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以GMSL取代GigE Vision的相机应用方案
 

【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)是相机应用中两种流行的链路技术,常见於不同的终端市场。本文对两种技术的系统架构、关键特性和局限性进行了比较分析。这将有助於解释此两种技术的基本原理,并深入了解为什麽GMSL相机是GigE Vision相机的可行替代方案。


GigE Vision是基於乙太网路基础架构和协定的网路相机介面标准,其广泛用於工业领域。ADI的GMSL是一种专门用於影像资料传输的点对点串列链路技术,最初是为汽车摄影镜头和显示应用而设计的。


此两种技术的目的,都是为在扩展图像感测器影像资料的传输距离,但每种解决方案有其各自的特性。多年来,我们看到越来越多的GMSL相机在汽车之外的领域得到采用,通常是成为GigE Vision相机的替代方案。


典型系统架构

图像感测器连接

GigE Vision相机的讯号链(如图一所示)通常由三个主要元件组成:图像感测器、处理器和乙太网路PHY。处理器将图像感测器中的原始图像资料转换为乙太网帧,该过程通常涉及影像处理和压缩或帧缓冲,以使资料速率适合乙太网路支援的频宽。



图一 : GigE Vision相机感测器侧的主要讯号链元件
图一 : GigE Vision相机感测器侧的主要讯号链元件

GMSL相机的讯号链(如图二所示)通常更加简单,仅包含图像感测器和串列器。在典型应用中,串列器转换图像感测器中的原始资料,然後以其原始格式透过链路发送。这些相机无需处理器,设计更简单,更适合需要精巧尺寸相机和低功耗的应用。



图二 : GMSL相机感测器侧的主要讯号链元件
图二 : GMSL相机感测器侧的主要讯号链元件

主机处理器连接

GigE Vision相机因其与众多主机装置的相容性而受到业界的广泛认可。GigE埠几??是个人电脑(PC)或嵌入式平台的标准配置。一些GigE Vision相机可以使用通用驱动程式,提供真正的随??即用体验。


GMSL相机需要主机侧提供解串器。在大多数用例中,主机装置是具有一个或多个解串器的客制化嵌入式平台。解串器透过其MIPI发送器以图像感测器MIPI输出的原始格式传输图像资料。对於此类相机,每种客制化相机设计都需要一个匹配的驱动程式,就像任何其他MIPI摄影镜头一样。然而如果图像感测器的驱动程式已存在,则一对SerDes只需要几个预设暂存器或执行几次暂存器写操作,就能将影像流从相机传输到SoC。


当仅使用一个相机时,GigE Vision在系统复杂性方面可能比GMSL有一些优势,因为其可以直接连接到具有乙太网路埠的PC或嵌入式平台。然而当使用多个GigE相机时,就需要乙太网路交换器。其可以是专用乙太网路交换器装置、具有多个乙太网埠的网路介面卡(NIC)或多个乙太网埠与SoC之间的乙太网路交换IC。在某些情况下,这将导致最大总数据速率降低,更糟糕的是,这将带来不可预测的延迟,具体情况取决於相机和终端装置之间的介面。(图三)。



图三 : 典型GigE Vision网路
图三 : 典型GigE Vision网路

在GMSL相机系统中,一个解串器可以连接多达四个链路,其MIPI C-PHY或D-PHY发送器支援四个相机的总频宽。只要SoC能够因应聚合後的资料速率,使用一个或多个GMSL元件就不会影响频宽或增加过多系统复杂性。



图四 : 典型GMSL相机到主机的连接
图四 : 典型GMSL相机到主机的连接

特性比较

感测器介面

GMSL串列器仅支援并行LVDS (GMSL1)和MIPI (GMSL2/GMSL3)感测器介面。MIPI是消费性电子和汽车摄影镜头广泛使用的图像感测器介面,因此GMSL相机可以支援种类众多的图像感测器。然而,由於GigE Vision相机内部使用了处理器,其在感测器介面方面更加弹性。


影像规格

工作原理

图五显示了连续影像流中资料从图像感测器传输到GMSL链路或GigE网路的时序图示例。



图五 : 影像传输时序图
图五 : 影像传输时序图

在影像流的每一帧中,图像感测器在曝光周期之後立即发出资料,然後在下一帧开始之前进入空闲状态。示例图更能展示全域快门感测器的情况。对於滚动快门感测器,其曝光和读出是每行单独控制的,因此帧级别上的曝光和读出周期会有重叠。


