กล้อง GMSL ที่ผ่านการทดสอบบนท้องถนนกำลังบุกเบิกตลาดใหม่

เทคโนโลยีที่พัฒนาสำหรับการใช้งานในยานยนต์มักจะถูกถ่ายโอนไปยังตลาดอื่นเนื่องจากผู้ผลิตยานยนต์มีข้อกำหนดที่เข้มงวดในเรื่องความน่าเชื่อถือ ประสิทธิภาพการทำงาน และความต้องการอัตราข้อมูลที่รวดเร็วในสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นมิตรต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ นั่นเป็นสาเหตุที่กล้อง Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL™) พร้อมเข้าสู่ตลาดสำหรับการใช้งานด้านการมองเห็นในพื้นที่ต่างๆ เช่น ระบบอัตโนมัติและหุ่นยนต์ เกษตรกรรมอัจฉริยะ การดูแลสุขภาพแบบดิจิทัล การบิน แท็กซี่ไร้คนขับ และการจัดการสินค้าคงคลังในร้านค้าปลีกและคลังสินค้า

Analog Devices GMSL คือเทคโนโลยีที่ได้รับการพิสูจน์และนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการยกระดับประสิทธิภาพการทำงานให้กับลิงก์วิดีโอความเร็วสูง และรองรับการสตรีมหลายรายการผ่านสายเคเบิลเส้นเดียว เพื่อตอบโจทย์การใช้งานสำหรับการส่งข้อมูลและวิดีโอความเร็วสูงในยานพาหนะ

การใช้งานด้านภาพต้องใช้ข้อมูลสตรีมจำนวนมากเพื่อให้แน่ใจว่าวิดีโอมีคุณภาพสูง ภาพความคมชัดระดับ Full HD ประกอบด้วยแถว 1,080 แถวและคอลัมน์ 1,920 คอลัมน์ นั่นเท่ากับ 2 ล้านพิกเซล โดยแต่ละพิกเซลประกอบด้วยองค์ประกอบสีแดง เขียว และน้ำเงิน รวมเป็น 6 ล้านองค์ประกอบ แต่ละองค์ประกอบแสดงถึงข้อมูล 8 บิต ดังนั้นแต่ละเฟรมจึงมีข้อมูลเกือบ 50 Mbps ที่ความเร็ว 60 เฟรมต่อวินาที อัตราข้อมูลที่กล้องหนึ่งตัวต้องการคือมากกว่า 3.5 Gbps

GMSL รุ่นแรกที่วางจำหน่ายครั้งแรกในปี 2008 ใช้มาตรฐานการส่งสัญญาณความแตกต่างแรงดันต่ำ (LVDS) เพื่อส่งมอบอัตราดาวน์ลิงก์ข้อมูลแบบขนานสูงสุดถึง 3.125 Gbps เหมาะสำหรับการถ่ายโอนข้อมูลจากระบบกล้องหลายตัวและการช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูงอื่นๆ (ADAS) เช่นเดียวกับการใช้งานจอภาพความละเอียดสูงในรถยนต์ที่เพิ่มมากขึ้น

GMSL2 รุ่นที่สองเปิดตัวในปี 2018 โดยเพิ่มอัตราข้อมูลได้สูงสุดถึง 6 Gbps และรองรับอินเทอร์เฟซวิดีโอความเร็วสูงมาตรฐานอื่นๆ มากขึ้น รวมทั้ง HDMI และมาตรฐานอินเทอร์เฟซ MIPI ซึ่งเป็นอินเทอร์เฟซเซนเซอร์ภาพยอดนิยมสำหรับกล้องทั่วไปและยานยนต์ โดยความก้าวหน้าเหล่านี้รองรับการแสดงผลแบบความคมชัดสูง (FHD) และกล้องที่มีความละเอียดสูงถึง 8 MP

GMSL3 ซึ่งเป็นเจเนอเรชันถัดไป สามารถส่งข้อมูลได้สูงสุดถึง 12 Gbps ผ่านสายเคเบิลเส้นเดียว รองรับสตรีมข้อมูลความละเอียด 4K หลายสตรีม การเชื่อมต่อจอแสดงผลหลายจอแบบเดซี่เชน และการรวมกล้องหลายตัว เช่น กล้องที่อยู่ด้านหน้า ด้านหลัง และด้านข้างของรถยนต์ เพื่อให้มองเห็นได้รอบด้าน 360° ในปัจจุบัน ผู้ผลิตยานยนต์จำนวนเพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ เริ่มใช้กล้องเสริมที่กระจกมองข้างและกระจกมองหลัง ใช้กล้องด้านหน้าและด้านหลังเพื่อหลีกเลี่ยงการชน และใช้กล้องภายในห้องโดยสารเพื่อตรวจสอบความปลอดภัยของผู้ขับขี่และผู้โดยสาร GMSL3 สามารถรวบรวมข้อมูลจากฟีดวิดีโอหลายรายการ รวมถึง LiDAR และเรดาร์

