USB 3.0 vs. MIPI CSI-2 dla wizji wbudowanej o wysokiej rozdzielczości: Głębokie zanurzenie techniczne

W dziedzinie systemów wbudowanej wizji o wysokiej rozdzielczości, wybór interfejsu może znacząco wpłynąć na wydajność, koszt i złożoność systemu. Dwa prominentne interfejsy w tej przestrzeni to USB 3.0 i MIPI CSI-2. Ten post na blogu zagłębia się w techniczne aspekty tych interfejsów, aby pomóc Ci podjąć świadomą decyzję w przypadku Twoich projektów wbudowanej wizji.

USB 3.0, также известный как SuperSpeed USB, был представлен для удовлетворения растущего спроса на высокоскоростную передачу данных. Он предлагает значительное увеличение пропускной способности по сравнению с предшественниками, с максимальной теоретической скоростью передачи 5 Гбит/с (гигабит в секунду). Эта высокая пропускная способность делает его подходящим для широкого спектра приложений, включая потоковую передачу видео высокого разрешения от камер к хост-системам в встроенных системах визуализации.

USB 3.0 wykorzystuje bardziej złożony projekt warstwy fizycznej w porównaniu do wcześniejszych wersji USB. Posiada dziewięć przewodów, z czego cztery są dedykowane do transferu danych (dwa do przesyłania i dwa do odbierania) w schemacie sygnalizacji różnicowej. Ta sygnalizacja różnicowa pomaga w redukcji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i pozwala na wyższe prędkości transferu danych na dłuższych długościach kabli. Standard ten wspiera również dłuższe długości kabli w porównaniu do niektórych innych interfejsów, zazwyczaj do 5 metrów bez potrzeby stosowania dodatkowych repeaterów lub wzmacniaczy.

Protokół USB 3.0 został zaprojektowany tak, aby był zgodny wstecz z urządzeniami USB 2.0 i USB 1.1. Używa systemu komunikacji opartego na pakietach, w którym dane są dzielone na pakiety do przesyłania. Protokół obejmuje różne typy pakietów, takie jak pakiety tokenowe, pakiety danych i pakiety handshake, aby zapewnić niezawodne przesyłanie danych. USB 3.0 obsługuje również różne typy transferu, w tym transfer zbiorczy, który jest powszechnie używany do przesyłania dużych ilości danych, takich jak strumienie wideo z kamer. Ten typ transferu pozwala na efektywne wykorzystanie dostępnej przepustowości.

Jedną z zalet USB 3.0 jest jego ulepszona zdolność zarządzania energią. Może dostarczać więcej energii do podłączonych urządzeń w porównaniu do USB 2.0, do 900 mA (miliamperów) w niektórych przypadkach. Ta funkcja jest korzystna dla kamer wbudowanych, które mogą wymagać dodatkowej mocy do obrazowania i przetwarzania w wysokiej rozdzielczości. Dodatkowo, USB 3.0 obsługuje stany zarządzania energią, takie jak Wstrzymanie i Wznawianie, co pomaga w redukcji zużycia energii, gdy urządzenie nie przesyła aktywnie danych.

MIPI CSI-2 (Interfejs procesora mobilnego przemysłuKameraInterfejs szeregowy 2) to standard interfejsu o wysokiej wydajności, zaprojektowany specjalnie dla aplikacji mobilnych i wbudowanych, szczególnie do komunikacji między kamerą a procesorem. Zyskał znaczną popularność na rynku wizji wbudowanej dzięki swojej zdolności do obsługi danych wideo o wysokiej rozdzielczości przy niskim zużyciu energii i wysokiej wydajności.

MIPI CSI-2 zazwyczaj wykorzystuje różnicowy schemat sygnalizacji podobny do USB 3.0, ale z bardziej zoptymalizowanym projektem do krótkodystansowego, wysokoszybkiego transferu danych. Zwykle składa się z zestawu torów danych (zwykle 1 do 4 torów) oraz toru kontrolnego. Każdy tor danych może obsługiwać wysokie prędkości danych, a najnowsze wersje MIPI CSI-2 są w stanie osiągnąć do 2,5 Gbps na tor. Skutkuje to całkowitą przepustowością do 10 Gbps przy użyciu czterech torów. Warstwa fizyczna MIPI CSI-2 została zaprojektowana tak, aby była kompaktowa i energooszczędna, co czyni ją idealną do systemów wbudowanych o ograniczonej przestrzeni i wrażliwych na moc.

