在汽車、物聯(lián)網(wǎng)中實(shí)施MIPI相機(jī)和顯示接口

在汽車、物聯(lián)網(wǎng)和多媒體應(yīng)用中，對(duì)相機(jī)和顯示屏的使用正在不斷增加，設(shè)計(jì)人員需要多種圖像和顯示接口解決方案，來(lái)滿足日益嚴(yán)格的功率和性能要求。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)人員采用MIPI相機(jī)串行接口（CSI-2）和顯示串行接口（DSI），使用它們來(lái)連接圖像傳感器或顯示屏，將其與應(yīng)用處理器或移動(dòng)應(yīng)用（如智能電話）中的SOC相連。然而，由于MIPI接口的可靠?jī)?yōu)點(diǎn)和成功實(shí)現(xiàn)，它們現(xiàn)已在眾多新應(yīng)用中得到實(shí)施，如高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）、信息娛樂(lè)、可穿戴設(shè)備、增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式裝置。在本文中，介紹了設(shè)計(jì)人員在汽車、物聯(lián)網(wǎng)和多媒體應(yīng)用中實(shí)施MIPI DSI和CSI-2的方式，以便能夠多次使用相機(jī)和顯示屏輸入輸出，同時(shí)滿足其帶寬和功率需求。

MIPI CSI-2和DSI：使用在移動(dòng)應(yīng)用
在過(guò)去的10年內(nèi)，移動(dòng)市場(chǎng)尤其是智能電話增長(zhǎng)巨大，選擇了MIPI CSI-2和DSI接口以便在移動(dòng)設(shè)備中使用多個(gè)相機(jī)和一些顯示屏。使用這些接口，能夠在主機(jī)和裝置之間實(shí)現(xiàn)低功率、低延遲和低成本的芯片-芯片連接，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒌头直媛屎透叻直媛氏鄼C(jī)及顯示屏連接在一起。這兩種接口采用了相同的物理層，即MIPI D-PHY，使用它來(lái)講數(shù)據(jù)傳輸至應(yīng)用處理器或SOC（圖1）。

圖1：移動(dòng)應(yīng)用中的MIPI DSI和CSI-2實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)應(yīng)用中的MIPI接口

在圖2中，展示了在ADAS和娛樂(lè)信息應(yīng)用中實(shí)施的MIPI相機(jī)和顯示接口。在當(dāng)今的汽車中，安裝了多臺(tái)攝像機(jī)，前部、后部和側(cè)面，以便能夠查看駕駛員周圍360度的情形。在這類實(shí)施方案中，MIPI CSI-2圖像傳感器與圖像信號(hào)處理器相連，圖像信號(hào)處理器隨后與橋式裝置相連，從而使得整個(gè)模塊與汽車主系統(tǒng)相連。在某些情況下，車載娛樂(lè)信息系統(tǒng)采用了DSI，用以實(shí)現(xiàn)使用了相同實(shí)施方案的顯示接口。

圖2：使用MIPI DSI和CSI-2規(guī)范的ADAS應(yīng)用示

MIPI為汽車應(yīng)用提供了一整套規(guī)范（圖3）：

DSI：用于駕駛員信息、無(wú)反顯示和娛樂(lè)信息。

CSI：用于ADAS應(yīng)用、備用相機(jī)、防撞、無(wú)反光鏡車輛和車內(nèi)乘客信息獲取。

其他接口：用于傳感器連接的MIPI I3C，用于嵌入式和可移動(dòng)卡存儲(chǔ)的JEDEC UFS，以及SoundWire和RFFE。

圖3：在汽車應(yīng)用中使用MIPI聯(lián)盟規(guī)范（MIPI聯(lián)盟的圖像）

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的MIPI接口

有多種形式的物聯(lián)網(wǎng)SOC，我們?cè)诖私榻B部件或接口的一個(gè)超級(jí)集合，包括典型情況下用于物聯(lián)網(wǎng)SOC中的MIPI。CSI-2，可能的DSI，以及包含SOC視覺(jué)處理部件的處理器。存儲(chǔ)部件包括，用于低功耗DRAM的LPDDR，以及用于嵌入式閃存的嵌入式多媒體卡（EMMC）。對(duì)于有線和無(wú)線通訊，在諸多規(guī)范中進(jìn)行了杠桿調(diào)節(jié)，如低功耗藍(lán)牙、安全數(shù)據(jù)輸入輸出（SDIO）和USB，具體情況與目標(biāo)應(yīng)用相關(guān)。為了確保傳輸至云和儲(chǔ)存在裝置中的數(shù)據(jù)安全，安全是一個(gè)基本部分，它主要由多種引擎組成，如真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和加密算法加速器。

在一個(gè)部件中連接了數(shù)十個(gè)或更多傳感器，它是具有I2C或I3C和串行外圍接口（SPI）的傳感器及控制子系統(tǒng)。I3C是一種新的MIPI規(guī)范，它采納了I2C和SPI的關(guān)鍵特性，并將其統(tǒng)一在一起，同時(shí)保留了雙線串行接口。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在裝置中連接大量傳感器，同時(shí)將功耗將至最低，并降低部件成本和實(shí)施成本。與此同時(shí)，通過(guò)使用單個(gè)I3C總線，制造商能夠?qū)?lái)自不同廠家的多種傳感器組合在一起，從而實(shí)現(xiàn)新的概念，同時(shí)還能支持更長(zhǎng)的電池壽命和性價(jià)比系統(tǒng)。

多媒體應(yīng)用中的MIPI接口

MIPI相機(jī)和顯示接口的新使用情形出現(xiàn)在多媒體應(yīng)用中，如具有高分辨率相機(jī)和顯示屏的虛擬/增強(qiáng)顯示裝置。在這類裝置中，接口負(fù)責(zé)傳輸和接收來(lái)自多種源的多個(gè)圖形，隨后對(duì)其進(jìn)行處理，并以極限質(zhì)量發(fā)送給用戶。下面給出了三個(gè)多媒體應(yīng)用實(shí)施示例：

