千兆多媒體串行鏈路(GMSL)相機用作GigE Vision相機的替代方案

背景知識

GigE Vision是基于以太網基礎架構和協議的網絡相機接口標準。它廣泛用于工業領域。ADI公司的GMSL是一種專門用于視頻數據傳輸的點對點串行鏈路技術，最初是為汽車攝像頭和顯示應用而設計的。

這兩種技術都旨在擴展圖像傳感器視頻數據的傳輸距離，但每種解決方案有其各自的特性。多年來，我們看到越來越多的GMSL相機在汽車之外的領域得到采用，它們通常作為GigE Vision相機的替代方案。

典型系統架構

圖像傳感器連接

GigE Vision相機的信號鏈（如圖1所示）通常由三個主要元件組成：圖像傳感器、處理器和以太網PHY。處理器將圖像傳感器中的原始圖像數據轉換為以太網幀，該過程通常涉及圖像處理和壓縮或幀緩沖，以使數據速率適合以太網支持的帶寬。

圖1 GigE Vision相機傳感器側的主要信號鏈元件

GMSL相機的信號鏈（如圖2所示）通常更加簡單，僅包含圖像傳感器和串行器。在典型應用中，串行器轉換圖像傳感器中的原始數據，然后以其原始格式通過鏈路發送。這些相機無需處理器，設計更簡單，更適合需要小尺寸相機和低功耗的應用。

圖2 GMSL相機傳感器側的主要信號鏈元件

主機處理器連接

GigE Vision相機因其與眾多主機設備的兼容性而受到業界的廣泛認可。千兆以太網端口幾乎是個人計算機(PC)或嵌入式平臺的標準配置。一些GigE Vision相機可以使用通用驅動程序，提供真正的即插即用體驗。

GMSL相機需要主機側提供解串器。在大多數用例中，主機設備是帶有一個或多個解串器的定制嵌入式平臺。解串器通過其MIPI發送器以圖像傳感器MIPI輸出的原始格式傳輸圖像數據。對于此類相機，每種定制相機設計都需要一個匹配的驅動程序，就像任何其他MIPI攝像頭一樣。然而，如果圖像傳感器的驅動程序已存在，則一對SerDes只需要幾個預設寄存器或執行幾次寄存器寫操作，就能將視頻流從相機傳輸到SoC。

圖3 典型GigE Vision網絡

當僅使用一個相機時，GigE Vision在系統復雜性方面可能比GMSL有一些優勢，因為它可以直接連接到具有以太網端口的PC或嵌入式平臺。然而，當使用多個GigE相機時，就需要以太網交換機。它可以是專用以太網交換機設備、具有多個以太網端口的網絡接口卡(NIC)或多個以太網端口與SoC之間的以太網交換IC。在某些情況下，這將導致最大總數據速率降低，更糟糕的是，這將帶來不可預測的延遲，具體情況取決于相機和終端設備之間的接口。參見圖3。

在GMSL相機系統中，一個解串器可以連接多達四個鏈路，其MIPI C-PHY或D-PHY發送器支持所有四個相機的總帶寬。只要SoC能夠應對聚合后的數據速率，使用一個或多個GMSL器件就不會影響帶寬或增加過多系統復雜性。

圖4 典型GMSL相機到主機的連接

特性比較

傳感器接口

GMSL串行器僅支持并行LVDS (GMSL1)和MIPI (GMSL2/GMSL3)傳感器接口。MIPI是消費電子和汽車攝像頭廣泛使用的圖像傳感器接口，因此GMSL相機可以支持種類眾多的圖像傳感器。然而，由于GigE Vision相機內部使用了處理器，其在傳感器接口方面更加靈活。

視頻規格

工作原理

圖5顯示了連續視頻流中數據從圖像傳感器傳輸到GMSL鏈路或GigE網絡的時序圖示例。

在視頻流的每一幀中，圖像傳感器在曝光周期之后立即發出數據，然后在下一幀開始之前進入空閑狀態。示例圖更好地展示了全局快門傳感器的情況。對于滾動快門傳感器，其曝光和讀出是每行單獨控制的，因此幀級別上的曝光和讀出周期會有重疊。