感测器侧的GMSL串列器对图像感测器中的资料进行序列化,然後立即透过其专有协议将资料传输到链路。


GigE Vision相机中的处理器会缓冲,并且通常还会处理图像感测器中的资料,然後将影像资料排列在乙太网帧中并将其发送到网路。


链路速率

链路速率规定了链路上资料传输的理论最大速度。当比较不同资料连结技术时,链路速率通常是关键指标。GMSL2、GMSL3和GigE Vision均使用离散的固定链路速率。


GMSL2支援3 Gbps和6 Gbps的资料速率。GMSL3支援12 Gbps的资料速率,并且所有GMSL3装置都以GMSL2协定向後相容GMSL2装置。


GigE Vision遵循乙太网路标准。GigE、2.5 GigE、5 GigE和10 GigE Vision相机经常出现在常见应用中。顾名思义,其分别支援1 Gbps至高达10 Gbps的链路速率。先进的GigE Vision相机将支援100 Gbps链路速率的100 GigE。1对於GigE Vision,所有高速协定都将向後支援低速协定。


尽管链路速率与影像解析度、画面播放速率和延迟密切相关,但仅根据链路速率很难对此两种技术进行直接比较。


有效影像资料速率

在资料通讯中,有效资料速率描述了不包括协定开销的资料速率容量,此概念也适用於影像资料通讯。通常,一个资料封包或一帧中传输的有效影像资料量为:像素位元深度×像素数。图六说明了有效影像资料和开销之间的关系。



图六 : 资料帧/资料封包中的有效载荷和开销
图六 : 资料帧/资料封包中的有效载荷和开销

GMSL以资料封包的形式传输影像资料。GMSL2和GMSL3装置使用固定的资料封包大小,因此有效影像资料速率也有明确定义。以GMSL2设备为例。当链路设定为6 Gbps时,建议使用不超过5.2 Gbps的影像频宽。由於链路还承载来自感测器MIPI介面的一些开销和消隐时间,因此5.2 Gbps反映了所有输入MIPI资料通道的聚合资料速率,而不是每秒5.2 Gb的影像资料。


乙太网路以帧的形式传输资料。GigE Vision没有标准帧大小,其通常作为软体解决方案的一个权衡因素来提高效率(长帧的优势)或减少延迟(短帧的优势)。对於这些相机,开销通常不超过5%。较高速度的乙太网路会降低使用长帧的风险,以实现更好的有效影像资料速率。


此两种技术都以突发方式传输资料。因此,较长期间(一个影像帧或更长时间)内的平均数据速率甚至可能低於传输期间的有效影像资料速率。对於GMSL相机,突发时间仅取决於图像感测器的读出时间,实际应用中的突发比可能达到100%以支援完整的有效影像资料速率。GigE Vision相机可能用在更复杂和不可预测的网路环境中,在此种情况下,为了避免资料冲突,突发比通常较低(见图七示例)。



图七 : GMSL和GigE Vision网路的资料流程量
图七 : GMSL和GigE Vision网路的资料流程量

解析度和画面播放速率

解析度和画面播放速率是摄影机的两个非常重要的规格,其是提升链路速率的关键驱动因素。对於这些规格,两种技术各有利弊。


GMSL装置不提供帧缓冲和处理。解析度和画面播放速率全部取决於图像感测器或感测器侧ISP在链路频宽内的支援能力,而这通常是解析度、画面播放速率和像素位元深度之间的简单权衡。


GigE Vision的模型更为复杂。尽管在许多情况下其可用链路速率比GMSL慢,但其可以利用额外的缓冲和压缩来支援更高解析度和/或更高画面播放速率。然而这一切的代价是延迟和功耗的增加,并且相机系统两侧需要使用昂贵的元件。在一些不太常见的使用案例中,此类相机也以较低画面播放速率传输原始图像资料。


延迟

延迟是摄影机的另一个关键规格,尤其是在即时处理资料和做出决策的应用中。从串列器的输入/感测器的输出到解串器的输出/接收SoC的输入,GMSL相机系统的延迟较低且具有确定性。


由於内部处理和更复杂的网路流量,GigE Vision相机的延迟通常较高且不具有确定性。然而,这些延迟并不总是会导致系统级延迟更长,尤其是当相机侧处理属於系统图像流水线的一部分且更专用、更高效时。


