Các ứng dụng công nghiệp và ô tô ngày càng dựa vào các hệ thống hình ảnh có độ phân giải cao, hệ thống này phải có khả năng cung cấp dữ liệu video băng thông cao, thời gian thực một cách hiệu quả và đáng tin cậy. Mặc dù tiêu chuẩn GigE Vision được biết đến và sử dụng rộng rãi nhưng các yêu cầu ứng dụng cập nhật đang thúc đẩy mọi người tìm kiếm các giải pháp thay thế. Công nghệ Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL) là công nghệ thay thế hỗ trợ nhiều camera, cho phép xử lý nghiêm ngặt theo thời gian thực, giảm độ phức tạp và có các đặc tính xác định, tiêu thụ điện năng thấp và vẻ ngoài nhỏ gọn.
Bài viết này giới thiệu ngắn gọn những khác biệt chính giữa GigE Vision và GMSL. Sau đó giới thiệu các giải pháp GMSL của Thiết bị Analog và giải thích cách sử dụng các giải pháp này để giảm đáng kể độ phức tạp của hệ thống, cải thiện độ tin cậy và đạt được khả năng truyền video theo thời gian thực hiệu quả.
Công nghệ giao diện camera ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào
Các công nghệ giao diện khác nhau cung cấp giải pháp mở rộng khoảng cách giữa cảm biến camera và bộ xử lý máy chủ để đáp ứng các yêu cầu cơ bản của nhiều ứng dụng hình ảnh. Tiêu chuẩn giao diện camera GigE Vision dựa trên công nghệ Gigabit Ethernet (GbE) đã được áp dụng rộng rãi. Máy ảnh GigE Vision thường dựa vào chuỗi tín hiệu bao gồm ba thành phần chính: cảm biến hình ảnh, bộ xử lý và giao diện lớp vật lý Ethernet (PHY) (Hình 1).
Camera Ethernet sử dụng hình ảnh chuỗi tín hiệu dựa trên bộ xử lý
Hình 1: Camera Ethernet sử dụng chuỗi tín hiệu dựa trên bộ xử lý để đệm và xử lý dữ liệu cảm biến hình ảnh trước khi truyền. (Nguồn hình ảnh: Analog Devices, Inc.)
Về cảm biến, camera GigE Vision có thể sử dụng bộ xử lý bên trong để hỗ trợ các giao thức giao diện cảm biến tùy chỉnh. Về mặt truyền dẫn, camera GigE Vision tương thích với nhiều thiết bị chủ khác nhau bằng cách sử dụng Ethernet tiêu chuẩn. Ví dụ: máy tính cá nhân và hệ thống nhúng thường sử dụng cổng GbE làm giao diện tiêu chuẩn. Nếu máy ảnh GigE Vision hỗ trợ các trình điều khiển phổ thông (thường được cung cấp bởi các hệ thống này), thì nó có thể được sử dụng như một thiết bị ngoại vi cắm và chạy khác.
Các giải pháp dựa trên Ethernet có lợi thế trong các ứng dụng camera đơn nhưng yêu cầu phần cứng bổ sung trong các ứng dụng nhiều camera. Thông thường, các ứng dụng này yêu cầu thêm bộ chuyển mạch Ethernet chuyên dụng hoặc thẻ giao diện mạng (NIC) để xử lý nhiều luồng dữ liệu. Việc thêm các thiết bị này vào đường dẫn dữ liệu video có thể ảnh hưởng đến thông lượng và độ trễ giữa máy ảnh và máy chủ.
Ngoài ra, công nghệ GMSL của Thiết bị Analog áp dụng phương pháp liên kết nối tiếp điểm-điểm, cung cấp giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng yêu cầu nhiều camera với độ trễ tối thiểu. Camera GMSL ban đầu được thiết kế cho các ứng dụng ô tô, nhưng để thay thế cho camera dựa trên Ethernet, camera GMSL ngày càng được áp dụng cho các ứng dụng bên ngoài ngành công nghiệp ô tô.
Trong các ứng dụng dựa trên GMSL, nhiều camera GMSL nhỏ gọn có thể được kết nối với một máy chủ GMSL duy nhất mà không ảnh hưởng đến thông lượng hoặc độ trễ, miễn là hệ thống máy chủ trên chip (SoC) hỗ trợ toàn bộ băng thông của tất cả các camera (Hình 2).
Sơ đồ ứng dụng nhiều camera GMSL
Hình 2: Các ứng dụng nhiều camera GMSL có thể sử dụng các camera đơn giản (trái), với mỗi camera được kết nối thông qua một liên kết GMSL độc lập và cuối cùng được hội tụ về một máy chủ duy nhất (phải). (Nguồn hình ảnh: Analog Devices, Inc.)
Máy ảnh sử dụng GMSL thường sử dụng chuỗi tín hiệu đơn giản hóa, bao gồm cảm biến hình ảnh và bộ nối tiếp GMSL. Trình sắp xếp chuỗi GMSL hỗ trợ hai giao diện cảm biến tiêu chuẩn:
Thiết bị GMSL (GMSL1) thế hệ đầu tiên hỗ trợ giao diện tín hiệu chênh lệch điện áp thấp (LVDS) song song.
Các thiết bị GMSL thế hệ thứ hai (GMSL2) và GMSL thế hệ thứ ba (GMSL3) hỗ trợ tiêu chuẩn Giao diện bộ xử lý công nghiệp di động (MIPI) phổ biến, cho phép máy ảnh GMSL sử dụng nhiều loại cảm biến hình ảnh hàng đầu.
Trong hầu hết các ứng dụng, dữ liệu thô từ cảm biến hình ảnh được tuần tự hóa và gửi ở định dạng ban đầu qua liên kết GMSL. Do không có bộ vi xử lý và các thành phần hỗ trợ khác nên việc thiết kế và chế tạo camera GMSL đơn giản hơn. Chúng cũng cung cấp các giải pháp hiệu quả hơn cho các ứng dụng yêu cầu hình dáng máy ảnh nhỏ gọn và mức tiêu thụ điện năng thấp.
Máy chủ được liên kết GMSL thường là một hệ thống nhúng tùy chỉnh kết hợp một hoặc nhiều bộ giải tuần tự phần cứng. Việc chạy một vài dòng mã trên máy chủ thường là đủ để truy cập các trình giải tuần tự hóa phần cứng này và truy xuất dữ liệu. Nếu có trình điều khiển cho cảm biến hình ảnh, nhà phát triển chỉ cần đặt các thanh ghi thích hợp để đọc luồng video từ camera. Bộ đánh giá thiết bị GMSL của Analog Devices bao gồm phần mềm cần thiết để truy cập các thiết bị này và khám phá chức năng của chúng. Để nhận được nhiều hỗ trợ hơn cho việc phát triển GMSL, Analog Devices cung cấp thư viện phần mềm nguồn mở cho công nghệ GMSL.