Intelligente Kameras rasch entwickelt mit SMARC-2.0-Modulen mit MIPI CSI

Autor / Redakteur: Andreas Hitzler * / Margit Kuther

Um intelligente Kameras günstig zu entwickeln, sind Standardmodule, basierend auf SMARC 2.0 mit MIPI-CSI-Schnittstelle die erste Wahl.

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Kameras entwickeln: SMARC-2.0-Modul MSC SM2S-IMX8M mit MIPI CSI 2.
Kameras entwickeln: SMARC-2.0-Modul MSC SM2S-IMX8M mit MIPI CSI 2.
(Bild: Avnet Integrated)

Avnet Integrated liefert ein breites Portfolio an SMARC-2.0-Baugruppen unterschiedlicher Performanceklassen, die bereits standardmäßig eine MIPI-CSI-2-Schnittstelle integrieren, sowie ein passendes Modul-Starterkit zur schnellen Time-to-Market der Endapplikation.

Eine der Schlüsselkomponenten in modernen IoT basierenden Embedded-Anwendungen sind intelligente Kameras. Sie übernehmen unterschiedliche Aufgaben in der industriellen Bildverarbeitung und bewältigen oftmals auch große Mengen an Videodaten. In der Regel sind die Kameralösungen Teil des Netzwerks und müssen eine hohe Datensicherheit gewährleisten.

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In zahlreichen Projekten kommen die Anforderungen nach einer kleinen Bauform und geringen Kosten hinzu. Die Einsatzgebiete für diese smarten Kameralösungensind extrem vielfältig und reichen von IoT-Systemen, Kameradrohnen, Automotive Infotainmentsystemen, die Medizintechnik, Sicherheitssystemen bis hin zu Verkehrskontroll- und Zutrittskontrollsystemen sowie Videoüberwachungsanlagen.

MIPI CSI-2, skalierbare und robuste Kameraschnittstelle

Moderne Embedded-Vision-Systeme lassen sich effizient und zudem kostengünstig auf der Basis von Standard-Prozessormodulen und einem Embedded-Kameramodul realisieren. Die Schnittstelle zwischen beiden Modulen spielt eine wesentliche Rolle, da sich die Kameras in ihrer Technologie, Software und der verwendeten Protokolle unterscheiden. Um dennoch moderne Kamera-basierende Designs ohne spezifisches Know-how realisieren zu können, bieten sich standardisierte Interfaces an wie USB 3.0 oder MIPI CSI.

Das skalierbare und robuste MIPI CSI-2 Interface ist heute die am weitesten verbreitete Kameraschnittstelle in der Mobile- und Tablet-Industrie und findet immer mehr auch Eingang in Embedded-Systeme. Wird ein Bildsensor über diese Schnittstelle an ein Embedded-Modul angeschlossen, fungieren beide zusammen als Kamera. MIPI CSI-2 überträgt die Bilddaten direkt vom Kameramodul oder Sensor an den Prozessor. Das Prozessormodul übernimmt die Steuerung und die Verarbeitung der Bilddaten. Als Technologie bietet sich SMARC 2.0 an, da diese Boards ein MIPI CSI-2 Interface bereits vorsehen. Auch die kommende Generation der MIPI-CSI-3-Schnittstellen wird vom SMARC-Standard bereits berücksichtigt.

Definiert wurde die Kameraschnittstelle MIPI CSI-2 (Camera Serial Interface) von der weltweit tätigen MIPI (Mobile Industry Processor Interface) Alliance. Zu den Mitgliedern der Organisation zählen praktisch alle Hersteller und Lösungsanbieter von mobilen Kommunikationssystemen und der Unterhaltungselektronik. Der Fokus liegt auf der Entwicklung und Standardisierung aller wichtigen Schnittstellen zwischen dem Mobile-Prozessor und der Peripherie wie Kameras, Sensoren oder Displays.

Damit lassen sich unterschiedliche Komponenten schnell und einfach in ein mobiles Gerät integrieren und die Time-to-Market optimieren. Da immer mehr Geräte mit mobilen Technologien ausgestattet sind, profitieren auch Märkte wie die Automobilindustrie und IoT-basierende Anwendungen von der Standardisierung der Schnittstellen. Die Spezifikationen der MIPI Alliance umfassen sechs Hauptthemen: Physical Layer, Multimedia, Kommunikation von Chip zu Chip oder zwischen Prozessoren, Steuerungen/Daten, Debug und Trace sowie Software.