ด้วยการลดขนาดกล้องลงมาเหลือเพียงระดับเซ็นเซอร์ CMOS ทำให้สามารถผลิตภาพที่เคยถือว่ามีคุณภาพเหลือเชื่อได้ในต้นทุนที่ต่ำและใช้พลังงานต่ำ เซ็นเซอร์ภาพมีองค์ประกอบตัวรับหลายล้านชิ้น โดยแต่ละชิ้นจะแปลงการวัดค่าให้เป็นค่าดิจิทัลเพื่อสตรีมผ่านช่องข้อมูลอนุกรมของอินเทอร์เฟซแบบขนาน พร้อมกับข้อมูลการซิงโครไนซ์

ทั้ง GMSL2 และ GMSL3 ใช้มาตรฐานอินเทอร์เฟซ MIPI ที่ให้ผู้ออกแบบและผู้จำหน่ายสามารถเข้าถึงเซ็นเซอร์ภาพที่หลากหลายสำหรับกล้อง GMSL

GMSL เทียบกับ GigE

วิศวกรที่เพิ่งเริ่มต้นทำงานกับการใช้งานด้านภาพจะต้องเผชิญกับการตัดสินใจอย่างรวดเร็วว่าควรจะใช้เทคโนโลยีการมองเห็นแบบ GMSL หรือ Gigabit Ethernet (GigE) โดย GigE ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานทางอุตสาหกรรม เนื่องจากส่วนใหญ่อาศัยโครงสร้างพื้นฐานและมาตรฐานเครือข่ายอีเธอร์เน็ต

กล้อง GigE Vision ที่มีความจุ 2.5 GigE, 5 GigE และ 10 GigE ถือเป็นเรื่องธรรมดาในการใช้งานต่างๆ ในปัจจุบัน และกล้อง 100 GigE ที่ล้ำสมัยที่สุดสามารถใช้ความเร็วข้อมูลได้สูงสุดถึง 100 Gbps GMSL ได้รับการออกแบบมาเพื่อส่งข้อมูลผ่านสายโคแอกเซียลหรือสายคู่บิดเกลียวแบบมีฉนวนป้องกันที่ระยะสูงสุด 15 เมตร เมื่อเทียบกับ 100 เมตรสำหรับ GigE ถึงแม้ว่าอาจเกินทั้งสองค่าได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการ

เทคโนโลยีแต่ละอย่างมีความสามารถในการส่งข้อมูลและพลังงานผ่านสายเคเบิลเดียวกัน: GMSL ใช้ Power over Coax (PoC) จึงสามารถส่งวิดีโอ เสียง การควบคุม ข้อมูล และพลังงานไปยังช่องสัญญาณเดียวได้ โดย GigE Vision ส่วนใหญ่จะใช้ Power over Ethernet (PoE) สำหรับ Ethernet 4 คู่ หรือไม่ค่อยใช้กันมากนักคือ Power over Data Line (PoDL) สำหรับ Ethernet คู่เดียว (SPE)

ข้อกำหนดของระบบและความต้องการของการใช้งานต่าง ๆ จะกำหนดว่าเทคโนโลยีวิสัยทัศน์ใดเหมาะสมที่สุด ตัวอย่างเช่น GigE Vision อาจมีข้อได้เปรียบบางประการสำหรับการใช้งานกล้องตัวเดียว โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเชื่อมต่อโดยตรงกับพีซีหรือแพลตฟอร์มแบบฝังตัวที่มีพอร์ตอีเทอร์เน็ต

เมื่อใช้กล้องหลายตัว GigE Vision จะต้องใช้สวิตช์อีเทอร์เน็ตเฉพาะ การ์ดอินเทอร์เฟซเครือข่าย (NIC) ที่มีพอร์ตอีเทอร์เน็ตหลายพอร์ต หรือไอซีสวิตช์อีเทอร์เน็ต โดยข้อกำหนดการสวิตช์นั้นอาจลดอัตราข้อมูลรวมสูงสุดได้และทำให้เกิดความล่าช้าที่ไม่สามารถคาดเดาได้ระหว่างกล้องและอุปกรณ์ปลายทาง ในขณะที่ GMSL มอบสถาปัตยกรรมที่เรียบง่ายและไม่ซับซ้อนมากกว่า

