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MIPI规范在汽车中的应用

发布日期:2017-05-15

MIPI规范在汽车中的应用

  • 2017年5月12日


  • Ashraf Takla, Thomas Wilson, Christian Tuschen

每个人都记得他们的第一辆车,自从你拥有了它后,就可以想去哪儿就去哪儿,走的速度更快,距离更远。是的,我们的汽车使我们具有了移动性,但今天的汽车自己正在成为移动设备。MIPI规范提供了数量不断增长的任务关键系统、信息系统和娱乐系统之间的连通性,从而将汽车转变为一台移动设备。本文将主要讲述汽车的这种转变,以及MIPI联盟及其成员公司是如何帮助实现这种转变的。

每个人都记得他们的第一辆车,自从你拥有了它后,就可以想去哪儿就去哪儿,走的速度更快,距离更远。是的,我们的汽车使我们具有了移动性,但今天的汽车自己正在成为移动设备。

现在汽车不仅仅是一种交通工具,它正在演变为一种成熟的移动设备,它可以连接到互联网、交通网,并相互连接。MIPI规范在这种转变中扮演着重要的角色,就像它们在智能手机的接口中扮演的重要角色一样。

MIPI联盟成立的宗旨是让移动手机等设备中的系统之间的连接变得更加容易和更加经济。该组织定义的接口规范对照相机、显示器和无线模块的接口进行了标准化,使得高速处理器、低速传感器和其它芯片到芯片之间的数据传输有了标准。

移动设备通常体积很小,深藏在设备内的元件都以非常紧凑的耦合方式连接在一起。汽车转变为联网设备也是从里到外实现的,因此非常适合利用MIPI联盟内部已经完成的工作。

智能手机系统接口的供应商可以将这些开发成果应用于汽车行业。供应商(利用MIPI规范)创建高效的电源和性能接口的能力为汽车供应链中的公司提供了和向移动手机制造商及其供应商提供类似接口的相同优势。汽车系统正在通过有线和无线的方式连接在一起。

这种连接正在成为汽车的“中央神经系统”。MIPI规范提供了数量不断增长的任务关键系统、信息系统和娱乐系统之间的连通性,从而将汽车转变为一台移动设备。下面让我们来仔细看看这种转变,以及MIPI联盟及其成员公司是如何帮助实现这种转变的。

汽车内部和汽车之间的连接

有许多宏趋势定义了MIPI规范适用的“使用模型”。这些趋势包括了以下内容的初始部署和更深集成: 
远程通信和车载信息娱乐系统(IVI)
先进驾驶辅助系统(ADAS)
智能交通系统(ITS)
自动驾驶系统(ADS)

远程通信要求将全球定位系统(GPS)与包括触摸和音响功能的导航显示器连接在一起。驾驶辅助要求摄像头、雷达、激光雷达、图像处理和计算机视觉系统与音响和显示器连接在一起实现直接反馈。

智能交通系统要求无线方式实现汽车到基础设施(V2I)、汽车到汽车(V2V)和汽车到一切事物(V2X)的连接,并桥接到射频(RF)功能以支持众多不同的无线(IEEE 802.11p, ac, ah, 蓝牙)和蜂窝(LTE, GSM)标准。随着自动驾驶的逐步实现,所有这些系统及它们的互连都将变得更加重要。

有趣的是,这些连接性要求与在最普及的移动平台——智能手机中看到的几乎一模一样。在智能手机中,摄像头和显示器、音响、麦克风、陀螺仪、磁光部件以及要求触摸或语音激活输入的应用之间有着类似的交互。为智能手机高效定义了这些接口的MIPI规范同样适用于为支持汽车中的这些系统而开发的接口。今天这些规范正在得到部署。

