Neue SerDes-Baustein-Generationen

Sensordaten optimal verarbeiten

30. Januar 2017, 15:16 Uhr | Von Dave Lewis

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Design der nächsten Kamerageneration

Automotive-Kameras müssen nicht nur höhere Auflösungen bieten und leistungsfähiger werden, sondern dabei auch kompakt und zuverlässig bleiben und auch bei schwierigen Beleuchtungsverhältnissen eine ausgezeichnete Performance bieten. Hier einige typische Entwurfsvorgaben für Kameras:

  • Kameramodul mit kleinen Abmessungen (≤ 20 mm × 20 mm)
  • Hohe Performance (insbesondere hohe Empfindlichkeit bei schwacher Beleuchtung)
  • Geringe Leistungsaufnahme und Wärmeentwicklung zur Minimierung des thermischen Rauschens
  • Günstiger Preis für breite Akzeptanz
  • Höhere Auflösung und Frame-Rate
  • Einhaltung strenger EMV-Vorschriften für den Automotive-Bereich
  • Schutz der Daten und reichhaltige Diagnosefunktionen für funktionale Sicherheit des Systems.

Kameras werden meist über ein einzelnes Koaxkabel und SerDes-Bausteine mit den ECUs verbunden, die die Videoverarbeitung übernehmen (Bild 9a). Über das Koaxkabel und einen einzigen kleinen Steckverbinder wird alles übertragen, was für den Betrieb der Kamera benötigt wird: die rohen, unkomprimierten Videodaten, ein latenzarmer bidirektionaler Steuerkanal und die Stromversorgung. Diese Technik, die häufig als „Power over Coax“ (PoC) bezeichnet wird, vereinfacht den Anschluss der Kameras und minimiert gleichzeitig deren Platzbedarf.

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Designs für traditionelle 1-MPixel-Kamera (a) und eine neue 2-MPixel-Kamera (b)
Bild 9. Designs für traditionelle 1-MPixel-Kamera (a) und eine neue 2-MPixel-Kamera (b).
© Texas Instruments

Eine neue Gattung von SerDes-Bausteinen erhöht inzwischen die Performance von 1 MPixel auf 2 MPixel und mehr, während gleichzeitig die Kamera¬abmessungen verringert werden (Bild 9b). Der 2 MPixel-Serializer wird über den Rückkanal von der ECU getaktet, sodass kein lokaler Oszillator benötigt wird. Dies wiederum hat zwei grundlegende Vorteile: Erstens spart der Entfall des Oszillators Platz bei gleichzeitiger Verbesserung der Zuverlässigkeit und zweitens sind die Videosignale aller Kameras zu einem zentralen Takt synchronisiert, was die Videoverarbeitung vereinfacht. Der schnellere Rückkanal ermöglicht außerdem (abhängig vom Rauschen der Stromversorgung für den Bildaufnehmer) den Verzicht auf das große PoC-Filter (100 µH), was ungefähr 50 mm² Leiterplattenfläche spart. Unter dem Strich entsteht also eine leistungsfähigere und dabei gleichzeitig kleinere Kamera.

Bildaufnehmer-Schnittstellen: Parallel (a) und MIPI CSI-2 (b)
Bild 10. Bildaufnehmer-Schnittstellen: Parallel (a) und MIPI CSI-2 (b).
© Texas Instruments

Eine bessere Schnittstelle

Traditionelle Serializer erhalten die Bildaufnehmer-Daten über einen parallelen LVCMOS-Bus (Bild 10a). Allerdings nehmen parallele LVCMOS-Busse tendenziell mehr Leistung auf als differenzielle Busse und erzeugen außerdem mehr elektromagnetische Störgrößen (EMI). Problematisch gestaltet sich außerdem das Separieren verschiedener Arten von Bildaufnehmer-Daten. Zum Beispiel müssen die zu jedem Frame bzw. zu jeder Aufnahme gehörenden Metadaten in zusätzlichen Bildzeilen und/oder Spalten untergebracht werden. Dies aber zwingt die ECU zum Zählen von Bits, damit die Videodaten von den videofremden Daten unterschieden werden können. Hinzu kommt, dass der gesamte Video-Übertragungsweg an den Pixeltakt des Bildaufnehmers gebunden ist, was das Bündeln und Verarbeiten von Videosignalen erschwert, die von Kameras mit verschiedenen Auflösungen und Frame-Raten stammen.