อุปกรณ์ GigE Vision อาจรองรับความละเอียดที่สูงขึ้นและอัตราเฟรมที่สูงขึ้นหรือทั้งสองอย่างพร้อมกันด้วยการบัฟเฟอร์และการบีบอัดเพิ่มเติม แต่อุปกรณ์ GMSL ไม่มีการบัฟเฟอร์เฟรมและการประมวลผล ดังนั้นความละเอียดและอัตราเฟรมจึงขึ้นอยู่กับสิ่งที่เซนเซอร์ภาพรองรับได้ภายในแบนด์วิดท์ลิงก์ วิศวกรจะต้องพิจารณาทางเลือกง่ายๆ ระหว่างความละเอียด อัตราเฟรม และความลึกบิตของพิกเซล

GMSL ทำให้สถาปัตยกรรมวิดีโอความเร็วสูงเรียบง่ายขึ้น

กล้อง GigE Vision โดยทั่วไปจะใช้โซ่สัญญาณที่ประกอบด้วยเซนเซอร์ภาพ โปรเซสเซอร์ และเลเยอร์กายภาพอีเทอร์เน็ต (PHY) (รูปที่ 1) ข้อมูลภาพดิบจากเซ็นเซอร์จะถูกแปลงโดยโปรเซสเซอร์ให้เป็นเฟรม Ethernet โดยมักอาศัยการบีบอัดหรือการบัฟเฟอร์เฟรมเพื่อให้พอดีกับอัตราข้อมูลของแบนด์วิดท์ Ethernet ที่รองรับ

รูปที่ 1: การแสดงส่วนประกอบของโซ่สัญญาณหลักบนด้านเซนเซอร์ของกล้อง GigE Vision (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

โซ่สัญญาณกล้อง GMSL ใช้สถาปัตยกรรมตัวซีเรียลไลเซอร์/ดีซีเรียลไลเซอร์ (SerDes) ที่หลีกเลี่ยงการใช้โปรเซสเซอร์ (รูปที่ 2) ในทางกลับกัน ข้อมูลคู่ขนานของเซนเซอร์ภาพจะถูกแปลงโดยซีเรียลไลเซอร์ให้เป็นสตรีมข้อมูลอนุกรมความเร็วสูง ในส่วนหลัง ตัวถอดรหัสจะแปลงข้อมูลอนุกรมกลับเป็นรูปแบบขนานสำหรับการประมวลผลโดยระบบบนชิป (SoC) ของหน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ (ECU)

รูปที่ 2: กล้อง GMSL ใช้สถาปัตยกรรมโซ่สัญญาณที่เรียบง่ายกว่าบนด้านเซ็นเซอร์มากกว่า GigE Vision (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

สถาปัตยกรรมกล้อง GMSL ทำให้การออกแบบกล้องที่มีขนาดเล็กและกินพลังงานต่ำเป็นเรื่องง่ายยิ่งขึ้น ซีเรียลไลเซอร์สามารถเชื่อมต่อกับกล้องโดยตรงผ่านอินเทอร์เฟซ MIPI CSI-2 มาตรฐาน และส่งข้อมูลแบบแพ็กเก็ตผ่านลิงก์ GMSL

อุปกรณ์โฮสต์ทั่วไปเป็นแพลตฟอร์มฝังตัวที่กำหนดเองโดยมีตัวดีซีเรียลไลเซอร์หนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นที่ส่งข้อมูลภาพผ่านเครื่องส่งสัญญาณ MIPI ในรูปแบบเดียวกับเอาต์พุต MIPI ของเซ็นเซอร์ภาพ จำเป็นต้องมีไดรเวอร์กล้อง GMSL ใหม่สำหรับการออกแบบที่กำหนดเอง แต่หากมีไดรเวอร์สำหรับเซ็นเซอร์ภาพอยู่แล้ว ก็สามารถใช้งานได้ด้วยรีจิสเตอร์โปรไฟล์เพียงไม่กี่รายการ หรือการเขียนรีจิสเตอร์เพื่อเปิดใช้งานสตรีมวิดีโอจากกล้องไปยังหน่วยควบคุม