Display Serial Interface hält in Embedded-Systemen Einzug

Ein weiterer von der MIPI definierter Standard ist das DSI (Display Serial Interface). Dieser Display-Schnittstellenstandard wird in naher Zukunft ebenfalls in Embedded-Anwendungen Einzug halten und auf künftigen SMARC-Modulen unterstützt werden. Auch hier zeigt sich, dass der SMARC-Standard perfekt für die Zukunft ausgestattet ist.

MIPI CSI-2 unterstützt High-End-Anwendungen mit großer Auflösung und hoher Farbtiefe. Dies umfasst Videos und hochaufgelöste Fotos mit 1080p, 4K, 8K und mehr sowie Widerholraten von 240 fps (Bilder pro Sekunde) und mehr. Die Spezifikationen berücksichtigen die besonderen Betriebsanforderungen in Mobiles, beispielsweise eine hohe Bandbreite, eine niedrige Verlustleistung und eine geringe elektromagnetische Interferenz (EMI).

Die MIPI Alliance stellt einen Satz von spezifischen Physical Layers für Signalübertragung und das darauf aufsetzende CSI-Protokoll zur Bilddatenübertragung zur Verfügung. Darüber hinaus ist die Schnittstelle CCI (Camera Control Interface) spezifiziert, die die Konfiguration der Kamera über I²C erlaubt. Das Ziel ist, möglichst viele Applikationsprotokolle zu unterstützen. Die Daten werden seriell über einzelne Lanes übertragen. Es kann eine flexible Anzahl von einem, zwei, drei oder vier Kanälen gewählt werden und damit je nach Systemanforderungen die MIPI-CSI-2-Bandbreite skalierbar erhöhen.

Die Spezifikationen beschreiben die physikalischen Layer M-PHY, D-PHY und C-PHY, die sich ergänzende oder herausragende Funktionen aufweisen. Das weit verbreitete D-PHY ist eine serielle Interface-Technologie, die differenzielle Signalisierung und eine skalierbare Anzahl an Daten-Lanes nutzt (Bild 1, siehe Bildergalerie). Ein Source-synchroner Takt unterstützt leistungseffiziente Interfaces für Streaming-Anwendungen wie Displays und Kameras. D-PHY verwendet ein Halb-Duplex-Verfahren, das für Applikationen wichtig ist, die eine bidirektionale Kommunikation mit Übertragungsraten bis 2,5 GBit/s pro Lane benötigen. D-PHY wird heute in den gängigen Embedded-Prozessoren wie Intel Apollo Lake oder NXP i.MX6 und i.MX8 verwendet und ist derzeit Standard in diesem Bereich. Zu den weiteren Eigenschaften der MIPI- CSI-2-Technologie zählen:

  • Eine Farbtiefe von RAW-16 und RAW-20 optimiert den High Dynamic Range (HDR) und das Signal to Noise Ratio (SNR) für leistungsfähige Bildsysteme, beispielsweise in autonomen Fahrzeugen
  • Bis zu 32 virtuelle Kanäle erlauben den Anschluss zahlreicher Bildsensoren mit unterschiedlichen Datentypen und unterstützen das Zusammenarbeiten verschiedener Sensoren, etwa in modernen Fahrerassistenzsystemen (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS)
  • Latency Reduction and Transport Efficiency (LRTE) ermöglichen die Bündelung von Bildsensoren in Echtzeitwahrnehmung mit geringer Verlustleistung ohne zusätzliche Systemkosten
  • Differential-Pulse-Code-Modulation (DPCM) liefert bei reduzierter Bandbreite Bilder mit ausgezeichneter SNR für kritische Bildanwendungen
  • Reduzierung von Power-Spectral-Density-(PSD)-Emissionen, um Radiointerferenzen zu minimieren und um zukünftige längere Kanäle zu erlauben

Durch die Unterstützung der MIPI-CSI-Schnittstelle auf SMARC-Modulen können Kunden relativ einfach von den genannten Vorteilen profitieren. Die zum Einsatz kommenden Prozessormodule werden einfach auf ein Carrier Board gesteckt, das alle anwendungsspezifischen Funktionen umfasst. Die leistungsfähigen Baugruppen sind für den zuverlässigen Betrieb ausgelegt und verfügen über ausgefeilte Sicherheitsfunktionen. Durch einen einfachen Modulaustausch ist ein Migrationspfad hin zu höherer Performance vordefiniert.

