使用 GMSL 可靠地满足工业和汽车对高带宽视频的要求

工业和汽车应用越来越依赖于高分辨率成像系统，而这些系统则必须能够高效、可靠地提供实时、高带宽视频数据。虽然 GigE Vision 标准已广为人知并得到广泛应用，但更新的应用需求正促使人们寻找替代方案。千兆位多媒体串行链路 (GMSL) 技术就是这样一种替代技术，它支持多台相机，能够进行严格的实时处理，降低了复杂性，且具有确定性、低功耗特性和紧凑的外形。

本文简要介绍了 GigE Vision 和 GMSL 之间的主要区别。然后介绍 Analog Devices 的 GMSL 解决方案，并说明如何使用这些解决方案大幅降低系统复杂性、提高可靠性并实现高效的实时视频传输。

相机接口技术如何影响性能

不同的接口技术为延长相机传感器与主机处理器之间的距离提供了解决方案，以满足许多成像应用的基本要求。基于千兆位以太网 (GbE) 技术的 GigE Vision 相机接口标准已被广泛采用。GigE Vision 相机通常依赖于由三个主要组件组成的信号链：图像传感器、处理器和以太网物理层 (PHY) 接口（图 1）。

图 1：以太网相机使用基于处理器的信号链，在传输前缓冲和处理图像传感器数据。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

在传感器方面，GigE Vision 相机可使用其内部处理器支持定制传感器接口协议。在传输方面，通过使用标准以太网，GigE Vision 相机可与各种主机设备兼容。例如，个人电脑和嵌入式系统通常将 GbE 端口作为标准接口。如果 GigE Vision 相机支持通用驱动程序（这些系统一般都会提供这种驱动程序），它就可以作为另一种即插即用外设使用。

基于以太网的解决方案在单相机应用中具有优势，但在多相机应用中需要额外的硬件。通常，这些应用需要额外的专用以太网交换机或网络接口卡 (NIC) 来处理多个数据流。在视频数据路径中加入这些设备可能会影响相机与主机之间的吞吐量和延迟。

另外，Analog Devices 的 GMSL 技术采用点对点串行链路方法，为需要多台相机且延迟最小的应用提供了高效的解决方案。GMSL 相机最初是为汽车应用而设计的，但作为基于以太网的相机的替代品，GMSL 相机正越来越多地被汽车领域以外的应用所采用。

在基于 GMSL 的应用中，多台紧凑型 GMSL 相机可以连接到单一 GMSL 主机，而不会影响吞吐量或延迟，前提是片上主机系统 (SoC) 支持所有相机的全部带宽（图 2）。

图 2：GMSL 多相机应用可采用简单相机（左），每个相机通过独立 GMSL 链路连接，最终汇聚至单一主机（右）。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

使用 GMSL 的相机通常采用简化的信号链，包括图像传感器和 GMSL 串行器。GMSL 串行器支持两个标准传感器接口：

• 第一代 GMSL (GMSL1) 设备支持并行低压差分信号 (LVDS) 接口。
• 第二代 GMSL (GMSL2) 和第三代 GMSL (GMSL3) 设备支持流行的移动工业处理器接口 (MIPI) 标准，能够让 GMSL 相机使用多种领先的图像传感器。

在大多数应用中，来自图像传感器的原始数据会被串行化，并以原始格式通过 GMSL 链路发送。由于无需处理器和其他支持组件，GMSL 相机的设计和制造更为简单。它们还为需要紧凑型相机外形和低功耗的应用提供了更有效的解决方案。

GMSL 链接的主机通常是一个定制的嵌入式系统，结合了一个或多个硬件解串器。在主机上运行几行代码通常就足以访问这些硬件解串器并获取数据。如果图像传感器存在驱动程序，开发人员只需设置适当的寄存器，即可从相机读取视频流。Analog Devices 的 GMSL 设备评估套件包括访问这些设备和探索其功能所需的软件。为了获得更多的 GMSL 开发支持，Analog Devices 提供了一个针对 GMSL 技术的开源软件库。

应对多相机应用配置

GMSL 的性能优势源于该技术处理视频流传输的方式（图 3）。

图 3：图像传感器曝光和读出（上）后，GMSL 相机会将原始视频数据包串行化并传输出去，然后进入空闲状态，直至下一帧（中）；GigE Vision 相机在进入空闲状态前，会以以太网帧为单位进行数据缓冲、处理和传输（下）。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

对于每个视频帧，全局快门图像传感器会在曝光期结束后立即读出数据，然后进入空闲状态，直到下一帧（图 3，上）。

当相机读出周期开始时，GMSL 和 GigE Vision 相机会以不同的方式处理数据传输。在 GMSL 相机中，GMSL 串行器会立即将图像传感器数据串行化并发送出去，然后返回空闲状态，直到下一个读出周期（图 3，中）。

在 GigE Vision 相机中，处理器在构建和发送以太网帧之前会对数据进行缓冲和处理（图 3，下）。

了解影响视频系统性能的基本因素

实际上，相机系统的性能取决于多种因素，其中包括以下一些关键特征：

链路速率：在基于 GMSL 和以太网的相机中，最大数据传输速率或链路速率因相机类型而异；但每种接口技术都依赖于一套固定的链路速率。基于以太网的 GigE Vision 相机遵守以太网的链路速率标准，这些标准以一系列分立的步骤进行规定，从 GigE Vision 相机的每秒 1 千兆比特 (Gb/s) 到最先进的 100 GigE Vision 相机的每秒 100 千兆比特不等。