ส่วนประกอบ GMSL

ADI นำเสนอผลิตภัณฑ์ซีเรียลไลเซอร์และดีซีเรียลไลเซอร์ที่ครอบคลุมเพื่อรองรับอินเทอร์เฟซที่หลากหลาย สิ่งเหล่านี้มีการออกแบบ PHY ที่แข็งแกร่ง อัตราข้อผิดพลาดบิตต่ำ (BER) และความเข้ากันได้แบบย้อนกลับ สามารถเชื่อมต่อโปรโตคอลวิดีโอใดๆ เข้าด้วยกันได้ เช่น HDMI กับ Open LVDS Display Interface (oLDI)

วิศวกรจะต้องเลือกส่วนประกอบที่ดีที่สุดตามความต้องการแต่ละการใช้งาน เช่น อินเทอร์เฟซอุปกรณ์ อัตราข้อมูล แบนด์วิดท์ การใช้พลังงาน สภาพแวดล้อม และความยาวสายเคเบิล ปัจจัยอื่นๆ ได้แก่ EMI การจัดการข้อผิดพลาด และความสมบูรณ์ของสัญญาณ ตัวอย่างบางส่วนของส่วนประกอบ GMSL ของ ADI ได้แก่:

• ตัวแปลงซีเรียลไลเซอร์ CSI-2 ถึง GMSL2 รุ่น MAX96717 (รูปที่ 3) ทำงานที่อัตราคงที่ 3 Gbps หรือ 6 Gbps ในทิศทางไปข้างหน้าและ 187.5 Mbps ในทิศทางย้อนกลับ

รูปที่ 3: แผนผังแสดงสตรีมข้อมูลที่ใช้ตัวซีเรียลไลเซอร์ MAX96717 (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

• MAX96716A ซึ่งแปลงอินพุตซีเรียล GMSL2 คู่เป็น MIPI CSI-2 อินพุต GMSL2 ทำงานแยกกันและสามารถรวมข้อมูลวิดีโอจากทั้งสองตัวสำหรับเอาต์พุตบนพอร์ต CSI-2 เดียวหรือจำลองบนพอร์ตที่สองเพื่อความซ้ำซ้อน
• ดีซีเรียลไลเซอร์ MAX96724 แบบ Quad Tunneling จะแปลงอินพุต GMSL 2/1 จำนวน 4 รายการให้เป็นเอาต์พุต MIPI D-PHY หรือ C-PHY จำนวน 2 รายการ อัตราการเชื่อมโยงข้อมูลคือ 6/3 Gbps สำหรับ GMSL2 และ 3.12 Gbps สำหรับ GMSL1 และอัตราการเชื่อมโยงย้อนกลับคือ 187.5 Mbps สำหรับ GMSL2 และ 1 Mbps สำหรับ GMSL1
• ดีซีเรียลไลเซอร์ MAX96714 จะแปลงอินพุต GMSL 2/1 เดี่ยวให้เป็นเอาต์พุต MIPI CSI-2 ด้วยอัตราคงที่ 3 Gbps หรือ 6 Gbps ในทิศทางไปข้างหน้าและ 187.5 Mbps ในทิศทางย้อนกลับ
• MAX96751 เป็นซีเรียลไลเซอร์ GMSL2 ที่มีอินพุต HDMI 2.0 ซึ่งแปลง HDMI ให้เป็นโปรโตคอลอนุกรม GMSL2 เดี่ยวหรือคู่ นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถส่งวิดีโอและข้อมูลสองทิศทางแบบฟูลดูเพล็กซ์ด้วยสายเดียวได้
• MAX9295D แปลงสตรีมข้อมูล MIPI CSI-2 4 เลนพอร์ตเดียวหรือสองพอร์ตเป็น GMSL2 หรือ GMSL1

ADI ยังเสนอเครื่องมือการพัฒนาหลายอย่าง เช่น MAX96724-BAK-EVK# ชุดประเมินสำหรับอุปกรณ์ MAX96724

สรุป

ด้วยความซับซ้อนที่ลดลง กล้อง GMSL จึงมีขนาดกะทัดรัดกว่าและสามารถให้โซลูชันที่คุ้มต้นทุนมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ GigE Vision โดย GMSL ให้การถ่ายโอนวิดีโอดิจิทัลความละเอียดสูงที่เชื่อถือได้พร้อมความหน่วงเวลาไมโครวินาทีสำหรับกล้องที่เพิ่มมากขึ้นและการใช้งานบนหน้าจอแสดงผล ตั้งแต่การเรียนรู้ของเครื่องจักรและการทำงานอัตโนมัติ ไปจนถึงอินโฟเทนเมนท์และความปลอดภัย ลิงก์ GMSL หลายล้านรายการช่วยเพิ่มประสบการณ์การขับขี่บนท้องถนนในปัจจุบัน เป็นเครื่องยืนยันถึงความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพ