作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

由于汽車制造商對可靠性和性能要求嚴格，以及在惡劣電子環境條件下對快速數據傳輸速率的需要，為汽車應用開發的技術經常轉移到其他市場。正因如此，千兆位多媒體串行鏈路 (GMSL?) 相機在自動化和機器人、智慧農業、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域的視覺應用中找到了現成的市場。

[Analog Devices] GMSL 最初是為解決車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過驗證的成熟技術，可將高速視頻鏈路的性能提升到新的水平，并通過單根電纜實現多數據流傳輸。

視覺應用需要非常大的數據流，以確保高質量的視頻。全高清圖像由 1080 行 x 1920 列組成。這相當于 200 萬像素，每個像素由一個紅色、綠色和藍色元素組成，因此共有 600 萬個元素。每個元素代表 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 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。特別適合用來傳輸來自多個相機系統、高級駕駛輔助應用系統 (ADAS) 以及用的越來越多的車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，后者是用于消費類和車載相機的常用圖像傳感器接口。這些進步適應了全高清 (FHD) 顯示屏和分辨率高達 8 MP 的相機的需要。

最新一代 GMSL3 可通過單根電纜傳輸高達 12 Gbps 的數據，支持多個 4K 分辨率的數據流、多個顯示器的菊花鏈連接，以及多個相機（如位于車輛前部、后部和側面的相機）的聚合，以提供 360° 的觀察能力。如今，越來越多的汽車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避免碰撞，并利用車內相機來監控駕駛員和乘客的安全。GMSL3 可以匯總來自多個視頻的饋送以及激光雷達和雷達的數據。

隨著相機尺寸縮小到 CMOS 傳感器的水平，它們可以以低成本、低功耗的方式產出曾經被認為是不可思議的質量。圖像傳感器有數百萬個接收器元件，每個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

剛開始研究視覺應用的工程師很快就會面臨這樣一個決定，是使用 GMSL 還是千兆位以太網 (GigE) 視覺技術。GigE 之所以在工業應用中得到廣泛應用，主要是因為它依賴于以太網基礎設施和標準。

如今，2.5 GigE、5 GigE 和 10 GigE 的 GigE Vision 相機已經普遍得到應用，而最先進的 100 GigE 相機可以使用高達 100 Gbps 的數據速率。GMSL 旨在通過同軸電纜或屏蔽雙絞線傳輸數據，傳輸距離最遠為 15 米，而 GigE 的傳輸距離則為 100 米，不過在某些條件下這兩個極限都可能有所突破。

每種技術都能通過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通道上傳輸。大多數 GigE Vision 應用都依賴以太網供電 (PoE) 來實現 4 對以太網，或較少地使用數據線供電 (PoDL) 來實現單對以太網 (SPE)。

系統要求和應用需求將決定哪種視覺技術最合適。例如，GigE Vision 可為單相機應用帶來一些優勢，特別是當它們直接連接到帶有以太網端口的 PC 或嵌入式平臺時。

當使用多個相機時，GigE Vision 應用需要使用專用以太網交換機、帶有多個以太網端口的網絡接口卡 (NIC) 或以太網交換機 IC。這種切換要求可能會降低最大總數據傳輸速率，并在相機和終端設備之間帶來不可預測的延遲，而 GMSL 則提供了一種更簡單、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行簡單的權衡。

GMSL 簡化了高速視頻架構

GigE Vision 相機通常使用一個信號鏈，其中包括圖像傳感器、處理器和以太網物理層 (PHY)（圖 1）。來自傳感器的原始圖像數據由處理器轉換成以太網幀，通常依靠壓縮或幀緩沖來適應所支持以太網帶寬的數據速率。

圖 1：GigE Vision 相機傳感器側關鍵信號鏈組件示意圖。（圖片來源：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單的信號鏈架構。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

GMSL 相機架構使設計低功耗的小型相機變得更加簡單。串行器可通過標準 MIPI CSI-2 接口直接連接相機，并通過 GMSL 鏈路傳輸分組數據。

典型的主機設備是一個定制的嵌入式平臺，帶有一個或多個解串器，通過 MIPI 發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 相機驅動程序，但如果已有圖像傳感器驅動程序，則只需使用幾個配置文件寄存器或進行寄存器寫入，就能實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品組合，支持各種接口。這些產品組合具有強大的 PHY 設計、低誤碼率 (BER) 和向后兼容性。任何視頻協議都可以橋接在一起。例如，將 HDMI 連接到開放式 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、環境條件和電纜長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 GMSL 組件實例：

• [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 串行器說明數據流的示意圖。（圖片來源：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，來自兩個輸入端的視頻數據可在單個 CSI-2 端口匯聚以進行輸出，或在第二個端口進行冗余復制。
• [MAX96724] ，是一款四通道隧道式解串器，可將四個 GMSL 2/1 輸入轉換為兩個 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 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 串行協議。它還能實現視頻和雙向數據的全雙工單線傳輸。
• [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 還提供多種開發工具，如用于 MAX96724 器件的 [MAX96724-BAK-EVK#] 評估套件。

結語

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 為越來越多基于相機和顯示屏的應用（從機器學習和自主操作到信息娛樂和安全）提供可靠的微秒級延遲的高分辨率數字視頻傳輸。如今，數以百萬計的 GMSL 鏈路正在改善著駕駛員的道路體驗，證明了其可靠性和性能。

審核編輯 黃宇