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來(lái)源：DigiKey 作者：Pete Bartolik 由于汽車(chē)制造商對可靠性和性能要求嚴格，以及在惡劣電子環(huán)境條件下對快速數據傳輸速率的需要，為汽車(chē)應用開(kāi)發(fā)的技術(shù)經(jīng)常轉移到其他市場(chǎng)。正因如此，千兆位多媒體串行鏈路 (GMSL™) 相機在自動(dòng)化和機器人、智慧農業(yè)、數字醫療、航空電子、機器人軸以及零售和倉庫庫存管理等領(lǐng)域的視覺(jué)應用中找到了現成的市場(chǎng)。 Analog Devices GMSL 最初是為解決車(chē)載高速視頻和數據傳輸應用而推出的，它是一種被廣泛采用并經(jīng)過(guò)驗證的成熟技術(shù)，可將高速視頻鏈路的性能提升到新的水平，并通過(guò)單根電纜實(shí)現多數據流傳輸。 視覺(jué)應用需要非常大的數據流，以確保高質(zhì)量的視頻。全高清圖像由 1080 行 x 1920 列組成。這相當于 200 萬(wàn)像素，每個(gè)像素由一個(gè)紅色、綠色和藍色元素組成，因此共有 600 萬(wàn)個(gè)元素。每個(gè)元素代表 8 比特數據，因此每幀的數據量接近 50 Mbps。以每秒 60 幀的速度計算，一臺相機所需的數據傳輸速率超過(guò) 3.5 Gbps。 第一代 GMSL 于 2008 年推出，利用低壓差分信令 (LVDS) 標準提供最高 3.125 Gbps 的并行數據下行鏈路速率。特別適合用來(lái)傳輸來(lái)自多個(gè)相機系統、高級駕駛輔助應用系統 (ADAS) 以及用的越來(lái)越多的車(chē)載高清平板顯示器的數據。 第二代 GMSL2 于 2018 年推出，將數據傳輸速率提高到 6 Gbps，并支持更多標準的高速視頻接口，包括 HDMI 和 MIPI 接口標準，后者是用于消費類(lèi)和車(chē)載相機的常用圖像傳感器接口。這些進(jìn)步適應了全高清 (FHD) 顯示屏和分辨率高達 8 MP 的相機的需要。 最新一代 GMSL3 可通過(guò)單根電纜傳輸高達 12 Gbps 的數據，支持多個(gè) 4K 分辨率的數據流、多個(gè)顯示器的菊花鏈連接，以及多個(gè)相機（如位于車(chē)輛前部、后部和側面的相機）的聚合，以提供 360° 的觀(guān)察能力。如今，越來(lái)越多的汽車(chē)制造商在后視鏡和側視鏡上加裝相機，利用面向前方和后方的相機來(lái)避免碰撞，并利用車(chē)內相機來(lái)監控駕駛員和乘客的安全。GMSL3 可以匯總來(lái)自多個(gè)視頻的饋送以及激光雷達和雷達的數據。 隨著(zhù)相機尺寸縮小到 CMOS 傳感器的水平，它們可以以低成本、低功耗的方式產(chǎn)出曾經(jīng)被認為是不可思議的質(zhì)量。圖像傳感器有數百萬(wàn)個(gè)接收器元件，每個(gè)接收器元件將測量值轉換成數字值，連同同步信息一起通過(guò)并行接口的串行數據通道流式傳輸出去。 GMSL2 和 GMSL3 均采用 MIPI 接口標準，能夠讓設計人員和供應商將各種圖像傳感器用于 GMSL 相機。 GMSL 對 GigE 剛開(kāi)始研究視覺(jué)應用的工程師很快就會(huì )面臨這樣一個(gè)決定，是使用 GMSL 還是千兆位以太網(wǎng) (GigE) 視覺(jué)技術(shù)。GigE 之所以在工業(yè)應用中得到廣泛應用，主要是因為它依賴(lài)于以太網(wǎng)基礎設施和標準。 如今，2.5 GigE、5 GigE 和 10 GigE 的 GigE Vision 相機已經(jīng)普遍得到應用，而最先進(jìn)的 100 GigE 相機可以使用高達 100 Gbps 的數據速率。GMSL 旨在通過(guò)同軸電纜或屏蔽雙絞線(xiàn)傳輸數據，傳輸距離最遠為 15 米，而 GigE 的傳輸距離則為 100 米，不過(guò)在某些條件下這兩個(gè)極限都可能有所突破。 每種技術(shù)都能通過(guò)同一根電纜傳輸數據和電力：GMSL 使用同軸電纜供電 (PoC)，因此視頻、音頻、控制、數據和電能均可在單個(gè)通道上傳輸。大多數 GigE Vision 應用都依賴(lài)以太網(wǎng)供電 (PoE) 來(lái)實(shí)現 4 對以太網(wǎng)，或較少地使用數據線(xiàn)供電 (PoDL) 來(lái)實(shí)現單對以太網(wǎng) (SPE)。 系統要求和應用需求將決定哪種視覺(jué)技術(shù)最合適。例如，GigE Vision 可為單相機應用帶來(lái)一些優(yōu)勢，特別是當它們直接連接到帶有以太網(wǎng)端口的 PC 或嵌入式平臺時(shí)。 當使用多個(gè)相機時(shí)，GigE Vision 應用需要使用專(zhuān)用以太網(wǎng)交換機、帶有多個(gè)以太網(wǎng)端口的網(wǎng)絡(luò )接口卡 (NIC) 或以太網(wǎng)交換機 IC。