Zur Lösung dieser Probleme setzt man in Automotive-Anwendungen auf den bereits erwähnten MIPI-CSI-2-Standard (Bild 10b). CSI-2 ist ein quasi serialisierter differenzieller Bus, der bei geringer Leistungsaufnahme und niedrigem EMI-Aufkommen einen hohen Durchsatz ermöglicht. CSI-2 ist außerdem paketbasiert und unabhängig von der Pixeltakt-Frequenz (PCLK) der Bildsensoren. Die Pakete werden über den CSI-2-Bus burstweise und mit fester Frequenz übertragen, während in den dazwischenliegenden Leerlaufphasen ein Low-Power-Status aktiviert wird. Diese Architektur entkoppelt die Pixelfrequenzen der Bildsensoren vom Datenübertragungsweg, was das Bündeln und Verarbeiten von Videosignalen aus mehreren Kameras mit unterschiedlichen Auflösungen, Frame-Raten und Bildformaten erleichtert. CSI-2-Pakete enthalten Header mit Feldern für Dateninhalt und Kanal. Dies wiederum erleichtert den Prozessoren die Unterscheidung von Video-, Aufnahme- und Metadaten mehrerer Kameras, ohne dass die eingefügten Bits gezählt werden müssen. Schließlich wartet CSI-2 mit weiteren Features wie der CRC-Datenabsicherung auf, um die Robustheit und funktionale Sicherheit des Systems zu steigern. CSI-2 stellt damit insgesamt ein moderneres Konzept für eine Videoschnittstelle dar und macht es einfacher, Sensoren unterschiedlicher Art und Geschwindigkeit in Sensorfusionssystemen zusammenzufassen.

Diagnose des Kameramoduls mit Hilfe des Serializer
Bild 11. Diagnose des Kameramoduls mit Hilfe des Serializer.
© Texas Instruments

Funktionale Sicherheit: Datenschutz und Diagnose

Die funktionale Sicherheit ist eine Systemanforderung. Die einzelnen SerDes-Bausteine sind deshalb meist nicht mit einer ASIL-Angabe versehen. Eine neue Familie von SerDes-Bausteinen jedoch integriert innovative Datenschutz- und Diagnose-Features für die funktionale Sicherheit des Gesamtsystems. Diese SerDes-Bausteine sichern die Daten per CRC ab, um das System beim Auftreten verfälschter Daten zu warnen. Sie prüfen außerdem die ankommenden Bildaufnehmer-Daten auf Fehler, sodass das System ermitteln kann, an welcher Stelle der Signalkette die Fehler ihren Ursprung haben. Werden Fehler festgestellt, alarmiert der Serializer die ECU und leitet die Befehle nicht weiter. Dies wiederum trägt dazu bei, eine Fehlkonfiguration des Kameramoduls zu vermeiden.

Der Serializer enthält umfangreiche Diagnosefunktionen, um den einwandfreien Betriebszustand des Kameramoduls festzustellen (Bild 11). Diese Diagnosen prüfen die Intaktheit der Verbindung und des Takts, überwachen die Temperatur und die Versorgungsspannung und enthalten einen programmierbaren Alarm- und Interruptmechanismus. Die Zustandsparameter der Kamera werden fortlaufend überwacht, und ein konfigurierbarer Alarm warnt die ECU, sobald eine der Variablen die programmierten Grenzwerte über- oder unterschreitet. Die ECU muss somit nicht ständig den Kamerastatus abfragen.
Bis zu zwei Spannungen können auf zu hohe oder zu niedrige Werte überwacht werden. Externe Spannungen werden auf einen nominellen Wert herabdividiert, sodass selbst PoC-Spannungen, die größer sind als die Versorgungsspannung des Chips, kameraintern überwacht werden können. Mit Hilfe dieser Diagnosen lässt sich das Kameramodul kontinuierlich auf ordnungsgemäße Funktion überprüfen und vor einem Kameraausfall wird ein Systemalarm ausgelöst. Zusammen mit der Datenabsicherung verbessern die Diagnosefunktionen die Robustheit und Zuverlässigkeit der Kamera, was zur funktionalen Sicherheit des gesamten Systems beiträgt.

Mehr Sicherheit durch innovative SerDes-Bausteine

Fahrerassistenzsysteme und letztendlich auch das autonome Fahren bergen das Versprechen, die Zahl der Verletzten und Toten im Straßenverkehr zu verringern. Als eine Art Abbild des menschlichen Nervensystems erfassen diese Systeme die unterschiedlichsten Sen¬sor¬daten, die anschließend mit ausgefeilten Algorithmen verarbeitet werden. Die Fähigkeit, all diese Informationen effektiv zusammenzuführen, ist von entscheidender Bedeutung für ein robustes Systemverhalten und niedrige Kosten. Eine neue Generation innovativer SerDes-ICs wird helfen, dieses Konzept zu verwirklichen. Hierzu werden die verschiedenen hochauflösenden Sensoren zueinander synchronisiert, damit den elektronischen Steuergeräten latenzarme und gebündelte paketbasierte Daten für die effiziente Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt werden können.

 

Der Autor

 

Dave Lewis
ist bei Texas Instruments als Technical Marketing Manager für den Bereich FPD-Link ADAS SerDes tätig. Er hat mehrere Design-Leitfäden für schnelle Serializer/Deserializer verfasst und ist außerdem Redakteur des ursprünglichen LVDS Owner’s Manual.

 


  1. Sensordaten optimal verarbeiten
  2. Identifikation der Daten
  3. Design der nächsten Kamerageneration

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