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LVDS - Eliminare il ricorso alla comunicazione LIN o CAN nei sistemi video automotive

LVDS - Eliminare il ricorso alla comunicazione LIN o CAN nei sistemi video automotive

Le comunicazioni LIN o CAN hanno rappresentato standard meccanici nei sistemi di comunicazione per un po’ di tempo. La loro flessibilità, versatilità e robustezza rendono ovvia la scelta e spesso i progettisti li scelgono come default.

LVDS in Automotive

Tuttavia, uno degli obiettivi primari di ogni sistema commerciale è quello di essere efficace in termini di costi, quindi una soluzione che permetterebbe l'utilizzo delle attuali interfacce fisiche per fini di comunicazione alternative sarebbe uno strumento ottimale per ridurre il costo delle attrezzature e abbassare ulteriormente il peso del carico del veicolo (uno dei più importanti contributi al peso di un veicolo). Questo documento introduce una soluzione hardware per eliminare completamente tutti gli strati dei comuni metodi di comunicazione (CAN e LIN) nei sistemi video automobilistici.

L'emergente domanda di sistemi automobilistici di videocamere ha recentemente creato nuove tensioni nelle società che progettano tali dispositivi. La loro complessità è cresciuta costantemente nel corso degli anni e le schede tecniche sono più dettagliate e più restrittive per quanto riguarda le tecnologie utilizzate. L'esigenza primaria di tali sistemi è nei veicoli personali di high-end e nei pullman. Tuttavia le ragioni che stanno dietro ogni domanda potrebbero essere diverse.

Nei veicoli personali, il ruolo di un tale sistema consistere nel parcheggio assistito o nell’aumentare la visibilità in un incrocio a T (e quindi aiutare il conducente), mentre per i pullman, il sistema può essere usato per consentire ai passeggeri di controllare la cargo bay durante le fermate o presentare loro una vista più estesa di ciò che si trova davanti o dietro il veicolo (e quindi sicurezza e divertimento).

 

Fig.1. Migliorare il Campo visivo del veicolo utilizzando un sistema di telecamere

Architetture esistenti
Nel corso degli ultimi sviluppi di tali sistemi di videocamere, gli ingegneri si sono avvicinati a diversi approcci. La maggior parte di loro ha una configurazione a stella, ma ciò che è comune a tutti è la necessità di avere una comunicazione bidirezionale tra ogni videocamera nel sistema e l’unità di controllo elettrica (ECU) centrale , che si occupa di elaborare immagini digitali o l'unità centrale di elaborazione della macchina (vedi fig. 2)

 

Fig. 2. Architettura tipica di un sistema video automobilistico

Attraverso questo canale di comunicazione bidirezionale, l'ECU è in grado di controllare la modalità della videocamera (attivo / sleep), può configurare diversi parametri di videocamere, essere in grado di rileggere. Può anche essere utilizzata come un metodo diagnostico di elevato livello in caso di necessità (e nella maggior parte dei casi lo è!).

In sostanza, in tale configurazione, è il compito delle telecamere solo catturare le immagini e inviarle nuovamente alla ECU della telecamera. Qui il video viene modificato ad un livello molto basso. Le correzioni sono effettuate al fine di compensare la distorsione della lente, vengono aggiunte sovrapposizioni per aiutare il conducente in ciò che desidera farlo. Anche i messaggi di testo possono essere combinati con l'immagine catturata da una delle videocamere, consentendo al sistema di presentare notifiche o altri importanti avvertimenti al conducente.

Una volta che l'ECU seleziona la visualizzazione desiderata, modifica i dati dell'immagine e li passa all’Unità di visualizzazione. Uno degli aspetti importanti di tali sistemi è il modo in cui i dati video vengono trasmessi. Normalmente, a causa della qualità più elevata, si preferirebbe un approccio digitale (Fig. 4). Molti scelgono questa soluzione per il fatto che la maggior parte dei sensori di immagine utilizzati nelle videocamere sono digitali. I bit del clock integrato SerDes sono particolarmente adatti ad applicazioni che trasmettono dati grezzi più altri segnali, come il controllo, la parità, il telaio, la sincronizzazione, lo stato, ecc

