


GMSL沒有時間戳記功能。有些圖像感測器可以透過MIPI嵌入式標頭提供時間戳記,但這通常不與更高級別系統上的其他裝置相關。在某些系統架構中,GMSL解串器會連接到PTP網路上的SoC以使用集中式時脈。


結語

總之(見表一),GMSL是現有GigE Vision解決方案的有力替代方案。相較於GigE Vision相機,GMSL相機通常能以更低的成本、更低的功耗、更簡單的系統架構和更精巧的系統尺寸提供同等或更好的鏈路速率和特性。


表一:GMSL與GigE Vision主要特性比較

 

GMSL

GigE Vision

拓撲結構

點對點

點對點或透過網路交換器

資料連結速率(Gbps)

3/6/12,專用

1/2.5/5/10,共用

感測器介面來自PHY

是,MIPI D-PHY/C-PHY

控制訊號

即時

當網路空閒時

視訊壓縮

影像延遲

低且具確定性

高(影像處理)、不具確定性(網路條件)

相機觸發

雙向直通鏈路,µS級延遲

觸發接腳(附加硬體)、乙太網路資料封包
(延遲不具確定性)

尺寸

5 mm × 5 mm(GMSL2串列器)

5 mm × 5 mm (GigE PHY),處理器除外

功耗

260 mW(GMSL2串列器)

> 300 mW (GigE PHY),處理器除外

隨插即用

否,需要MIPI驅動程式

電纜供電

簡單,被動網路

複雜,主動元件

標準網路同步協定

傳輸距離

15 m(GMSL2,6 Gbps)

*假設老化,105°C LEONI Dacar 302同軸電纜(–1.1 dB/m)

100 m


此外,由於GMSL最初是為汽車應用而設計的,因此其已經在惡劣的環境中經過了汽車工程師幾十年的驗證。在可靠性和功能安全非常重要的系統開發中,GMSL將為工程師和系統架構師提供信心保證。


(本文作者Kainan Wang為ADI 系統應用工程師)


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