USB 3.0 vs. MIPI CSI-2 für hochauflösende eingebettete Vision: Eine technische Vertiefung

Im Bereich der hochauflösenden eingebetteten Vision-Systeme kann die Wahl der Schnittstelle die Leistung, die Kosten und die Systemkomplexität erheblich beeinflussen. Zwei prominente Schnittstellen in diesem Bereich sind USB 3.0 und MIPI CSI-2. Dieser Blogbeitrag geht ausführlich auf die technischen Aspekte dieser Schnittstellen ein, um Ihnen zu helfen, eine informierte Entscheidung für Ihre eingebetteten Vision-Projekte zu treffen.

USB 3.0, auch bekannt als SuperSpeed USB, wurde eingeführt, um der wachsenden Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung gerecht zu werden. Es bietet einen erheblichen Anstieg der Bandbreite im Vergleich zu seinen Vorgängern, mit einer maximalen theoretischen Übertragungsrate von 5 Gbps (Gigabit pro Sekunde). Diese hohe Bandbreite macht es geeignet für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich hochauflösendem Video-Streaming von Kameras zu Hosts in eingebetteten Vision-Setups.

USB 3.0 verwendet im Vergleich zu früheren USB-Versionen ein komplexeres physikalisches Schichtdesign. Es verfügt über neun Drähte, von denen vier für die Datenübertragung (zwei zum Senden und zwei zum Empfangen) in einem differentiellen Signalierungsschema vorgesehen sind. Diese differentielle Signalierung hilft, elektromagnetische Störungen (EMI) zu reduzieren und ermöglicht höhere Datenraten über längere Kabelstrecken. Der Standard unterstützt auch längere Kabelstrecken im Vergleich zu einigen anderen Schnittstellen, typischerweise bis zu 5 Meter, ohne dass zusätzliche Repeater oder Verstärker erforderlich sind.

Das USB 3.0-Protokoll ist so konzipiert, dass es abwärtskompatibel mit USB 2.0- und USB 1.1-Geräten ist. Es verwendet ein paketbasiertes Kommunikationssystem, bei dem Daten in Pakete für die Übertragung unterteilt werden. Das Protokoll umfasst verschiedene Arten von Paketen, wie z. B. Token-Pakete, Datenpakete und Handshake-Pakete, um eine zuverlässige Datenübertragung zu gewährleisten. USB 3.0 unterstützt auch verschiedene Übertragungsarten, einschließlich Bulk-Transfer, das häufig für die Übertragung von großen Datenmengen wie Video-Streams von Kameras verwendet wird. Diese Übertragungsart ermöglicht eine effiziente Nutzung der verfügbaren Bandbreite.

Einer der Vorteile von USB 3.0 sind die verbesserten Energieverwaltungsfunktionen. Es kann im Vergleich zu USB 2.0 mehr Strom an angeschlossene Geräte liefern, in einigen Fällen bis zu 900 mA (Milliampere). Diese Funktion ist vorteilhaft für eingebettete Vision-Kameras, die möglicherweise zusätzliche Energie für hochauflösende Bildgebung und Verarbeitung benötigen. Darüber hinaus unterstützt USB 3.0 Energiemanagementzustände wie Suspend und Resume, die helfen, den Stromverbrauch zu reduzieren, wenn das Gerät keine Daten überträgt.

MIPI CSI-2 (Mobile Industry Processor InterfaceKameraSerielle Schnittstelle 2) ist ein Hochleistungs-Schnittstellenstandard, der speziell für mobile und eingebettete Anwendungen entwickelt wurde, insbesondere für die Kommunikation zwischen Kamera und Prozessor. Sie hat aufgrund ihrer Fähigkeit, hochauflösende Videodaten mit geringem Stromverbrauch und hoher Effizienz zu verarbeiten, erheblich an Beliebtheit im Markt für eingebettete Vision gewonnen.

MIPI CSI-2 verwendet typischerweise ein differentielles Signalierungsschema, das dem von USB 3.0 ähnlich ist, jedoch mit einem optimierteren Design für die Datenübertragung über kurze Strecken und mit hoher Geschwindigkeit. Es besteht normalerweise aus einer Reihe von Datenleitungen (in der Regel 1 bis 4 Leitungen) und einer Steuerleitung. Jede Datenleitung kann hohe Datenraten unterstützen, wobei die neuesten Versionen von MIPI CSI-2 in der Lage sind, bis zu 2,5 Gbps pro Leitung zu erreichen. Dies führt zu einer Gesamtbandbreite von bis zu 10 Gbps bei Verwendung von vier Leitungen. Die physikalische Schicht von MIPI CSI-2 ist so konzipiert, dass sie kompakt und energieeffizient ist, was sie ideal für platzbeschränkte und energieempfindliche eingebettete Systeme macht.