下面让我们深入了解一下ADAS,以及如何应用MIPI规范。驾驶辅助系统开发用于自动化、适应和增强汽车的安全系统,帮助司机更好地开车。图1显示了ADAS类型监视的“视场”图。这些系统在汽车四周组成了一种传感器“盾”,可以向司机提供警示,或触发安保措施接管对汽车的控制,进而避免发生危险的情况。

NXP17051201图1:汽车的传感器盾。(图片来源:恩智浦)

如图1所示,使用各种检测技术的传感器系统越来越多。其中一些系统并不传输大量的数据;它们是传感器检测和告警类型的系统,只传送很少量的数据。

然而,为了高效地实现数据传送,其它系统正在捕获大量的数据。举例来说,用于车道检测或交通信号识别的相机辅助系统会产生密集的数据流,这些数据流都需要从摄像头发送到处理器进行分析,并发送到显示器用于显示。

在类似这些系统中,MIPI摄像头串行接口(CSI)提供了一种将数据从相机传送到处理器的协议框架。实际的传输是利用另一个MIPI规范,即MIPI D-PHY完成的,这是一种物理层收发器规范。使用MIPI D-PHY意味着这种接口将工作在**的功耗,并以最小的成本加以部署。MIPI联盟开发的规范具有灵活的架构化定义,并认为目标化的实现对于实现物理引脚和传送速率的**组合是有必要的。

图2是目标化实现的一个例子,是摄像头到处理器连接的一种简化图。摄像头子组件含有摄像头传感器、用于图像捕获的支持电路以及使用D-PHY Tx宏组织图像数据进行传送的支持电路。

摄像头图像经过串行化处理后发送给包含数据接收支持电路——D-PHY Rx宏的图像信号处理子组件。Tx侧和Rx侧之间的物理连接是用MIPI接口实现的。恩智浦使用MIPI CSI-2规范和Mixel公司提供的D-PHY硬宏设计了这样的系统。

NXP17051202图2:摄像头到处理器的连接。

恩智浦S32V234中采用的Mixel MIPI D-PHY

使用MIPI接口实现的恩智浦设计被称为S32V234,如图3所示。S32V是针对视觉、传感器融合和周围观察应用的ADAS解决方案。它整合了一个四核ARM Cortex-A53处理器、恩智浦的APEX图像识别器、Vivante GC3000处理单元和先进的内存总线系统架构。

这个系统设计用于连接各种图像传感器,比如索尼的IMX224。这种传感器具有MIPI CSI-2接口,可以将传感器链接到诸如SV32这样的系统级芯片。这些MIPI CSI-2接口具有1.5Gbps/通道的**输出数据速率,以及可选1通道、2通道或4通道(车道)的多个输出通道。

NXP17051203图3:S32V234 ADAS处理器框图。

这种系统的一个关键部分是以低延时或零延时的方式将原始图像数据传送到SV32内置图像信号处理器(ISP)。原始数据通过先进的高性能SRAM系统得到高效的处理,这种系统与传统的DDR内存管理相得益彰,可实现实时的图像处理。

把原始数据从摄像头传送到S32V是通过MIPI CSI-2、D-PHY接口完成的,并由Rx D-PHY硬宏接收。这些数据经过串行化后以很高的速度传输,支持无闪烁噪声的处理结果。

Mixel公司为上述恩智浦的设计提供D-PHY IP Rx+硬宏。这种硬宏被优化为接收侧的定制实现,可高效地对接系统级芯片S32V中的CSI-2接口。值得注意的是,MIPI D-PHY规范定义了具有对称Tx和Rx功能的通用型D-PHY。

在Mixel公司的实现中,接收侧被定为目标,通道经过优化后与从相机到S32V的主要传送方向保持一致。图4显示了Mixel D-PHY Rx+的框图。Rx+中的一个关键特性是面积经过优化的Tx侧。增加最少侵入程度的Tx可以增加对环回的支持,并方便后硅片生产测试中要求的设置。作为这种特殊实现的结果,不仅达到了性能和功耗指标,而且可以实现硅片的可测性。