其他特性

传输距离

根据设计,GMSL串列器和解串器可在乘用车中使用同轴电缆将资料传输15公尺之远。但是,只要相机硬体系统满足GMSL通道规范,则传输距离不限於15公尺。


透过乙太网路协定,GigE Vision可以使用铜缆将资料传输100公尺之远,使用光纤甚至可以更远,不过其可能会失去一些特性,例如乙太网路供电(PoE)。


PoC和PoE/PoDL

此两种技术都能够透过同一条电缆传输电力和资料。GMSL使用同轴电缆供电(PoC),GigE Vision针对4对乙太网路使用PoE,针对单对乙太网路(SPE)使用资料线供电(PoDL)。大多数GigE Vision相机使用传统的4对线和PoE。


PoC很简单,采用同轴电缆配置的相机应用通常预设使用这种方式。在此种配置中,链路上的电力和资料来自单根电线,并且PoC电路仅需要几个被动元件。


支援1 Gbps或更高资料速率的PoE电路需要专用电路,相机和主机(或交换器)侧均需要主动元件。这使得PoE功能成本更高且不易取得。支援PoE的GigE Vision相机通常还具有本地外部供电选项。


周边控制和系统连接

GMSL作为专用相机或显示器链路,其并非设计用来支援各种各样的周边装置。在典型的GMSL相机应用中,链路传输控制讯号(UART、I2C和SPI),仅与温度感测器、环境光感测器、IMU、LED控制器等相机周边进行通讯。使用GMSL作为相机介面的较大系统通常还有其他低速介面,例如CAN和乙太网路,以便与其他设备通讯。


GigE Vision相机一般利用其内建处理器处理相机周边控制。作为工业应用中流行的连接解决方案,工业乙太网路有多种标准协定来支援多样化的机器和装置,GigE Vision相机透过其软体和硬体介面直接连接到网路。


相机触发和时间戳记

GMSL链路的正向和反向通道均支援μs级的低延迟GPIO和I2C讯号隧道,从而支援不同的相机触发/同步配置。GMSL相机系统中的触发讯号源可以来自解串器侧的SoC,也可以来自串列器侧的图像感测器之一。


GigE Vision相机通常通过专用接脚/埠或乙太网路触发/同步资料封包来提供硬体和软体触发选项。在典型应用中,硬体触发作为标准方法,用於与其他相机或非相机装置进行回应灵敏且准确的同步。这些相机的软体触发的主要问题是网路延迟。尽管有一些协议可用於提高同步精度,但其若不是精度不够高(网路时间协定(NTP),同步到ms级),就是性价比不高(精密时间协议(PTP),同步到μs级,但需要相容的硬体)。


当在乙太网路上使用同步协定时,来自同一网路的所有装置(包括GigE Vision相机)将能够在同一时脉域中提供时间戳记。


GMSL没有时间戳记功能。有些图像感测器可以透过MIPI嵌入式标头提供时间戳记,但这通常不与更高级别系统上的其他装置相关。在某些系统架构中,GMSL解串器会连接到PTP网路上的SoC以使用集中式时脉。


结语

总之(见表一),GMSL是现有GigE Vision解决方案的有力替代方案。相较於GigE Vision相机,GMSL相机通常能以更低的成本、更低的功耗、更简单的系统架构和更精巧的系统尺寸提供同等或更好的链路速率和特性。


表一:GMSL与GigE Vision主要特性比较

 

GMSL

GigE Vision

拓扑结构

点对点

点对点或透过网路交换器

资料连结速率(Gbps)

3/6/12,专用

1/2.5/5/10,共用

感测器介面来自PHY

是,MIPI D-PHY/C-PHY

控制讯号

即时

当网路空闲时

视讯压缩

影像延迟

低且具确定性

高(影像处理)、不具确定性(网路条件)

相机触发

双向直通链路,µS级延迟

触发接脚(附加硬体)、乙太网路资料封包
(延迟不具确定性)

尺寸

5 mm × 5 mm(GMSL2串列器)

5 mm × 5 mm (GigE PHY),处理器除外

功耗

260 mW(GMSL2串列器)

> 300 mW (GigE PHY),处理器除外

随??即用

否,需要MIPI驱动程式

电缆供电

简单,被动网路

复杂,主动元件

标准网路同步协定

传输距离

15 m(GMSL2,6 Gbps)

*假设老化,105°C LEONI Dacar 302同轴电缆(–1.1 dB/m)

100 m


此外,由於GMSL最初是为汽车应用而设计的,因此其已经在恶劣的环境中经过了汽车工程师几十年的验证。在可靠性和功能安全非常重要的系统开发中,GMSL将为工程师和系统架构师提供信心保证。


(本文作者Kainan Wang为ADI 系统应用工程师)


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