MIPI-Kameramodule für Raspberry Pi und die Industrie

| Autor / Redakteur: Miriam Schreiber * / Margit Kuther

Bild 1: MIPI-Kameras, die sich mit verschiedensten CPU-Boards kombinieren lassen, erlauben eine flexible Erstellung von OEM-Vision-Systemen.
Bild 1: MIPI-Kameras, die sich mit verschiedensten CPU-Boards kombinieren lassen, erlauben eine flexible Erstellung von OEM-Vision-Systemen. (Bild: Vision Components)

Mit MIPI-Kameramodulen, etwa für Raspberry Pi, können Zulieferer für Embedded-Vision-Systeme jetzt kleine, preiswerte und autarke Bildverarbeitungssysteme mit Singleboard-Computern konfigurieren.

Das von der MIPI Alliance ursprünglich für Mobilgeräte standardisierte Mobile Industry Processor Interface (MIPI) setzt sich auch in industriellen Applikationen durch. Die Automobilindustrie führte diese Bewegung an. Immer mehr moderne CMOS-Sensoren, beispielsweise diejenigen des japanischen Herstellers Sony, haben MIPI-Schnittstellen. Viele leistungsstarke Prozessorboards aus der Makerszene unterstützen die Schnittstelle.

Embedded-Vision-Zulieferer können nun auf MIPI-Kameramodule zugreifen, um zum Beispiel mit einem Raspberry Pi ein sehr kostengünstiges, kleines, autarkes Bildverarbeitungssystem zu konfigurieren (Bild 1). Das Konzept ist daher prädestiniert für jegliche dezentralen Anwendungen mit vielen Kameras. Die Miniaturkameras eignen sich insbesondere auch für mobile und dezentrale Applikationen wie Autonomes Fahren, Drohnen, Smart City, Medizintechnik und Laborautomation.

Vision Components sieht sich als Technologieführer in der Fertigung industrieller MIPI-Kameramodule. Der Markt hat das Potenzial erkannt und arbeitet eifrig an Angeboten. Doch Vision Components hat noch keinen anderen Hersteller gefunden, der mit der eigenen, großen Vielfalt an Modellen mithalten kann. Verschiedene Anbieter hatten im Frühjahr Prototypen am Start.

Vielfalt an Bildsensoren mit Auflösungen bis 13 MP

Jedoch kann bis heute kaum ein Anwender mehr als vier Modelle vorweisen. Vision Components sticht darum in mehrfacher Hinsicht heraus: Der Mittelständler hat bis heute bereits acht verschiedene Bildsensoren mit Auflösungen bis 13 Megapixel (MP) integriert und alle sind bereits verfügbar, darunter vier Global-Shutter-Sensoren und vier Rolling-Shutter-Sensoren. Weitere zehn folgen bis Jahresende 2019 beziehungsweise bis Q1/2020. Mit dieser Auswahl können Entwickler also sofort durchstarten, um ihre Vision-Lösungen kostengünstig umzusetzen und schnell auf den Markt zu bringen. Auch Global-Reset-Shutter-Sensoren werden im Laufe dieses Jahres verfügbar sein. Bei Auflösungen über 5 MP bieten diese Sensoren beträchtliche Preisvorteile gegenüber Sensoren mit echtem Global Shutter.

Hohe Verarbeitungsstandards der MIPI-Kameraplatinen

Vision Components führt seinen großen Vorsprung bei MIPI-Kameraplatinen auf über zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Entwicklung und Fertigung von Embedded-Vision-Systemen und der zugehörigen Software zurück. VC-MIPI-Kameras zeichnen sich durch eine hohe Verarbeitungsqualität aus (Bild 2, Bildergalerie). Sie sind zu 100% in Deutschland entwickelt und gefertigt. Dank der optimierten Konstruktion, die sich in der Serienproduktion bei großen Stückzahlen bewährt hat, können alle Qualitätsmerkmale eingehalten werden.

Die achtlagigen Platinen enthalten vorgefertigte Befestigungsbohrungen und Präzisionspassungen für Passstifte und lassen sich daher auch einfach und vor allem wiederholbar weiterverarbeiten. Die Sensoren selbst sind in einen Keramik-LGA-Chip eingefasst, der mechanische Stabilität und Präzision gewährleistet. Für bestmögliche Wärmeableitung ist dieser auf einer Kupferfläche mit Kantenmetallisierung platziert. Dank diesem Konzept sind die Sensoren außerdem extrem rauscharm.

Die genormte MIPI-Schnittstelle ermöglicht Nutzern der Kameraplatinen eine hohe Flexibilität, um genau das System zu erstellen, das für ihre Zwecke am besten geeignet ist.

Kundenspezifische Carrier Boards und weiteres Zubehör

VC-MIPI-Kameramodule können mit über 20 CPU-Boards verschiedener Hersteller verbunden werden, unter anderem mit Boards der Raspberry Pi Foundation und 96Boards, mit den Modellen NVIDIA TX1 und TX2 sowie weiteren Boards mit i.MX6- oder i.MX8-Prozessor. Der Hersteller wird das Sortiment weiter ergänzen. Umfangreiches Zubehör wie Objektivhalter, Adapterplatinen, Repeater, Filterscheiben und kundenspezifische Carrier Boards ist ebenfalls verfügbar. Unter anderem bietet Vision Components das VC MIPI 96 Adapterboard an, ein CSI-&-Ethernet-Adapterboard, mit dem sich aus einem MIPI-Kameramodul und einem 96Board ganz einfach eine Embedded-Kamera erstellen lässt (Bild 3).