傳感器側的GMSL串行器對圖像傳感器中的數據進行串行化，然后立即通過其專有協議將數據傳輸到鏈路。

GigE Vision相機中的處理器會緩沖并且通常還會處理圖像傳感器中的數據，然后將視頻數據排列在以太網幀中并將其發送到網絡。

鏈路速率

鏈路速率規定了鏈路上數據傳輸的理論最大速度。當比較不同數據鏈路技術時，鏈路速率通常是關鍵指標。GMSL2、GMSL3和GigE Vision均使用離散的固定鏈路速率。

圖5 視頻傳輸時序圖

GMSL2支持3 Gbps和6 Gbps的數據速率。GMSL3支持12 Gbps的數據速率，并且所有GMSL3設備都向后兼容使用GMSL2協議的GMSL2設備。

GigE Vision遵循以太網標準。GigE、2.5 GigE、5 GigE和10 GigE Vision相機經常出現在常見應用中。顧名思義，它們分別支持1 Gbps至高達10 Gbps的鏈路速率。先進的GigE Vision相機將支持100 Gbps鏈路速率的100 GigE。1對于GigE Vision，所有高速協議都將向后支持低速協議。

盡管鏈路速率與視頻分辨率、幀速率和延遲密切相關，但僅根據鏈路速率很難對這兩種技術進行直接比較。

有效視頻數據速率

在數據通信中，有效數據速率描述了不包括協議開銷的數據速率容量，此概念也適用于視頻數據通信。通常，一個數據包或一幀中傳輸的有效視頻數據量為：像素位深度×像素數。圖6說明了有效視頻數據和開銷之間的關系。

圖6 數據幀/數據包中的有效載荷和開銷

GMSL以數據包的形式傳輸視頻數據。GMSL2和GMSL3設備使用固定的數據包大小，因此有效視頻數據速率也有明確定義。以GMSL2設備為例。當鏈路設置為6 Gbps時，建議使用不超過5.2 Gbps的視頻帶寬。然而，由于鏈路還承載來自傳感器MIPI接口的一些開銷和消隱時間，因此5.2 Gbps反映了所有輸入MIPI數據通道的聚合數據速率，而不是每秒5.2 Gb的視頻數據。

以太網以幀的形式傳輸數據。GigE Vision沒有標準幀大小，它通常作為軟件解決方案的一個權衡因素來提高效率（長幀的優勢）或減少延遲（短幀的優勢）。對于這些相機，開銷通常不超過5%。較高速度的以太網會降低使用長幀的風險，以實現更好的有效視頻數據速率。

這兩種技術都以突發方式傳輸數據。因此，較長期間（一個視頻幀或更長時間）內的平均數據速率甚至可能低于傳輸期間的有效視頻數據速率。對于GMSL相機，突發時間僅取決于圖像傳感器的讀出時間，實際應用中的突發比可能達到100%以支持完整的有效視頻數據速率。GigE Vision相機可能用在更復雜和不可預測的網絡環境中，在這種情況下，為了避免數據沖突，突發比通常較低。示例參見圖7。

分辨率和幀速率

分辨率和幀速率是攝像機的兩個至關重要的規格，它們是提高鏈路速率的關鍵驅動因素。對于這些規格，兩種技術各有利弊。

GMSL設備不提供幀緩沖和處理。分辨率和幀速率全部取決于圖像傳感器或傳感器側ISP在鏈路帶寬內的支持能力，而這通常是分辨率、幀速率和像素位深度之間的簡單權衡。

GigE Vision的模型更為復雜。盡管在許多情況下其可用鏈路速率比GMSL慢，但它可以利用額外的緩沖和壓縮來支持更高分辨率和/或更高幀速率。然而，這一切的代價是延遲和功耗的增加，并且相機系統兩側需要使用昂貴的元件。在一些不太常見的用例中，此類相機也以較低幀速率傳輸原始圖像數據。

延遲

延遲是攝像機的另一個關鍵規格，尤其是在實時處理數據和做出決策的應用中。

從串行器的輸入/傳感器的輸出到解串器的輸出/接收SoC的輸入，GMSL相機系統的延遲較低且具有確定性。

由于內部處理和更復雜的網絡流量，GigE Vision相機的延遲通常較高且不具有確定性。然而，這些延遲并不總是會導致系統級延遲更長，尤其是當相機側處理屬于系統圖像流水線的一部分且更專用、更高效時。