Das MIPI CSI-2-Protokoll ist hochoptimiert für die Übertragung von Videodaten. Es verwendet ein paketiertes Datenformat, bei dem Videodaten in Pakete organisiert sind, um eine effiziente Übertragung zu gewährleisten. Das Protokoll umfasst Funktionen wie Fehlerkorrektur und Flusskontrolle, um eine zuverlässige Datenübertragung sicherzustellen. MIPI CSI-2 unterstützt auch verschiedene Datenübertragungsmodi, einschließlich Burst-Modus und kontinuierlichem Modus, die je nach den Anforderungen der Kamera und des Host-Systems angepasst werden können. Darüber hinaus ist das Protokoll so konzipiert, dass es eng mit Bildsignalprozessoren (ISPs) in der Kamera zusammenarbeitet, um eine effiziente Verarbeitung und Übertragung von Roh- oder verarbeiteten Bilddaten zu ermöglichen.

Die Energieverwaltung ist ein Schlüsselbereich von MIPI CSI-2. Es ist so konzipiert, dass es mit einem niedrigen Stromverbrauch arbeitet, was für batteriebetriebene eingebettete Geräte entscheidend ist. Die Schnittstelle kann in den Energiesparmodus wechseln, wenn sie nicht verwendet wird, wodurch der Gesamtstromverbrauch gesenkt wird. Dies wird durch Funktionen wie Taktgating und Energiesparmodi für einzelne Kanäle erreicht. Die Energieverwaltungsfunktionen von MIPI CSI-2 machen es zu einer attraktiven Wahl für Anwendungen, bei denen die Batterielebensdauer ein kritischer Faktor ist, wie zum Beispiel bei tragbaren Geräten oder mobilen Robotern.

Wenn es um Bandbreite geht, hat MIPI CSI-2 in Bezug auf die rohe theoretische Kapazität die Oberhand. Mit einer maximalen Bandbreite von 10 Gbps (unter Verwendung von vier Lanes) kann es extrem hochauflösende Videodaten, wie 8K oder sogar höhere Auflösungen, problemlos verarbeiten. USB 3.0 hingegen bietet maximal 5 Gbps. In praktischen Szenarien kann MIPI CSI-2 aufgrund seines geringeren Protokolloverheads eine höhere Nettobildbandbreite bereitstellen. USB 3.0 schneidet jedoch immer noch gut bei vielen hochauflösenden Anwendungen ab, insbesondere bei solchen, die nicht die höchsten Auflösungs- oder Bildwiederholraten erfordern.

USB 3.0 unterstützt längere Kabel, typischerweise bis zu 5 Metern, was in Anwendungen von Vorteil sein kann, in denen die Kamera und das Host-System physisch getrennt werden müssen. Im Gegensatz dazu ist MIPI CSI-2 hauptsächlich für Kurzstreckenverbindungen ausgelegt, wobei die Kabellängen normalerweise auf etwa 30 cm begrenzt sind. Diese kürzere Kabellänge ist auf die Hochgeschwindigkeitseigenschaften der Schnittstelle und die Notwendigkeit zurückzuführen, Signalverschlechterungen zu minimieren. Für Anwendungen, bei denen die Kamera und der Prozessor eng auf einer einzigen Platine oder in einem kompakten Gerät integriert sind, ist die Anforderung an die kurze Kabellänge von MIPI CSI-2 kein Nachteil.

MIPI CSI-2 ist bekannt für seinen niedrigen Stromverbrauch, was es zu einer ausgezeichneten Wahl für batteriebetriebene oder stromempfindliche eingebettete Systeme macht. Seine Energiemanagementfunktionen, wie z. B. Niedrigstromzustände und effiziente Energieverwendung während der Datenübertragung, tragen zu diesem Vorteil bei. USB 3.0 verbraucht zwar im Vergleich zu früheren Versionen weniger Energie, benötigt jedoch im Allgemeinen mehr Strom, insbesondere bei hohen Datenraten. Dieser Unterschied im Stromverbrauch kann ein entscheidender Faktor in Anwendungen sein, bei denen die Akkulaufzeit oder die Gesamteffizienz der Energieversorgung eine kritische Überlegung darstellt.

