Utilice GMSL para satisfacer con fiabilidad los requisitos de video industrial y de automoción de gran ancho de banda

Las aplicaciones industriales y de automoción dependen cada vez más de sistemas de imagen de alta resolución que deben suministrar datos de video en tiempo real y con gran ancho de banda de forma fiable y eficiente. Aunque GigE Vision se conoce bien y se utiliza ampliamente, las exigencias de las nuevas aplicaciones están impulsando la búsqueda de alternativas. La tecnología Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL) es una de esas alternativas, ya que ofrece compatibilidad con varias cámaras, procesamiento riguroso en tiempo real, menor complejidad, determinismo, bajo consumo y un formato compacto.

Este artículo ofrece un breve resumen de las principales diferencias entre GigE Vision y GMSL. A continuación, presenta las soluciones GMSL de Analog Devices y muestra cómo pueden utilizarse para reducir significativamente la complejidad del sistema, mejorar la fiabilidad y permitir una transmisión eficaz de video en tiempo real.

Cómo influye la tecnología de interfaz de la cámara en el rendimiento

Diferentes tecnologías de interfaz ofrecen soluciones para ampliar la distancia entre los sensores de las cámaras y el procesador host y cumplir así los requisitos básicos de muchas aplicaciones de imagen. Basado en la tecnología Gigabit Ethernet (GbE), el estándar de interfaz de cámara GigE Vision se ha ganado una amplia adopción. Las cámaras GigE Vision suelen basarse en una cadena de señales con tres componentes principales: un sensor de imagen, un procesador y una interfaz de capa física (PHY) Ethernet (Figura 1).

Figura 1: Las cámaras Ethernet utilizan una cadena de señales basada en un procesador que almacena y procesa los datos del sensor de imagen antes de su transmisión. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

En cuanto a los sensores, las cámaras GigE Vision pueden utilizar su procesador interno para admitir protocolos de interfaz de sensor personalizados. En cuanto a la transmisión, al utilizar Ethernet estándar, las cámaras GigE Vision ofrecen compatibilidad con una amplia gama de dispositivos host. Por ejemplo, las computadoras personales y los sistemas integrados suelen incluir un puerto GbE como interfaz estándar. Si la cámara GigE Vision es compatible con un controlador universal, que suele estar disponible con estos sistemas, funciona como un periférico plug-and-play más.

Las soluciones basadas en Ethernet pueden ser ventajosas para aplicaciones de una sola cámara, pero requieren hardware adicional para su uso en aplicaciones de varias cámaras. Normalmente, estas aplicaciones requieren un conmutador Ethernet dedicado adicional o una tarjeta de interfaz de red (NIC) para gestionar los múltiples flujos de datos. La inclusión de estos dispositivos en la ruta de datos de video puede comprometer el rendimiento y la latencia entre las cámaras y el host.

Alternativamente, la tecnología GMSL de Analog Devices emplea un enfoque de enlace serie punto a punto, ofreciendo una solución eficaz para aplicaciones que requieren múltiples cámaras con una latencia mínima. Las cámaras GMSL, diseñadas originalmente para aplicaciones de automoción, se están adoptando cada vez más fuera de este sector como alternativa a las cámaras basadas en Ethernet.

En una aplicación basada en GMSL, varias cámaras GMSL compactas pueden conectarse a un único host GMSL sin comprometer el rendimiento ni la latencia, siempre que el sistema en chip (SoC) del host admita todo el ancho de banda de todas las cámaras (Figura 2).

Figura 2: Las aplicaciones multicámara GMSL utilizan cámaras sencillas (izquierda) con enlaces GMSL individuales que convergen en un único host (derecha). (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Las cámaras que utilizan GMSL suelen emplear una cadena de señales simplificada que comprende un sensor de imagen y un serializador GMSL. Los serializadores GMSL admiten dos interfaces de sensor estándar:

• Los dispositivos GMSL de primera generación (GMSL1) admiten la interfaz paralela de señalización diferencial de bajo voltaje (LVDS).
• Los dispositivos GMSL de segunda generación (GMSL2) y GMSL de tercera generación (GMSL3) son compatibles con el popular estándar Mobile Industry Processor Interface (MIPI), lo que permite utilizar una amplia gama de sensores de imagen líderes en el mercado en las cámaras GMSL.

En la mayoría de las aplicaciones, los datos brutos del sensor de imagen se serializan y se envían a través de un enlace GMSL en su formato original. Al eliminar la necesidad de un procesador y otros componentes de apoyo, las cámaras GMSL son más sencillas de diseñar y fabricar. También ofrecen una solución más eficaz para aplicaciones que requieren un formato de cámara compacto y un bajo consumo de energía.

El host de un enlace GMSL suele ser un sistema integrado personalizado que combina uno o varios deserializadores de hardware. Unas pocas líneas de código en ejecución en el host son generalmente suficientes para acceder a estos deserializadores de hardware y adquirir datos. En los casos en los que existe un controlador para el sensor de imagen, los desarrolladores solo tienen que configurar los registros adecuados para leer el flujo de video de la cámara. Los kits de evaluación de dispositivos GMSL de Analog Devices incluyen el software necesario para acceder a estos dispositivos y explorar sus capacidades. Para obtener soporte adicional para el desarrollo de GMSL, Analog Devices proporciona un repositorio de software de código abierto para la tecnología GMSL.