Tuttavia, a causa della particolare natura dell’applicazione, in qualità di sistema automobilistico, uno dei più rigorosi requisiti è avere un numero minimo di cavi (passando dalla fotocamera all'ECU o dall’ECU all’Unità del display) . Questo fatto esclude la possibilità di un bus digitale, che richiederebbe almeno 8 linee dati in aggiunta alle varie linee di controllo. A seconda del formato video, oltre ai dati del video, vi sono quattro segnali di controllo:

    HREF blanking orizzontale
    VREF sincronizzazione verticale
    VACTIVE video attivo
    PIXCLK 2 x clock campione

Le altre opzioni sono una trasmissione video analogica (NTSC in genere) o linee ad alta velocità LVDS - Low-voltage differential signaling

 

Fig. 3. Connessione digitale diretta: i cavi tra fotocamera e l’ECU sarebbero in totale più di 10!

 

Fig. 4. Soluzione utile: solo tre cavi tra telecamera e ECU!

Va al di là dello scopo del presente articolo fornire una panoramica degli standard NTSC o LVDS (Low-voltage differential signaling). Quello che voglio sottolineare è il fatto che è possibile costruire architetture con un numero minimo di connessioni tra la videocamera e il suo controllore, anche con le tecnologie esistenti.
La LIN (Local Interconnect Network) è un concetto per reti automobilistiche a basso costo, che integra l'attuale portafoglio di reti multiplex per autoveicoli [4].

Tuttavia, anche se a basso costo, ciò che si può facilmente notare è che il numero di connessioni fisiche LIN aumenta proporzionalmente con il numero di videocamere. E questo aggiunge ai costi, complessità e peso del carico del veicolo, per non parlare della necessità di avere una sorta di ricetrasmittente LIN sia sulla videocamera sia sull’ECU. Un altro grave inconveniente nell’utilizzare il tipo di connessione LIN in questo particolare tipo di sistemi è la necessità di portare la tensione della batteria per le videocamere, che potrebbe altrimenti essere fornito da una tensione molto più bassa (5V o 3.3V).

Tenendo conto del fatto che il numero di connessioni possono già essere ridotte a 3 (o 5, se contiamo la Power line e la Power Ground), possiamo concludere che, eliminando il bisogno di una particolare linea di fatto diminuirebbe l'imbracatura e il numero di connessioni da un significativo 20% (caso peggiore), che è un buon numero per un’industria competitiva.

Una nuova generazione di circuiti integrati, che deve essere fornita da diversi produttori (Maxim, National Semiconductors), rende ora possibile studiare la fattibilità di non utilizzare il vecchio metodo di comunicazione LIN, ma usare le linee LVDS (Low-voltage differential signaling) per un trasferimento bidirezionale dei dati. I dati video saranno trasmessi dalla videocamera all’ECU. I dati di configurazione e i comandi possono essere trasmessi dall’ECU alla videocamera, utilizzando vari protocolli e metodi. Questo è noto come comunicazione backchannel.

LVDS (Low-voltage differential signaling) Connection

La connessione LVDS - Low-voltage differential signaling
La connessione LVDS è una conseguenza della necessità di disporre di un numero ridotto di collegamenti per la trasmissione di video digitale tra due dispositivi. La natura differenziale dell'LVDS (Low-voltage differential signaling) ha molti vantaggi. Il principale di questi vantaggi è la possibilità di respingere il rumore comune [5]. In quanto tale, esiste una vasta gamma di componenti sul mercato che consentono la conversione di dati video digitali (grandi bus) a dati LVDS (due linee differenziale, ma con frequenze più elevate – superiore al 1GHz). Tali componenti di solito sono a coppie (per convertire i dati di LVDS (Low-voltage differential signaling) in standard video digitali convenzionali) e sono noti come serializzatori e deserializzatori.

Architettura tipica di una connessione LVDS

 

Fig. 5. Architettura tipica di una connessione LVDS; usata anche nell’industria automobilistica.

Fondamentalmente, ogni grande costruttore di circuiti integrati fornisce il proprio paio di tali componenti con parametri, prestazioni e, naturalmente, inconvenienti vari.