In Bezug auf die Kosten hat USB 3.0 den Vorteil, eine weit verbreitete und standardisierte Schnittstelle zu sein. Es gibt ein großes Ökosystem von USB 3.0-kompatiblen Komponenten, einschließlich Kameras, Host-Controllern und Kabeln, was zu niedrigeren Kosten führen kann. Darüber hinaus vereinfacht die Plug-and-Play-Natur von USB 3.0 die Systemintegration und reduziert Entwicklungszeit und -kosten. MIPI CSI-2 hingegen kann spezialisiertere Komponenten und Treiber erfordern, insbesondere in nicht-mobilen Anwendungen. Dies kann zu höheren Kosten führen, insbesondere bei der Kleinserienproduktion. In Hochvolumen-Anwendungen für mobile und eingebettete Systeme kann der Preis von MIPI CSI-2-Komponenten jedoch wettbewerbsfähig sein.

USB 3.0 hat ein umfangreiches und gut etabliertes Ökosystem. Es ist mit einer Vielzahl von Betriebssystemen kompatibel, einschließlich Windows, Linux und macOS, sowie mit vielen verschiedenen Arten von Host-Geräten. Diese breite Kompatibilität erleichtert die Integration von USB 3.0-Kameras in bestehende Systeme. MIPI CSI-2, das hauptsächlich auf mobile und eingebettete Plattformen abzielt, hat ein wachsendes Ökosystem, insbesondere in den Bereichen Robotik, industrielle Automatisierung und Automobilanwendungen. Allerdings kann seine Kompatibilität auf bestimmte Prozessorfamilien und Betriebssysteme, die das MIPI-Protokoll unterstützen, eingeschränkt sein.

Industrielle Inspektionssysteme: In industriellen Umgebungen, in denen Kameras in verschiedenen Abständen vom Steuerungssystem platziert werden müssen, ist die längere Kabelunterstützung von USB 3.0 vorteilhaft. Zum Beispiel können in einem großen Fertigungswerk Kameras verwendet werden, um Produkte an Förderbändern an verschiedenen Punkten entlang der Produktionslinie zu inspizieren, und die USB 3.0-Schnittstelle ermöglicht eine einfache Verbindung zum zentralen Steuerungssystem.

Desktop-basierte Vision Systeme: Bei der Integration einer hochauflösenden Kamera in einen Desktop-Computer für Anwendungen wie die Entwicklung von Maschinenvision oder Videoüberwachung bietet USB 3.0 eine bequeme und weit verbreitete Schnittstelle. Die große Anzahl verfügbarer USB-Ports an Desktop-Computern ermöglicht auch eine einfache Erweiterung und Verbindung mehrerer Kameras, falls erforderlich.

Mobile Robotics: In mobilen Robotern sind Energieverbrauch und Platz kritische Faktoren. MIPI CSI-2 Kameras können in kleine, batteriebetriebene Roboter integriert werden, um Vision-Fähigkeiten für Aufgaben wie Navigation, Objekterkennung und Kartierung bereitzustellen. Der niedrige Energieverbrauch von MIPI CSI-2 hilft, die Batterielebensdauer des Roboters zu verlängern, während seine kompakte Bauform eine einfache Integration in das Design des Roboters ermöglicht.​

Tragbare Vision Geräte: Für tragbare Geräte wie Smart Glasses oder Body-Cams ist MIPI CSI-2 eine ideale Wahl. Diese Geräte benötigen eine hochauflösende Kamera für Anwendungen wie Augmented Reality, visuelle Unterstützung oder Sicherheitsüberwachung. Der geringe Stromverbrauch und die kompakte Größe von MIPI CSI-2 machen es geeignet für die Integration in diese kompakten und stromsensiblen tragbaren Geräte.

Sowohl USB 3.0 als auch MIPI CSI-2 bieten einzigartige Vorteile für hochauflösende eingebettete Vision-Anwendungen. USB 3.0 bietet ein Gleichgewicht aus hoher Bandbreite, Unterstützung langer Kabel, breiter Kompatibilität und relativ niedrigen Kosten, was es für eine breite Palette von Anwendungen geeignet macht. MIPI CSI-2 hingegen glänzt in Bereichen wie hoher Bandbreite für extrem hochauflösendes Video, niedrigem Stromverbrauch und kompaktem Formfaktor, was es zur bevorzugten Wahl für stromempfindliche und platzbeschränkte Anwendungen macht. Bei der Auswahl zwischen diesen beiden Schnittstellen für Ihr Projekt zur eingebetteten Vision ist es wichtig, Faktoren wie Bandbreitenanforderungen, Kabelbedarfs, Einschränkungen des Stromverbrauchs, Kosten und Kompatibilität mit Ihrem bestehenden System zu berücksichtigen. Durch sorgfältige Bewertung dieser Faktoren können Sie die Schnittstelle auswählen, die am besten den Anforderungen Ihrer spezifischen Anwendung entspricht und optimale Leistung und Effizienz in Ihrem hochauflösenden eingebetteten Vision-System gewährleistet.