Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung ist ein essenzieller Bestandteil moderner Sensor-Fusion-Applikationen. Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL) spielt dabei eine zentrale Rolle. Mit dieser Videoschnittstelle lassen sich hochauflösende Sensordaten effizient übertragen und damit Multi-Stream-Anwendungen umsetzen. Ein weiterer Vorteil von GMSL ist die Zuverlässigkeit und Robustheit. Häufige Anwendungsgebiete sind Fahrassistenzsysteme (ADAS) und Kameraüberwachungssysteme (CMS/CCTV).
GMSL wurde einst vom kalifornischen Unternehmen Maxim Integrated entwickelt. Das Unternehmen gibt es heute nicht mehr, es wurde 2021 von Analog Devices übernommen. GMSL hingegen hat seinen weltweiten Siegeszug in der Automotive-Industrie angetreten und wird längst branchenübergreifend geschätzt, so für fahrerlose Transportsysteme (FTS), kollaborative Roboter (Cobots), autonome mobile Roboter (AMRs), für die Agrartechnik oder für Off-Highway-Applikationen.
Der Erfolg der GMSL-Technologie basiert auf den herausragenden Eigenschaften betreffend Datenrate, Latenz, geringem Stromverbrauch, Vollduplex-Kommunikation und hoher Datenintegrität.
GMSL3 unterstützt Datenraten von bis zu 12 Gbit/s, GMSL2 von bis zu 6 Gbit/s bei sehr geringer Latenz. Das ermöglicht die Übertragung von hochauflösenden Sensordaten in Echtzeitanwendungen. GMSL wird daher häufig in Sensor-Fusion-Anwendungen eingesetzt, bei denen Daten mehrerer hochauflösender Kameras und anderer Sensoren wie Radar oder Lidar in Echtzeit übertragen, gebündelt und dann im gleichen Prozessor verarbeitet werden.
Mit GMSL lässt sich der Verkabelungsaufwand deutlich reduzieren, da die Stromversorgung zusammen mit der Videoübertragung über dasselbe Koaxialkabel (PoC) erfolgt – es wird also nur ein einziges Kabel benötigt. Sensoren wie Kameras, die über GMSL an ein Gerät angeschlossen sind, können direkt daraus mit Strom versorgt werden, ohne ein zusätzliches Netzkabel. Besonders GMSL2 und GMSL3 ermöglichen es, neben Video und Strom auch Steuerbefehle, Synchronisationssignale, Haptik- und Touch-Daten, Software-Updates, Statusmeldungen und mehr über einen einzigen Anschluss zu übertragen. Darüber hinaus unterstützt GMSL die gleichzeitige Übertragung von Sensordaten, Strom und Steuerungsdaten mittels serieller Protokolle wie SPI (Serial Peripheral Interface) oder I2C (Inter-Integrated Circuit) in beide Richtungen (Duplexkommunikation). Durch die optimale Nutzung der Bandbreite erzielt GMSL eine sehr geringe Latenz und unterstützt dank der hohen Datenrate auch hochauflösende Kameras. Dies senkt die Kosten, verbessert die Zuverlässigkeit und erhöht die Langlebigkeit der gesamten Anwendung, da Kabel und Steckverbindungen zu den häufigsten Fehlerquellen zählen.
Die GMSL-Technologie ermöglicht Fernübertragungen über Längen von bis zu 15 Metern. Die Kameras können bis zu 15 Meter vom Host-Prozessor entfernt positioniert werden, ohne dass die Übertragungsgeschwindigkeit, die hohen Bildraten oder die geringe Latenz beeinträchtigt werden.
Da hochauflösende Videodaten eine große Menge an Informationen enthalten, werden sie vor der Übertragung komprimiert. Der Serialisierer (SerDes) verarbeitet die vom Sensor eingehenden parallelen Daten und wandelt sie in einen sequenziellen seriellen Datenstrom um. Diese Daten werden in Paketen gesendet. Am anderen Ende des Kabels empfängt der Deserialisierer (Des) die seriellen Datenpakete und wandelt sie wieder in ihre ursprüngliche parallele Form um, so dass der Embedded-Computer sie korrekt interpretieren kann. Die Videodaten werden dann für Anwendungen wie Fahrerassistenzsysteme, Präzisionslandwirtschaft, Umweltüberwachung oder autonomes Fahren verarbeitet.