Configuración de aplicaciones multicámara

Las ventajas de rendimiento de GMSL se derivan de la forma en que esta tecnología gestiona la transmisión de un flujo de video (Figura 3).

Figura 3: Tras la exposición y lectura del sensor de imagen (arriba), una cámara GMSL serializa y transmite paquetes de datos de video sin procesar antes de entrar en estado de reposo hasta el siguiente fotograma (centro); una cámara GigE Vision almacena en búfer, procesa y transmite datos en fotogramas Ethernet antes de entrar en estado de reposo (abajo). (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Para cada fotograma de video, un sensor de imagen de obturación global lee los datos inmediatamente después del periodo de exposición y, a continuación, entra en un estado de reposo hasta el siguiente fotograma (Figura 3, arriba).

Cuando comienza el periodo de lectura de la cámara, las cámaras GMSL y GigE Vision gestionan la transmisión de datos de forma diferente. En las cámaras GMSL, el serializador GMSL serializa y transmite inmediatamente los datos del sensor de imagen y, a continuación, vuelve a un estado inactivo hasta el siguiente periodo de lectura (Figura 3, centro).

En las cámaras GigE Vision, el procesador almacena en búfer y a menudo procesa los datos antes de construir y transmitir las tramas Ethernet (Figura 3, abajo).

Comprender los factores subyacentes al rendimiento de los sistemas de video

En la práctica, el rendimiento de un sistema de cámaras depende de múltiples factores, entre ellos algunas de estas características clave:

Velocidad de enlace: Tanto en las cámaras basadas en GMSL como en las basadas en Ethernet, la velocidad máxima de transmisión de datos, o velocidad de enlace, varía según el tipo de cámara; sin embargo, cada tipo de tecnología de interfaz se basa en un conjunto de velocidades de enlace fijas. Las cámaras GigE Vision basadas en Ethernet se adhieren a los estándares de Ethernet para velocidades de enlace, que se especifican en una serie de pasos discretos, que van desde 1 gigabit por segundo (Gbit/s) para las cámaras GigE Vision hasta 100 Gbits/s para las cámaras 100 GigE Vision de última generación.

Las tarifas de enlace para GMSL varían en función de la generación de la tecnología. GMSL1 admite velocidades de enlace serie-deserializador de 1.74 y 3.125 Gbit/s, mientras que GMSL2 y GMSL3 admiten 6 y 12 Gbits/s, respectivamente.

Velocidad efectiva de datos: En cualquier aplicación de comunicación de datos, la tasa de datos efectiva describe la capacidad de la tasa de datos, excluyendo la sobrecarga del protocolo. Este concepto también se aplica a las comunicaciones de datos de vídeo, en las que la cantidad efectiva de datos de vídeo que se transfieren es igual a la profundidad de bits de píxel × recuento de píxeles en la carga útil de un paquete o fotograma.

Las cámaras GMSL transmiten datos de video en paquetes. El uso de tamaños de paquete fijos en los dispositivos GMSL2 y GMSL3 da como resultado una velocidad de datos efectiva bien definida. Por ejemplo, cuando los dispositivos GMSL2 utilizan un enlace de 6 Gbit/s, el ancho de banda de video recomendado no supera los 5.2 Gbits/s. Dado que el enlace también incluye la sobrecarga del protocolo y los intervalos de supresión de la interfaz MIPI del sensor, la velocidad de datos efectiva de 5.2 Gbits/s representa datos agregados de todos los carriles de datos MIPI de entrada, en lugar de datos puramente de vídeo.

Al igual que otros dispositivos basados en Ethernet, las cámaras GigE Vision transmiten datos de video en fotogramas, utilizando una longitud de fotograma optimizada para la aplicación específica. Las tramas más largas mejoran la eficacia, mientras que las más cortas reducen el retraso. El uso de Ethernet de mayor velocidad ayuda a mitigar los riesgos asociados al uso de tramas largas para lograr una mejor velocidad efectiva de datos de vídeo.

Tanto las tecnologías GMSL como las basadas en Ethernet presentan patrones de transmisión en ráfagas. El tiempo de ráfaga de las cámaras GMSL depende únicamente del tiempo de lectura del sensor de video, por lo que la relación de ráfaga (tiempo de ráfaga/periodo de fotograma) en aplicaciones reales puede alcanzar potencialmente los 100% para soportar toda su velocidad de datos de video efectiva. En un sistema de cámara GigE Vision, la relación de ráfagas suele ser baja para evitar colisiones entre los datos de video y otros datos presentes normalmente en un entorno de red basado en Ethernet (Figura 4).

Figura 4: La ráfaga de datos de video de una cámara GMSL puede ocupar un periodo de fotograma de video completo (arriba), mientras que la ráfaga de datos de una cámara basada en Ethernet comparte la red con ráfagas de datos de otras fuentes (abajo). (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Resolución y frecuencia de imagen: Tanto las cámaras GMSL como las basadas en Ethernet presentan compensaciones en resolución y frecuencia de imagen, que son dos de las especificaciones más críticas para las cámaras de vídeo e impulsoras clave de velocidades de enlace más altas.