Protokół MIPI CSI-2 jest wysoko zoptymalizowany do transferu danych wideo. Używa sformatowanych danych w pakietach, gdzie dane wideo są organizowane w pakiety dla efektywnej transmisji. Protokół zawiera funkcje takie jak korekcja błędów i kontrola przepływu, aby zapewnić niezawodne dostarczanie danych. MIPI CSI-2 obsługuje również różne tryby transferu danych, w tym tryb burst i tryb ciągły, które można dostosować do wymagań kamery i systemu gospodarza. Dodatkowo, protokół jest zaprojektowany do ścisłej współpracy z procesorami sygnałów obrazowych (ISP) w kamerze, co umożliwia efektywne przetwarzanie i transfer surowych lub przetworzonych danych obrazowych.

Zarządzanie energią jest kluczowym aspektem MIPI CSI-2. Zostało zaprojektowane do pracy przy niskim zużyciu energii, co jest istotne dla urządzeń wbudowanych zasilanych bateriami. Interfejs może przechodzić w stany niskiego zużycia energii, gdy nie jest używany, co zmniejsza całkowite zużycie energii. Osiąga się to dzięki funkcjom takim jak blokowanie zegara i tryby oszczędzania energii dla poszczególnych torów. Możliwości zarządzania energią MIPI CSI-2 czynią go atrakcyjnym wyborem dla aplikacji, w których czas pracy na baterii jest kluczowym czynnikiem, takich jak urządzenia noszone lub roboty mobilne.

Kiedy mowa o przepustowości, MIPI CSI-2 ma przewagę pod względem surowej teoretycznej pojemności. Z maksymalną przepustowością 10 Gbps (przy użyciu czterech torów) może obsługiwać dane wideo o ekstremalnie wysokiej rozdzielczości, takie jak 8K lub nawet wyższe rozdzielczości, z łatwością. USB 3.0, z drugiej strony, oferuje maksymalnie 5 Gbps. W praktycznych scenariuszach MIPI CSI-2 może zapewnić wyższą netową przepustowość obrazu dzięki niższym narzutom protokołu. Jednak USB 3.0 nadal dobrze sprawdza się w wielu aplikacjach o wysokiej rozdzielczości, szczególnie tych, które nie wymagają najwyższych poziomów rozdzielczości lub liczby klatek.

USB 3.0 wspiera dłuższe długości kabli, zazwyczaj do 5 metrów, co może być zaletą w aplikacjach, gdzie kamera i system hosta muszą być fizycznie oddzielone. W przeciwieństwie do tego, MIPI CSI-2 jest głównie zaprojektowany do połączeń na krótkie odległości, z długościami kabli zazwyczaj ograniczonymi do około 30 cm. Ta krótsza długość kabla wynika z wysokiej prędkości interfejsu i potrzeby minimalizacji degradacji sygnału. W aplikacjach, gdzie kamera i procesor są ściśle zintegrowane na jednej płycie lub w małym urządzeniu o małych wymiarach, wymaganie krótkiej długości kabla MIPI CSI-2 nie jest wadą.

MIPI CSI-2 jest znany z niskiego zużycia energii, co czyni go doskonałym wyborem dla systemów wbudowanych zasilanych bateriami lub wrażliwych na zużycie energii. Jego funkcje zarządzania energią, takie jak stany niskiego zużycia energii i efektywne wykorzystanie energii podczas transferu danych, przyczyniają się do tej przewagi. USB 3.0, mimo że ma ulepszone zarządzanie energią w porównaniu do wcześniejszych wersji, zazwyczaj zużywa więcej energii, szczególnie podczas pracy z wysokimi prędkościami transferu danych. Ta różnica w zużyciu energii może być decydującym czynnikiem w aplikacjach, gdzie czas pracy na baterii lub ogólna efektywność energetyczna jest kluczowym zagadnieniem.

Pod względem kosztów, USB 3.0 ma przewagę jako bardziej powszechnie przyjęty i ustandaryzowany interfejs. Istnieje duży ekosystem komponentów zgodnych z USB 3.0, w tym kamer, kontrolerów hosta i kabli, co może prowadzić do niższych kosztów. Dodatkowo, natura plug-and-play USB 3.0 upraszcza integrację systemu i redukuje czas oraz koszty rozwoju. MIPI CSI-2, z drugiej strony, może wymagać bardziej wyspecjalizowanych komponentów i sterowników, szczególnie w aplikacjach nieprzenośnych. Może to prowadzić do wyższych kosztów, szczególnie w przypadku produkcji w małej skali. Jednak w aplikacjach mobilnych i wbudowanych o dużej skali, koszty komponentów MIPI CSI-2 mogą być konkurencyjne.