這種切換要求可能會(huì )降低最大總數據傳輸速率，并在相機和終端設備之間帶來(lái)不可預測的延遲，而 GMSL 則提供了一種更簡(jiǎn)單、更直接的架構。 GigE Vision 設備可支持更高分辨率和更高幀率（或兩者同時(shí)支持），并提供額外的緩沖和壓縮。GMSL 設備不提供幀緩沖和處理功能，因此分辨率和幀率取決于圖像傳感器在鏈路帶寬內所能提供的支持。工程師需要在分辨率、幀率和像素位深之間進(jìn)行簡(jiǎn)單的權衡。 GMSL 簡(jiǎn)化了高速視頻架構 GigE Vision 相機通常使用一個(gè)信號鏈，其中包括圖像傳感器、處理器和以太網(wǎng)物理層 (PHY)（圖 1）。來(lái)自傳感器的原始圖像數據由處理器轉換成以太網(wǎng)幀，通常依靠壓縮或幀緩沖來(lái)適應所支持以太網(wǎng)帶寬的數據速率。 
圖 1：GigE Vision 相機傳感器側關(guān)鍵信號鏈組件示意圖。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.） GMSL 相機信號鏈采用串行器/解串器 (SerDes) 架構，避免使用處理器（圖 2）。相反，圖像傳感器并行數據由串行器轉換為高速串行數據流。在后端，解串器將串行數據轉換回并行形式，供電子控制單元（ECU）片上系統 (SoC) 處理。
圖 2：與 GigE Vision 相比，GMSL 相機在傳感器側采用了更簡(jiǎn)單的信號鏈架構。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.） GMSL 相機架構使設計低功耗的小型相機變得更加簡(jiǎn)單。串行器可通過(guò)標準 MIPI CSI-2 接口直接連接相機，并通過(guò) GMSL 鏈路傳輸分組數據。 典型的主機設備是一個(gè)定制的嵌入式平臺，帶有一個(gè)或多個(gè)解串器，通過(guò) MIPI 發(fā)射器以與圖像傳感器 MIPI 輸出相同的格式傳輸圖像數據。定制設計需要新的 GMSL 相機驅動(dòng)程序，但如果已有圖像傳感器驅動(dòng)程序，則只需使用幾個(gè)配置文件寄存器或進(jìn)行寄存器寫(xiě)入，就能實(shí)現從相機到控制單元的視頻流。 GMSL 組件 ADI 提供全系串行器和解串器產(chǎn)品組合，支持各種接口。這些產(chǎn)品組合具有強大的 PHY 設計、低誤碼率 (BER) 和向后兼容性。任何視頻協(xié)議都可以橋接在一起。例如，將 HDMI 連接到開(kāi)放式 LVDS 顯示接口 (oLDI)。 工程師需要根據設備接口、數據傳輸速率、帶寬、功耗、環(huán)境條件和電纜長(cháng)度等應用需求選擇最佳組件。其他因素包括電磁干擾、錯誤處理和信號完整性。以下為 ADI 的幾個(gè) GMSL 組件實(shí)例： · MAX96717，是 CSI-2 轉 GMSL2 串行器（圖 3），工作速率固定為正向 3 Gbps 或 6 Gbps，反向 187.5 Mbps。
圖 3：使用 MAX96717 串行器說(shuō)明數據流的示意圖。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.） · MAX96716A，可將雙 GMSL2 串行輸入轉換為 MIPI CSI-2。GMSL2 輸入可獨立運行，來(lái)自?xún)蓚�(gè)輸入端的視頻數據可在單個(gè) CSI-2 端口匯聚以進(jìn)行輸出，或在第二個(gè)端口進(jìn)行冗余復制。 · MAX96724，是一款四通道隧道式解串器，可將四個(gè) GMSL 2/1 輸入轉換為兩個(gè) MIPI D-PHY 或 C-PHY 輸出。數據鏈路速率：GMSL2 為 6/3 Gbps，GMSL1 為 3.12 Gbps；反向鏈路速率：GMSL2 為 187.5 Mbps，GMSL1 為 1 Mbps。 · MAX96714 解串器將單個(gè) GMSL 2/1 輸入轉換為 MIPI CSI-2 輸出，具有 3 Gbps 或 6 Gbps 正向固定速率和 187.5 Mbps 的反向固定速率。 · MAX96751 是一款帶有 HDMI 2.0 輸入的 GMSL2 串行器，可將 HDMI 轉換為單通道或雙通道 GMSL2 串行協(xié)議。它還能實(shí)現視頻和雙向數據的全雙工單線(xiàn)傳輸。 · MAX9295D 可將單端口或雙端口 4 通道 MIPI CSI-2 數據流轉換為 GMSL2 或 GMSL1。 ADI 還提供多種開(kāi)發(fā)工具，如用于 MAX96724 器件的 MAX96724-BAK-EVK# 評估套件。 結語(yǔ) 與 GigE Vision 相比，GMSL 相機的復雜性更低，結構更緊湊，通常能夠提供更具成本效益的解決方案。GMSL 為越來(lái)越多基于相機和顯示屏的應用（從機器學(xué)習和自主操作到信息娛樂(lè )和安全）提供可靠的微秒級延遲的高分辨率數字視頻傳輸。如今，數以百萬(wàn)計的 GMSL 鏈路正在改善著(zhù)駕駛員的道路體驗，證明了其可靠性和性能。 |