La particolare alta frequenza della comunicazione pone reali problemi per quanto riguarda la schermatura EMC e distanze più grandi di 1-2 metri. Tuttavia, questi problemi vengono tutti risolti con metodi standard attuali. Quello che si può notare dalla figura sopra è che in una costruzione LVDS (Low-voltage differential signaling) standard, le linee dei dati consentono soltanto la comunicazione in una direzione: dal serializzatore al deserializzatore. Nel normale segnale LVDS tutto viene codificato: i dati video, il pixel clock e gli impulsi della sincronizzazione orizzontale e verticale. Ci sono possibilità tuttavia, che l'informazione possa essere trasmessa anche al contrario, dal deserializzatore al serializzatore, a condizione che ciascuno di essi disponga di adeguati meccanismi di hardware. Un esempio di un paio di circuiti integrati è il MAX9257 (serializzatore) e MAX9258 (deserializzatore), che sarà consegnato al più presto dal mercato Maxim.

Serializzatore/deserializzatore completamente programmabile con il canale di controllo UART/I2C
La coppia di serializzatore/deserializzatore MAX9257/MAX9258, con il canale di controllo integrato, forma un modulo di collegamento video digitale completo su un’unica linea differenziale o su un filo intrecciato a coppie. Il serializzatore/deserializzatore MAX9257/MAX9258 converte fino a 18 bit di dati in parallelo ad un flusso di dati seriali ad alta velocità.
Tra le seguenti caratteristiche possiamo contare su:

    • Nessun clock di riferimento richiesto al deserializzatore
    • Canale di controllo integrato UART/I2C
    • Rate di dati seriali programmabile
    • Spretto di diffusione programmabile
    • test automatico di loopback PRBS
    • Accensione in remoto

Consentono un’interfaccia UART o un’I2C che fornisce una flessibilità sufficiente nei confronti delle architettura potenziale della videocamera. Utilizzando tale approccio, l'architettura generale del sistema presentato nella prima immagine di questo articolo può essere molto semplificato, ottenendo una più robusta configurazione (fig. 6).

 

Fig. 6. Miglioramenti in un sistema automobilistico video

Bibliografia
- http://www.maxim-ic.com.cn/pdfserv/en/da/MAX9257_MAX9258-AD.pdf
- Dave Lewis, “SerDes Architectures and Applications”, Design Conference 2004, pp. 7 (http://www.national.com/appinfo/lvds/files/designcon2004_serdes.pdf)
- Keith Jack, “Video Demystified”, Fifth Edition, 2007, pp. 154
- LIN Specification Package, Revision 2, Chapter 2, pp. 3
- NI Developer Zone, “Understanding LVDS for Digital Test Systems”, Chapter “Benefits and Advantages of LVDS” (http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/4441#toc2)

 

 

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ritratto di SuperG72

Interessante...

...è un tipo di connesisone già implementata o per adesso si tratta solo di studi?

ritratto di Alex87ai

Sicuramente si parla di VLDS

Sicuramente si parla di VLDS già da un pò di anni, come bus di comunicazione a basso rumore (o ad alta capacità di reiezione dei disturbi di interferenti di modo comune) e ad alto bitrate, ma non so se le attuali applicazioni di visione utilizzate per le autovetture siano effettivamente poggiate sul tipo di architettura presentato nell'articolo. Di certo, da quanto si può evincere anche cercando su internet, è un argomento di ricerca attuale e che ha raggiunto risultati tali da poter considerare questa nuova architettura di comunicazione uno standard da affiancare a LIN e CAN

ritratto di mingoweb

Ne ho sentito parlare già

Ne ho sentito parlare già da tempo... Credo che tra qualche anno si vedranno già in commercio!!!!

ritratto di Alex87ai

Sicuramente non appena

Sicuramente non appena verrà dichiarato come bus standard di comunicazione in ambito automotive, le casi produttrici di microcontrollori si prodigheranno ad implementare LVDS sui loro prodotti semplificando notevolmente la realizzazione di dispositivi di interfaccia e di espansione alla già presente elettronica dell'automobile. Un pò quello che è già successo per i bus CAN e LIN!

 

 

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