Sensoren schlank anbinden

Kamerasensoren mit Embedded-Prozessoren verbinden

Embedded Designs kommen typischerweise zum Einsatz, wenn Geräte in einer größeren Serienstückzahl gefertigt werden sollen. Die Systemauslegung erfolgt also für eine bestimmte Anwendung. Durch Adaptierung der einzelnen Komponenten an den Einsatzzweck lassen sich die Geräte kompakt und kosteneffizient gestalten. Bei Embedded-Imaging-Geräten ist die richtige Auswahl von Kamerasensor/-schnittstelle wesentlich für ein erfolgreiches Design.

Kameraschnittstellen des NXP i.MX 6 Prozessors. Die beiden IPUs können die empfangenen daten per DMA direkt im Speicher ablegen. Die Kameras können entweder über parallele Schnittstellen oder über MIPI CSI-2 angeschlossen werden. (Bild: Phytec Messtechnik GmbH)

Bild 1 | Kameraschnittstellen des NXP i.MX 6-Prozessors: Die beiden IPUs können die empfangenen Bilddaten per DMA direkt im Speicher ablegen. Die Kameras können entweder über parallele Schnittstellen oder über MIPI CSI-2 angeschlossen werden. (Bild: Phytec Messtechnik GmbH)

Zunächst bedeutet ´schlank´, dass der Hardwareaufwand gering gehalten wird. Aufwändige Interfaces und Schnittstellenumsetzer sollten vermieden werden. Werfen wir zunächst einen Blick auf die verfügbaren Schnittstellen. Als Beispiel für Embedded-Prozessoren dient hier die skalierbare i.MX 6-Prozessorfamilie von NXP. Ihre Dual- und Quadcore-Versionen besitzen je zwei unabhängige, spezielle Kameraschnittstellen. Zwei Image Processing Units (IPU) besitzen parallele Eingänge zum direkten Anschluss von Kamerasensoren mit parallelem Ausgang. Wahlweise lässt sich ein integrierter MIPI CSI-2-Receiver für Sensoren mit MIPI CSI-2-Schnittstelle vorschalten. Welcher Schnittstellentyp für ein professionelles Embedded System gewählt werden sollte, lässt sich nicht pauschal beantworten, da weitere Aspekte in die Entscheidung einfließen. Das CSI-2 Interface der MIPI Alliance wird vor allem in Consumer-Geräten wie Tablets benutzt. Es stellt bis zu vier Datenleitungspaare zur Verfügung, die LVDS-basiert mit bis zu 10Mbps/Lane übertragen werden. Demgegenüber ist die Busbreite des parallelen Interfaces proportional zur gewünschten Helligkeitsauflösung in Bits/Pixel, zuzüglich drei weiterer Signale zur Synchronisation. Beispielsweise benötigen 4.096 Graustufen 12+3=15 Leitungen. Die Übertragungsrate beträgt für den NXP i.MX 6-Prozessor bis zu 240MP/s. Allgemeine Spezifikationen für ein paralleles Kamerainterface gibt es mangels eines Normungsgremiums leider nicht. Als maximale Leiterlänge lassen sich für beide Interface-Typen ca. 30cm erreichen.

Phycore i.MX6 Mikrocontrollerodul mit phyCam-Kamera (Bild: Phytec Messtechnik GmbH)

Verfügbarkeit im Fokus

Bild 2 | Eigenschaften der phyCam-Schnittstellen (Bild: Phytec Messtechnik GmbH)

Ein wichtiges Auswahlkriterium ergibt sich überraschenderweise nicht aus der MIPI-CSI-2-Spezifikation selbst, sondern aus ihrer Abstammung von Consumer-Geräten. Viele CSI-2-Kamerachips sind für diese Märkte konzipiert und erfüllen nicht die Anforderungen industrieller oder medizinischer Geräte an Temperaturbereiche oder Langzeit-Verfügbarkeiten. Bei der Auswahl sollten deshalb dringend Marktstrategie, Hersteller-Roadmaps usw. geprüft werden. Bildsensoren für den industriellen Markt besitzen oft ein paralleles Dateninterface oder ein Bündel paralleler LVDS-Kanäle. Letztere erlauben höhere Datenraten, lassen sich jedoch ohne Konvertierung nicht an gängige Embedded-CPUs anschließen. Sie sollten dann gewählt werden, wenn ihre Eigenschaften für die Anwendung zwingend erforderlich sind. Unter den Aspekten Kosten und Langzeit-Verfügbarkeit sind Sensoren mit parallelem Interface in vielen Fällen ein guter Kompromiss.

Eigenschaften der phyCam-Schnittstellen (Bild: Phytec Messtechnik GmbH)

Make&Buy-Lösungen

Bild 3 | Phycore i.MX6 Mikrocontrollermodul mit phyCam-Kamera (Bild: Phytec Messtechnik GmbH)

Durch die Einfachheit der Schnittstelle sind die beim Design zu beachtenden Parameter überschaubar. Da keine Normierung gegeben ist, muss der Entwickler jedoch die Datenblätter sorgfältig prüfen, damit die Konfiguration von Sensor und Prozessorinterface übereinstimmt. Modular vorentwickelte Lösungen wie beispielsweise das phyCam-System von Phytec stellen fertig einsetzbare Hardware zur Verfügung, mit denen die Evaluierungsphase und das Designrisiko minimiert werden können. CPU-Module mit i.MX 6-Prozessoren sind für verschiedene Szenarien verfügbar. Dazu passende Kameramodule können aufgrund der identisch ausgelegten Schnittstelle in der Entwicklungsphase einfach erprobt und ausgetauscht werden. Der 33-polige Flexleiter ist mit ausreichend Masseführung EMV optimiert. Die notwendige Treibersoftware ist im Linux-Betriebssystem des CPU-Moduls bereits enthalten. Um die Limitierung der Leitungslänge von 30cm zu überwinden, bietet Phytec eine Variante mit einkanaliger LVDS-Lane an. Bei dieser wird die Sensorschnittstelle transparent seriell übertragen und der CPU wieder parallel zugeführt. So können in größeren Automaten oder Laborgeräten Kameras unabhängig vom Rechnermodul platziert werden. Das spezifische Design eines Embedded-Imaging-Produkts entsteht mit geringem Aufwand, indem auf der Trägerplatine des CPU-Moduls individuelle Erweiterungen hinzugefügt werden. Dieses Konzept verschlankt sowohl den Entwicklungsprozess als auch die Gerätehardware und ermöglicht die Realisierung kostengünstiger Seriengeräte.