其他特性

傳輸距離

根據設計，GMSL串行器和解串器可在乘用車中使用同軸電纜將數據傳輸15米之遠。但是，只要相機硬件系統滿足GMSL通道規范，則傳輸距離不限于15米。

圖7 GMSL和GigE Vision網絡的數據流量

通過以太網協議，GigE Vision可以使用銅纜將數據傳輸100米之遠，使用光纖甚至可以更遠，不過它可能會失去一些特性，例如以太網供電(PoE)。

PoC和PoE/PoDL

這兩種技術都能夠通過同一根電纜傳輸電力和數據。GMSL使用同軸電纜供電(PoC)，GigE Vision針對4對以太網使用PoE，針對單對以太網(SPE)使用數據線供電(PoDL)。大多數GigE Vision相機使用傳統的4對線和PoE。

PoC很簡單，采用同軸電纜配置的相機應用通常默認使用這種方式。在這種配置中，鏈路上的電力和數據來自單根電線，并且PoC電路僅需要幾個無源元件。

支持1 Gbps或更高數據速率的PoE電路需要專用電路，相機和主機（或交換機）側均需要有源元件。這使得PoE功能成本更高且不易獲得。支持PoE的GigE Vision相機通常還具有本地外部供電選項。

外設控制和系統連接

GMSL作為專用相機或顯示器鏈路，其并非設計用來支持各種各樣的外圍設備。在典型的GMSL相機應用中，鏈路傳輸控制信號（UART、I2C和SPI），僅與溫度傳感器、環境光傳感器、IMU、LED控制器等相機外設進行通信。使用GMSL作為相機接口的較大系統通常還有其他低速接口，例如CAN和以太網，以便與其他設備通信。

GigE Vision相機一般利用其內置處理器處理相機外設控制。作為工業應用中流行的連接解決方案，工業以太網有多種標準協議來支持多樣化的機器和設備，GigE Vision相機通過其軟件和硬件接口直接連接到網絡。

相機觸發和時間戳

GMSL鏈路的正向和反向通道均支持微秒級的低延遲GPIO和I2C信號隧道，從而支持不同的相機觸發/同步配置。GMSL相機系統中的觸發信號源可以來自解串器側的SoC，也可以來自串行器側的圖像傳感器之一。

GigE Vision相機通常通過專用引腳/端口或以太網觸發/同步數據包來提供硬件和軟件觸發選項。在典型應用中，硬件觸發作為標準方法，用于與其他相機或非相機設備進行響應靈敏且準確的同步。這些相機的軟件觸發的主要問題是網絡延遲。盡管有一些協議可用于提高同步精度，但它們要么精度不夠高（網絡時間協議(NTP)，同步到毫秒級2），要么性價比不高（精密時間協議(PTP)，同步到微秒級3，但需要兼容的硬件）。

當在以太網上使用同步協議時，來自同一網絡的所有設備（包括GigE Vision相機）將能夠在同一時鐘域中提供時間戳。

GMSL沒有時間戳功能。有些圖像傳感器可以通過MIPI嵌入式報頭提供時間戳，但這通常不與更高級別系統上的其他設備相關。在某些系統架構中，GMSL解串器會連接到PTP網絡上的SoC以使用集中式時鐘。如果需要此功能，請使用AD-GMSL2ETH-SL作為參考。

結語

總之（參見表1），GMSL是現有GigE Vision解決方案的有力替代方案。與GigE Vision相機相比，GMSL相機通常能以更低的成本、更低的功耗、更簡單的系統架構和更小的系統尺寸提供同等或更好的鏈路速率和特性。此外，由于GMSL最初是為汽車應用而設計的，因此它已經在惡劣的環境中經過了汽車工程師幾十年的驗證。在可靠性和功能安全至關重要的系統開發中，GMSL將為工程師和系統架構師提供信心保證。

表1 GMSL與GigE Vision主要特性比較

關于作者

Kainan Wang是ADI公司在美國馬薩諸塞州威明頓市的汽車座艙體驗(ACE)部門的系統應用工程師。他從馬薩諸塞州波士頓市東北大學獲得電氣工程碩士學位后，于2016年加入ADI公司。Kainan一直從事2D/3D成像解決方案的工作，涉及硬件開發、系統集成和應用開發等各方面。最近，他的工作重點是將ADI汽車座艙技術拓展到汽車以外的其他市場。