NXP17051204图4:Mixel公司的Rx+ D-PHY硬宏。

Mixel的D-PHY Rx+不仅遵循MIPI D-PHY规范,而且增加了这种重要的定制选项。注意,MIPI联盟定义的规范允许在实现过程中加以优化。这样,客户和供应商可以在引脚受限的约束条件和系统的数据速率传送要求下工作,并针对功耗、效率和该例中的可测性进行优化。

安全性和可靠性

当然,工作可靠性和鲁棒性对汽车中所用部件来说是基本要求。因为ADAS功能是任务关键型功能,能够使我们的驾驶变得更加安全,因此安全标准很重要。但即使是非关键性系统也必须在宽范围、并且通常是严苛的环境条件下可靠地工作。

汽车行业的供应商以及这些供应商的供应商都必须满足各种相关标准,比如针对IC建立的通用电气元件认证要求AEC-Q100,适用于各个行业的基本功能性安全标准IEC 61508,为汽车生产中的电气和/或电子系统的功能安全性建立的标准ISO 26262。

在这个案例中,作为向恩智浦提供IP的供应商Mixel设计了可靠的MIPI IP,并且从头开始就能稳定地工作,并做了额外的工作来确保IP满足这些标准。例如,Mixel的D-PHY满足AEC-Q100等级0规范。

验证设计要求扩展使用合并了老化效应和温度变化的统计性仿真。Mixel改变了在运行仿真的正常分配中的关键参数,因此考虑到了每个器件变化。设计目标是在六西格玛范围内执行。这种仿真要求仔细的规划,以便在D-PHY工作环境的预期容差内性能变得可预测。性能由Mixel和恩智浦借助扩展测试和完成的表征得到进一步验证。额外的努力最终实现了可靠和安全的系统工作。

在雷达、激光雷达等设备中使用MIPI

随着供应商将ADAS扩展应用到自动驾驶领域,MIPI规范也将继续发展并部署到合适的地方。雷达(毫米波无线电)和激光雷达(光线)传感器子系统也要求传送大量的数据。这些系统可以使用MIPI接口将数据从所连的模拟前端传送到ADC/基带和信号处理部件或直接传送到系统级融合处理系统,并在那里启动合适的动作。

在自适应巡航控制等应用中,MIPI CSI-2接口可以**地将射频前端连接到雷达处理器(比如恩智浦的S32R27,这款芯片使用Mixel MIPI D-PHY连接到恩智浦的诸如MR3003射频前端器件)。

这里需要分析持续的突发性传送,以便检测目标,判断汽车到汽车相对速度,最终调整速度。这些都是高带宽数据传送,有多个阵列的模数转换器(ADC)支持从长距离和短距离传输收集来的数据。不管传感器使用视线还是光线,MIPI接口将继续部署在支持这些关键数据传输的汽车传感器模块中。

NXP17051205图5:雷达收发器到雷达处理器。

包括恩智浦和Mixel在内的MIPI成员公司继续在系统级设计中作为IP部署MIPI规范接口。其它MIPI成员公司也在汽车中合适的地方部署这些接口和其它系统。这些工作正在能够受益于高效率和高性能接口的任何地方开展。MIPI联盟已经内置于规范定义的灵活性可以帮助供应商和客户开发出针对每个应用优化的接口。

这种应用要求“**符合”接口架构的情况正在服务于新兴的汽车行业,这种方式非常类似于已经服务并将继续服务移动智能手机市场的方式。汽车行业将继续增强这些系统,使得汽车工作起来更像是一台移动设备。

我们离快速、安全、信息化和娱乐化并且没有压力的驾驶目标越来越近。我们的汽车将装备更多需要MIPI联盟的性能和功耗优化接口的系统。MIPI联盟及其成员公司将继续推广这些系统接口,从而将我们的汽车转变为完全自主的移动设备,使我们大家受益。