Bild 3: Externe Blitz- und Triggersignale lassen sich bequem über ein 
zusätzliches Board einbinden.
Bild 3: Externe Blitz- und Triggersignale lassen sich bequem über ein 
zusätzliches Board einbinden. (Bild: Vision Components)

Der MIPI-Schnittstellen- Standard ist weit verbreitet

Der Unternehmensverband MIPI Alliance setzt sich für die Standardisierung von Schnittstellen für Mobilgeräte ein. Er hat unter anderem die Kameraschnittstelle MIPI CSI-2 definiert. Alle Kamerasensoren und Prozessor-Chips, die diese Spezifikation erfüllen, sind kompatibel. Kameras in Handys und Tablets sind typischerweise sehr klein, die Sensoren sind meist direkt auf die Hauptplatine gelötet. Deswegen wurde nur die Art der Kommunikation spezifiziert, nicht aber Kabel und Stecker.

Raspberry Pi 3 B+: Der weltweit beliebteste Singleboard-Computer bietet eine Kameraschnittstelle MIPI CSI-2 (rot umrandet).
Raspberry Pi 3 B+: Der weltweit beliebteste Singleboard-Computer bietet eine Kameraschnittstelle MIPI CSI-2 (rot umrandet). (Bild: Raspberrypi.org)

Um den Sprung von Mobilgeräten hin zu einem flächendeckenden Einsatz in Embedded-Vision-Geräten zu schaffen, fehlt noch die Spezifikation eines Steckverbinders. Vision Components hat bei der Konzeption seiner Module auf das Steckerkonzept des Raspberry Pi aufgebaut. Der Raspberry Pi ist mit über 25 Mio. Exemplaren seit 2012 der meistverkaufte Einplatinencomputer weltweit und verfügt über eine leistungsfähige MIPI-CSI-2-Kameraschnittstelle (Bild 4). Etliche Nachfolgeprodukte verschiedenster Anbieter – wie die 96Boards von Linaro oder NVIDIA Jetson – haben dasselbe Steckerkonzept, das daher die besten Chancen als zukünftiger Standard hat. Eine bedeutende Zahl von Carrier Boards und Developer Boards für Embedded Computing verwenden ebenfalls den Raspberry-Pi-Stecker.

Neben der ursprünglichen Bauform als Einplatinencomputer mit einem 15-poligen MIPI-Stecker bietet die Raspberry Pi Foundation auch eine Steckkarte (Compute Module) und die abgespeckte Variante Raspberry Pi Zero, die beide 22-polige MIPI-Stecker haben. Die 15- und 22-poligen Steckervarianten sind kompatibel: Es ist möglich, mit einem einfachen Flexprint-Kabel die Umsetzung von der einen auf die andere Anschlussvariante zu realisieren. Zwei der 22 Pins hat Vision Components als Trigger-Eingang und Blitzausgang definiert, natürlich ohne die Funktion der Host-Systeme zu beeinträchtigen. Der Trigger-Eingang ermöglicht außer Video-Streams auch Einzelaufnahmen. Alle Einstellungen können für jedes Bild angepasst werden: Verschlusszeit, Gain, Bildgröße und -lage und Binning. Dadurch lassen sich sehr schnelle Vorgänge erfassen und synchronisieren.

Geschirmtes Kabel für hohe Datenraten

Um Kamera und Mainboard optimal zu verbinden, hat Vision Components selbst ein neues Design in Form einer geschirmten flexiblen Leiterplatte entwickelt. Hier hatte Raspberry Pi die Nachteile seines ungeschirmten Kabels durch eine stark verminderte Übertragungsrate kompensiert. Die Kabellösung von Vision Components ermöglicht eine störungsfreie MIPI-Übertragung und bietet eine große Bandbreite. Die flexible Leiterplatte mit einseitiger Referenz- und Schirmlage enthält 100-Ω-differenzielle Leiterbahnpaare.

Die VC-MIPI-Kameras werden standardmäßig mit einem 200-mm-Flexprint-Kabel ausgeliefert. Es gibt davon Varianten für 15-polige Stecker (zwei Lanes) und 22-polige Stecker (vier Lanes). Diese Konfiguration erlaubt es, die hohen Übertragungsgeschwindigkeiten, die der MIPI-CSI-2-Standard ermöglicht, voll auszunutzen. Die meisten Prozessoren können 1,5 GBit/s pro Lane verarbeiten. Das bedeutet bei vier Lanes typische Übertragungsraten von 6 GBit/s beziehungsweise bei 10 Bit Pixelauflösung 600 MByte/s, was die Geschwindigkeit einer USB-3-Kamera um den Faktor 2 übertrifft.

Treibersoftware, etwa für Raspberry Pi

Peripheriehardware ist erst dann einfach zu nutzen, wenn diese durch eine gut funktionierende Treibersoftware unterstützt wird. Für Linux ist zudem auch noch der Devicetree wichtig, der unterschiedliche Gegebenheiten der Hardware abbildet. Für die MIPI-Module gibt es derzeit von Vision Components stabile Frameworks für den Raspberry Pi 3 B+ und für das Compute Module 3. Treiber für NVIDIA Jetson TX2 und Jetson nano sowie für Snapdragon 410 sind in Arbeit und werden noch im Sommer 2019 verfügbar sein.

Treiber für weitere Plattformen sollen im Laufe der Zeit je nach Bedarf zur Verfügung gestellt werden. Derzeit unterstützen die VC-MIPI-Kameras ausschließlich das Betriebssystem Linux. Denn dieses hat sich in der Praxis der vergangenen Jahre als führend bei Produkten für Embedded Vision herauskristallisiert.

* Miriam Schreiber ist Marketing- und PR-Managerin bei der Vision Components GmbH in Ettlingen.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 45979771 / Raspberry & Co.)