Trotz aller Vorteile hat GMSL auch seine Nachteile. Eine der größten Herausforderungen ist die komplexere Systemintegration im Vergleich zu Kameraschnittstellen wie USB oder TCP/IP. Insbesondere die Verwendung des Virtual Channel Frameworks stellt die Entwickler vor technische Hürden. Diese Herausforderungen betreffen sowohl die Hardwarekonfiguration als auch die Softwareintegration und erfordern ein tiefes Verständnis der zugrunde liegenden Technologien.
Besonders wichtig ist, dass der Serialisierer und der Deserialisierer kompatibel sind, d.h. sie müssen aus der gleichen Produktfamilie stammen. Darüber hinaus muss der Deserialisierer mit dem Prozessor, der die Daten verarbeitet, kompatibel sein. Nur wenn der Prozessor das Ausgabeformat (z. B. MIPI-CSI) unterstützt, können die Daten weiterverarbeitet werden. Die folgenden Abschnitte beschreiben diese Herausforderungen im Detail.
Da mehrere Sensoren und Serialisierer oft dieselbe physikalische I²C-Adresse verwenden, ist es notwendig, eindeutige Proxy-Adressen zu vergeben. Diese werden zur Laufzeit vom Deserialisierer festgelegt, um Adresskonflikte zu vermeiden und eine klare und eindeutige Kommunikation zu gewährleisten.
Virtuelle Kanäle werden verwendet, um mehrere Videoströme parallel über eine gemeinsame CSI-Schnittstelle zu übertragen. Jedem Stream wird eine eindeutige virtuelle Kanal-ID zugewiesen, die sowohl auf der Sensor- als auch auf der Empfängerseite korrekt konfiguriert sein muss, um eine genaue und fehlerfreie Datenzuordnung zu gewährleisten.
Die korrekte Einrichtung des Gerätebaums ist entscheidend für die Gesamtfunktionalität des Systems. Dazu gehören die Definition von CSI-Spuren, Bandbreitenparametern, Stromversorgungen und die genaue Zuordnung der Komponenten zueinander. Bei falscher Konfiguration können Kameraströme in der Regel nicht empfangen werden, und die Fehlersuche kann sehr zeitaufwändig sein.
Die gleichzeitige Verwendung mehrerer Sensoren erfordert eine präzise Synchronisierung, insbesondere wenn sie über denselben CSI-Anschluss kommunizieren. Unterschiedliche Spurenkonfigurationen oder asynchrone Betriebsmodi können zu Datenverlusten oder Fehlinterpretationen führen. Zu den potenziellen Problemen gehören Bildflimmern bei Szenenwechseln und eine suboptimale Bildqualität aufgrund einer schlechten Sensorkalibrierung. Außerdem ist die Unterstützung bestimmter Hardwarekonfigurationen, wie z. B. 4-fach CSI-Aggregatoren, noch nicht von allen Herstellern vollständig validiert worden.
GMSL wurde ursprünglich für die Automobilindustrie entwickelt. Daher haben die Hersteller von GMSL-Kameras ihre Produktion für hohe Stückzahlen (in der Regel >1000 Stück) optimiert. Dies stellt für Unternehmen, die nur kleine Mengen benötigen, eine Herausforderung bei der Beschaffung dar.
Als Anbieter von KI-fähigen Embedded-Computer bietet Syslogic eine Reihe von Geräten auf Basis von NVIDIA Jetson-Modulen mit GMSL-Schnittstellen an. Diese Embedded-Computer sind ideal für die Verarbeitung von Videodaten. Um die Kameraintegration für den Endanwender zu vereinfachen, ist Syslogic Partnerschaften mit Kameraherstellern eingegangen. GMSL-Kameras von Herstellern wie Stereolabs, e-con Systeme, D3 Eingebettet und Valeo sind für die Kompatibilität mit Syslogic-Hardware vorkonfiguriert. Dies verkürzt die Markteinführungszeit und vereinfacht die Systemintegration.