USB 3.0 ma ogromny i dobrze ugruntowany ekosystem. Jest kompatybilny z szeroką gamą systemów operacyjnych, w tym Windows, Linux i macOS, a także z wieloma różnymi typami urządzeń hostujących. Ta szeroka kompatybilność ułatwia integrację kamer USB 3.0 z istniejącymi systemami. MIPI CSI-2, chociaż głównie skierowany na platformy mobilne i wbudowane, ma rosnący ekosystem, szczególnie w dziedzinach robotyki, automatyzacji przemysłowej i zastosowań motoryzacyjnych. Jednak jego kompatybilność może być bardziej ograniczona do konkretnych rodzin procesorów i systemów operacyjnych, które obsługują protokół MIPI.

Systemy inspekcji przemysłowej: W środowiskach przemysłowych, gdzie kamery muszą być umieszczane w różnych odległościach od systemu sterowania, dłuższa długość kabla USB 3.0 jest korzystna. Na przykład, w dużym zakładzie produkcyjnym, kamery mogą być używane do inspekcji produktów na taśmach transportowych w różnych punktach wzdłuż linii produkcyjnej, a interfejs USB 3.0 umożliwia łatwe połączenie z centralnym systemem sterowania.

Systemy wizji oparte na komputerach stacjonarnych: Podczas integrowania kamery o wysokiej rozdzielczości z komputerem stacjonarnym do zastosowań takich jak rozwój wizji maszynowej lub monitoring wideo, USB 3.0 zapewnia wygodny i szeroko wspierany interfejs. Duża liczba dostępnych portów USB w komputerach stacjonarnych umożliwia również łatwe rozszerzenie i podłączenie wielu kamer, jeśli zajdzie taka potrzeba.

Mobile Robotics: W robotach mobilnych, zużycie energii i przestrzeń są kluczowymi czynnikami. Kamery MIPI CSI-2 mogą być zintegrowane w małych, zasilanych bateriami robotach, aby zapewnić możliwości wizji do zadań takich jak nawigacja, wykrywanie obiektów i mapowanie. Niskie zużycie energii MIPI CSI-2 pomaga wydłużyć czas pracy baterii robota, podczas gdy jego kompaktowy kształt umożliwia łatwą integrację w projekt robota.​

Urządzenia wizji noszonej: Dla urządzeń noszonych, takich jak inteligentne okulary lub kamery ciała, MIPI CSI-2 jest idealnym wyborem. Urządzenia te wymagają kamery o wysokiej rozdzielczości do zastosowań takich jak rozszerzona rzeczywistość, pomoc wizualna lub monitorowanie bezpieczeństwa. Niskie zużycie energii i mały rozmiar MIPI CSI-2 sprawiają, że nadaje się do integracji w tych kompaktowych i wrażliwych na energię urządzeniach noszonych.

Zarówno USB 3.0, jak i MIPI CSI-2 oferują unikalne zalety dla aplikacji wbudowanej wizji o wysokiej rozdzielczości. USB 3.0 zapewnia równowagę wysokiej przepustowości, wsparcia dla długich kabli, szerokiej kompatybilności i stosunkowo niskich kosztów, co czyni go odpowiednim dla szerokiego zakresu aplikacji. MIPI CSI-2 z kolei wyróżnia się w obszarach takich jak wysoka przepustowość dla ekstremalnie wysokiej rozdzielczości wideo, niskie zużycie energii i kompaktowy format, co czyni go preferowanym wyborem dla aplikacji wrażliwych na moc i ograniczone przestrzennie. Wybierając między tymi dwoma interfejsami dla swojego projektu wbudowanej wizji, istotne jest uwzględnienie takich czynników jak wymagania dotyczące przepustowości, potrzeby długości kabli, ograniczenia zużycia energii, koszty i kompatybilność z istniejącym systemem. Dokładnie oceniając te czynniki, możesz wybrać interfejs, który najlepiej spełnia potrzeby twojej konkretnej aplikacji i zapewnia optymalną wydajność oraz efektywność w twoim systemie wbudowanej wizji o wysokiej rozdzielczości.