GMSL 的链接速率随技术的产生而变化。GMSL1 支持 1.74 和 3.125 Gb/s 串行解串器链接速率，而 GMSL2 和 GMSL3 分别支持 6 和 12 Gb/s。

有效数据速率：在任何数据通信应用中，有效数据速率描述的是数据速率容量，不包括协议开销。这一概念也适用于视频数据通信，传输的有效视频数据量等于数据包或帧有效载荷中的像素比特深度 × 像素数。

GMSL 相机以数据包形式传输视频数据。GMSL2 和 GMSL3 设备使用固定的数据包大小，因此有效数据传输速率非常明确。例如，当 GMSL2 设备使用 6 Gb/s 链路时，建议视频带宽不超过 5.2 Gb/s。由于链路还包括来自传感器 MIPI 接口的协议开销和消隐间隔，5.2 Gb/s 的有效数据传输速率代表了来自所有输入 MIPI 数据通道的汇总数据，而非纯粹的视频数据。

与其他基于以太网的设备一样，GigE Vision 相机以帧为单位传输视频数据，且使用的帧长针对特定应用进行了优化。较长的帧可提高效率，而较短的帧可减少延迟。使用更高速的以太网有助于降低与使用长帧相关的风险，从而实现更高的有效视频数据速率。

GMSL 和基于以太网的技术都表现出突发传输模式。GMSL 相机的连拍时间完全取决于视频传感器的读出时间，因此实际应用中的连拍比率（连拍时间/帧周期）有可能达到 100%，以支持其全有效视频数据速率。在 GigE Vision 相机系统中，突发比率通常较低，以避免视频数据与以太网网络环境中常见的其他数据发生冲突（图 4）。

图 4：GMSL 相机的视频数据突发可占据整个视频帧周期（上），而基于以太网的相机的数据突发则与其他来源的数据突发共享网络（下）。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

分辨率和帧率：GMSL 相机和基于以太网的相机都会在分辨率和帧率上有所折衷，而分辨率和帧率是相机最重要的两个指标，也是提高链路速率的关键因素。

如上所述，GMSL 设备不包括帧缓冲或处理功能。因此，这些相机的分辨率和帧率完全取决于图像传感器或其内部图像传感器处理器 (ISP) 在链路带宽内所能支持的分辨率和帧率。通常，这些系统的性能是分辨率、帧率和像素位深之间的直接交换。

GigE Vision 相机的内部缓冲和处理能力使其性能模型更为复杂。这些相机的可用链路速率可能比 GMSL 相机慢，但它们也可能支持更高的分辨率、更高的帧率，或两者兼而有之，并提供额外的缓冲和压缩。

延迟：在汽车和工业应用中，可靠的系统运行和用户安全取决于以最小的确定性延迟实时获取和处理视频流数据的能力。

在基于以太网的相机中，支持更高分辨率和帧率的内部缓冲和处理能力会降低延迟性能和确定性响应。不过，对于这些相机来说，系统级延迟不一定总是更长，因为相机的内部处理能力可以带来更高效的系统图像流水线。

GMSL 相机的延迟分析较为简单。GMSL 相机系统从图像传感器输出到接收 SoC 输入的信号链很短（请重看图 2）。由于该信号链只是将原始视频数据从传感器端的串行器传送到接收端的解串器，因此视频数据的延迟时间极短，而且是确定的。

如何添加 GMSL 技术能力来增强应用

传输距离：GMSL 串行器和解串器的设计通常可在客运车辆中使用同轴电缆传输数据，传输距离最长可达 15 米 (m) 。在实际应用中，传输距离可超过 15 m，前提是相机硬件符合 GMSL通道规范¹。像 Analog Devices 的 MAX9295DGTM/VY+T GMSL 串行器和 MAX96716AGTM-VY GMSL 解串器这样的高级 GMSL 设备均具有自适应均衡功能。这使得同轴电缆的长度超过 15 m。

同轴电缆供电 (PoC)： GMSL 技术支持在同一根电缆上传输电力和数据。这种 PoC 功能通常默认用于使用同轴电缆的相机应用中，只需几个无源元件即可完成 PoC 电路构建。在这种配置中，电源和数据在链路中的单根导线上运行。

外设控制和系统连接：GMSL 技术旨在支持专用相机或显示器链路，而不是支持各种外设；不过，GMSL 设备通常为标准接口提供连接支持。例如，Analog Devices 的 MAX9295DGTM/VY+T 和 MAX96716AGTM-VY 支持多个标准接口的隧道或直通操作，包括通用输入/输出 (GPIO)、集成电路 (I2C) 和串行外设接口 (SPI) 接口。对于采用 GMSL 相机的大型应用，开发人员通常使用控制器局域网 (CAN) 总线等低速接口来交换控制信号或其他数据。

相机触发和同步：使用 GMSL 设备，正向和反向通道的 GPIO 和 I2C 通道均可在几微秒内完成。这一功能使得触发既可以来自串行器一侧的图像传感器，也可以来自解串器一侧的 SoC，从而支持一系列低延迟触发和同步要求。

结语

尽管 GigE Vision 在工业和汽车成像领域占据着当之无愧的主导地位，但 GMSL 技术则为需要最小延迟、低复杂性、紧凑外形和确定性的应用提供了更为稳健的解决方案。基于 GMSL 的相机系统采用 Analog Devices GMSL 串行器和解串器后，可简化多相机应用的设计，同时保持苛刻的实时环境所需的性能。

参考文献

1. GMSL2 通道规范用户指南