Como se ha indicado anteriormente, los dispositivos GMSL no incluyen capacidades de almacenamiento o procesamiento de tramas. En consecuencia, la resolución y la frecuencia de imagen de estas cámaras dependen exclusivamente de lo que el sensor de imagen o su procesador interno (ISP) puedan soportar dentro del ancho de banda del enlace. Normalmente, el rendimiento en estos sistemas es un intercambio directo entre resolución, frecuencia de imagen y profundidad de bits de píxeles.

Las cámaras GigE Vision presentan un modelo de rendimiento más complejo derivado de sus capacidades internas de almacenamiento en búfer y procesamiento. Estas cámaras pueden tener una velocidad de enlace utilizable más lenta que las cámaras GMSL, pero también pueden admitir resoluciones más altas, frecuencias de imagen más altas, o ambas, con almacenamiento en búfer y compresión adicionales.

Latencia: Tanto en aplicaciones industriales como de automoción, el funcionamiento fiable del sistema y la seguridad del usuario dependen de la capacidad de adquirir y procesar datos de flujo de vídeo en tiempo real con una latencia mínima y determinista.

En las cámaras basadas en Ethernet, las capacidades internas de almacenamiento en búfer y procesamiento que admiten mayor resolución y frecuencia de imagen pueden degradar el rendimiento de latencia y la respuesta determinista. Con estas cámaras, sin embargo, la latencia a nivel de sistema puede no ser siempre mayor, ya que las capacidades de procesamiento interno de las cámaras pueden dar lugar a una canalización de imágenes del sistema más eficiente.

La latencia en las cámaras GMSL es más sencilla de analizar. Los sistemas de cámara GMSL tienen una cadena de señal corta desde la salida del sensor de imagen hasta la entrada del SoC receptor (véase de nuevo la Figura 2). Como esta cadena de señales simplemente transporta datos de vídeo en bruto desde un serializador en el lado del sensor hasta un deserializador en el lado receptor, la latencia de los datos de vídeo sigue siendo mínima y determinista.

Cómo las capacidades tecnológicas adicionales de GMSL mejoran las aplicaciones

Distancia de transmisión: Los serializadores y deserializadores GMSL suelen estar diseñados para transmitir datos hasta 15 metros (m) utilizando cables coaxiales en vehículos de pasajeros. En la práctica, las distancias de transmisión pueden superar los 15 m, siempre que el hardware de la cámara cumpla la especificación de canal GMSL^.1 Los dispositivos GMSL avanzados, como el serializador GMSL MAX9295DGTM/VY+T y el deserializador GMSL MAX96716AGTM-VY de Analog Devices, emplean funciones de ecualización adaptativa. Esto permite longitudes de cable coaxial superiores a 15 m.

Alimentación por coaxial (PoC): La tecnología GMSL admite la transmisión de energía y datos por el mismo cable. Esta capacidad PoC suele utilizarse por defecto en aplicaciones de cámara que utilizan cable coaxial y solo requiere unos pocos componentes pasivos para completar un circuito PoC. En esta configuración, la alimentación y los datos discurren por un único cable en el enlace.

Control de periféricos y conectividad del sistema: La tecnología GMSL está diseñada para soportar enlaces dedicados de cámara o pantalla, más que una amplia variedad de dispositivos periféricos; sin embargo, los dispositivos GMSL suelen proporcionar soporte de conectividad para interfaces estándar. Por ejemplo, los MAX9295DGTM/VY+T y MAX96716AGTM-VY de Analog Devices admiten el funcionamiento en túnel o pasante de múltiples interfaces estándar, incluidas las interfaces de entrada/salida de propósito general (GPIO), circuito interintegrado (I2C) e interfaz periférica serial (SPI). Para las grandes aplicaciones que emplean cámaras GMSL, los desarrolladores suelen utilizar interfaces de menor velocidad, como un bus de red de área de controlador (CAN), para intercambiar señales de control u otros datos.

Disparo y sincronización de la cámara: Con los dispositivos GMSL, la tunelización GPIO e I2C se produce en unos pocos microsegundos tanto en el canal de avance como en el de retroceso. Esta capacidad permite que los disparos se originen desde el sensor de imagen en el lado del serializador o desde el SoC en el lado del deserializador, lo que admite una serie de requisitos de sincronización y disparo de baja latencia.

Conclusión

Aunque GigE Vision ocupa un merecido lugar en la imagen industrial y de automoción, la tecnología GMSL ofrece una solución sólida para aplicaciones que requieren latencia mínima, baja complejidad, factores de forma compactos y determinismo. Al estar construidos con serializadores y deserializadores GMSL de Analog Devices, los sistemas de cámara basados en GMSL permiten diseños racionalizados que simplifican las aplicaciones multicámara a la vez que mantienen el rendimiento requerido en entornos exigentes de tiempo real.

Referencia

1. Guía del usuario de la especificación de canal GMSL2