SMARC 2.0 bietet eine große Schnittstellenvielfalt

Embedded-Module nach dem SMARC-2.0-Standard, der von der SGeT-Gruppe definiert wird, sind sowohl für x86- als auch für Low-Power-Prozessoren von ARM ausgelegt. Die SMARC-Module bieten eine geradezu verschwenderische Vielfalt von industriellen Schnittstellen. Dennoch verfügt SMARC 2.0 immer noch über reservierte Pins, die für die spätere Modernisierung des Standards zurückbehalten wurden. Die SMARC-2.0-Module bieten standardmäßig integrierte Kame-rasignale, die entsprechend dem MIPI CSI-Standard ausgeführt sind.

Es werden zwei Schnittstellen parallel angeboten, von denen eine (CSI0) mit zwei Lanes ausgeführt ist und die zweite (CSI1) wahlweise aus zwei oder vier Lanes bestehen kann. Vier Lanes werden nur für besonders hoch auflösende Kameras benötigt, für die der SMARC-Standard also ebenfalls gerüstet ist. Avnet Integrated hat die MIPI-CSI-2-Schnittstellen bereits auf allen SMARC-2.0-Plattformen implementiert.

MIPI CSI-2 auf SMARC-2.0- Modulen von Avnet Integrated

Zur Evaluierung und schnellen Inbetriebnahme der Module sind die Entwicklungsplattform MSC SM2-MB-EP1 im Mini-ITX-Format und ein Starterkit lieferbar. Zudem sind Board Support Packages für Linux und auf Anfrage für Android verfügbar. Entwickler profitieren von einer vereinfachten Entwicklung und verkürzten Time-to-Market des Endgeräts. Die SMARC-2.0-Modulfamilie MSC SM2S-AL von Avnet Integrated verfügt über zwei MIPI-CSI-2-Kameraschnittstellen mit maximal möglicher Anzahl von Lanes.

Die Boards sind auf eine niedrige Verlustleistung von 7 - 14 W bei gleichzeitig hoher Geschwindigkeit ausgelegt. Die kompakte Plattform integriert die aktuelle Intel-Prozessorfamilie Atom E3900 oder alternativ Pentium- und Celeron-Prozessoren (Codename “Apollo Lake”). Einzelne Varianten der Familie MSC SM2S-AL- sind für den industriellen Temperaturbereich von -40 bis 85 °C verfügbar. Optional kann auf dem Board zum Schutz vor unautorisiertem Zugriff ein Trusted Platform Module (TPM) bestückt sein, das den Anforderungen der TCG (Trusted Computing Group) entspricht. Über die Schnittstellen DisplayPort++ und LVDS/ eDP/ DSI lassen sich bis zu drei unabhängige Displays anschließen.

Zwei MIPI-CSI-2-Schnittstellen als Kameraeingang bietet auch das SMARC-2.0-Modul MSC SM2S-IMX8M von Avnet Integrated, das auf dem aktuellen 64 Bit Prozessor i.MX8M ARM Cortex-A53 von NXP basiert. Die breite Auswahl an gängigen Schnittstellen umfasst Gigabit Ethernet, PCI Express, USB 3.0 und USB 2.0, UART, SPI, I²S Audio und optional CAN. An den Grafikschnittstellen HDMI 2.0/DisplayPort und LVDS/DSI lassen sich bis zu zwei unabhängige Displays hoher Auflösung anschließen. Avnet Integrated bietet darüber hinaus weitere Module für die komplette i.MX8-Prozessorfamilie von NXP mit CSI- und DSI-Schnittstellen an. Auch beim sehr erfolgreichen Modul MSC SM2S-IMX6 wird CSI bereits unterstützt.

Als dritte Säule im Portfolio bietet das SMARC-2.0-Modul MSC SM2S-ZUSP von Avnet Integrated ebenfalls MIPI CSI-2 an. Die Baugruppe basiert auf dem Zynq UltraScale+ MPSoC von Xilinx und unterstützt die FGPA-Komplexitäten ZU2, ZU3, ZU4 beziehungsweise ZU5. MIPI CSI ist hierbei als IP Core durch Kunden integrierbar. Der modulare Ansatz sowie die Programmierbarkeit des Prozessors und des FPGAs bietet Kunden eine hohe Flexibilität und Skalierbarkeit, was zu einer optimierten Time-to-Market des Modul-basierenden Endprodukts führt. Avnet Integrated liefert mit den sofort einsatzbereiten SMARC- 2.0-Modulen mit MIPI-CSI-2-Schnittstellen und den passenden Entwicklungs-Tools die Grundlage für den schnellen Aufbau smarter Embedded-Kamerasysteme mit hoher Bandbreite. Der Schwerpunkt sind Embedded-Vision-Systeme, bei denen ein schlankes und kostenoptimiertes Design im Vordergrund stehen.

* Andreas Hitzler ist Product Marketing Manager Boards bei Avnet Integrated / MSC

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