高端多媒體處理器：在該實(shí)施中，多個(gè)顯示和相機(jī)輸入通過(guò)CSI-2和DSI進(jìn)入圖像信號(hào)處理器，所述輸入在典型情況下來(lái)自已處理和接收了圖像的另一應(yīng)用處理器。隨后，圖像信號(hào)處理器通過(guò)CSI-2或DSI將圖像傳輸至相機(jī)或顯示屏。

多媒體處理器：該實(shí)施主要用于姿態(tài)或運(yùn)動(dòng)識(shí)別，或人機(jī)界面。兩個(gè)圖像傳感器通過(guò)CSI-2協(xié)議與處理器配合，在處理器處識(shí)別和處理運(yùn)動(dòng)或姿態(tài)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步分析和操控。隨后，通過(guò)CSI-2協(xié)議，將經(jīng)過(guò)處理的運(yùn)功或姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至應(yīng)用處理部分。

橋式IC：由于存在多個(gè)圖像輸入輸出，如同在汽車章節(jié)中介紹的那樣，這就有了對(duì)橋式IC的需求。使用橋式IC，應(yīng)用處理器的輸出可分裂為兩個(gè)顯示流。

MIPI接口的優(yōu)點(diǎn)

MIPI CSI-2對(duì)MIPI D-PHY物理層進(jìn)行了杠桿處理，以便與應(yīng)用處理器或SOC進(jìn)行通信。圖像傳感器或CSI-2裝置獲取圖像并將其傳輸至SOC所在的CSI-2主機(jī)。傳輸圖像之前，它以單獨(dú)幀形式位于存儲(chǔ)器中。隨后，每一幀通過(guò)虛擬信道、通過(guò)CSI-2接口傳輸。對(duì)于支持不同像素流、有時(shí)也支持多重曝光的多個(gè)圖像傳感器，采用并需要虛擬信道，并將虛擬信道標(biāo)識(shí)指定給每一幀。考慮到來(lái)自相同圖像傳感器，但具有多個(gè)像素流的完整圖像的傳輸，每一虛擬信道分為多行，一次傳輸一行。

MIPI CSI-2使用數(shù)據(jù)包進(jìn)行通訊，它包含數(shù)據(jù)格式以及糾錯(cuò)碼（ECC）功能，用于保護(hù)包頭和對(duì)有效負(fù)載進(jìn)行循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（CRC）。這類實(shí)施適用于從圖像傳感器到SOC的所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。單個(gè)數(shù)據(jù)包通過(guò)D-PHY 、通過(guò)CSI-2裝置控制器傳輸，隨后，分離到多個(gè)數(shù)據(jù)通道。D-PHY將數(shù)據(jù)分配到數(shù)個(gè)工作在高速模式下的數(shù)據(jù)通道，并通過(guò)信道將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)浇邮掌?。?duì)于使用其D-PHY物理層的CSI-2接收器，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包提取和解碼，最終將數(shù)據(jù)包傳輸至CSI-2主機(jī)控制器。隨后，以高效、低功耗和低成本實(shí)施方式，該過(guò)程在CSI-2裝置到主機(jī)間逐幀重復(fù)進(jìn)行。

在具有多個(gè)相機(jī)和顯示屏的典型系統(tǒng)中，CSI-2和DSI協(xié)議將使用相同的物理層（D-PHY）。根據(jù)具體的目標(biāo)應(yīng)用，在發(fā)現(xiàn)階段有很多需考慮的事項(xiàng)，如所要求的帶寬和裝置類型。了解這類考慮事項(xiàng)，有助于設(shè)計(jì)人員確定D-PHY版本，以及所要求的數(shù)據(jù)通道數(shù)和數(shù)據(jù)通道的速度，隨后，可確定需在系統(tǒng)中實(shí)施的管腳數(shù)。最后，設(shè)計(jì)人員能確定所需的接口以及其目標(biāo)應(yīng)用的存儲(chǔ)器。例如，存在多種實(shí)施方案，其中，建立在D-PHY之上的CSI-2工作在每數(shù)據(jù)通道1.5 Gbps的速度下，在其他實(shí)施方案中，工作速度可達(dá)每數(shù)據(jù)通道2.5 Gbps。較低速度下的工作意味著更優(yōu)化功耗和面積，但最為重要的是，支持更快速度的較新圖像傳感器和顯示屏，并不適用所有的應(yīng)用場(chǎng)景。

總結(jié)

在眾多移動(dòng)之外的應(yīng)用中，如汽車、物聯(lián)網(wǎng)和包含增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)在內(nèi)的多媒體應(yīng)用，現(xiàn)已使用了多個(gè)相機(jī)和顯示。對(duì)于所有這些應(yīng)用，需要能夠滿足當(dāng)今高分圖像處理要求的高速、低能耗相機(jī)及顯示接口解決方案。MIPI CSI-2和DSI是移動(dòng)市場(chǎng)上的可靠接口，主要是智能電話，由于在其中成功實(shí)施，它們現(xiàn)已在眾多新應(yīng)用中得到試用。Synopsys擁有眾多MIPI IP解決方案，包括控制器、PHY、驗(yàn)證IP、IP原型套件，它們與最新的MIPI規(guī)范兼容，，使用它們，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⑺韫δ芗{入其移動(dòng)、汽車和物聯(lián)網(wǎng)SOC中，同時(shí)還能滿足在功耗、性能以及及時(shí)推向市場(chǎng)方面的要求。

作者：Synopsys，產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理，Hezi Saar