現在的車輛不僅僅是一種交通工具,它也正演變成為一種成熟的行動裝置,它可以連接到網際網路、交通運輸網路,並且相互連接。行動產業處理器介面(MIPI)在這種轉變中扮演著重要的角色,就像它們在常用的智慧型手機統一介面所佔據的重要地位一樣。

MIPI聯盟(MIPI Alliance)成立的宗旨是讓手機等裝置更簡便且經濟地連接系統。該組織定義了在高速處理器、低速感測器和其它晶片到晶片間傳輸的介面規格,為攝影機、顯示器和無線模組的介面實現標準化。

行動裝置通常體積很小,深藏在裝置內的元件都以非常緊湊的耦合方式連接在一起。車輛轉變為連網裝置也是從裡到外實現的,因此非常適合利用MIPI聯盟內部完成的工作。

智慧型手機系統介面的供應商可以將這些開發成果應用於汽車產業。供應商(利用MIPI規格)創建高效電源和性能介面的能力,為汽車供應鏈的公司提供的好處,就和提供給手機製造商及其供應商是一樣的。汽車系統正透過有線和無線的方式連接在一起。

這種連接能力正成為車輛的「中央神經系統」。MIPI規格提供了數量不斷增加的關鍵系統、資訊系統和娛樂系統之間的連接性,從而將車輛轉變為一款行動裝置。接著,讓我們仔細看看這種轉變,以及MIPI聯盟及其成員公司如何協助推動這種轉變。

車載與車間連接

有許多重大趨勢定義了MIPI規格適用的「使用模式」;這些趨勢包括如下的原始部署與深度整合:

‧遠端通訊和車載資訊娛樂系統(IVI) ‧先進駕駛輔助系統(ADAS) ‧智慧交通系統(ITS) ‧自動駕駛系統(ADS)

遠端通訊(telematics)要求將全球定位系統(GPS)以及導航顯示器(包括觸控和音訊功能)連接在一起。駕駛輔助系統則需要攝影機、雷達、光達(Lidar)、影像處理和電腦視覺系統連接音訊和顯示器,從而實現直接反饋。

智慧運輸系統要求以無線方式實現車對基礎設施(V2I)、車對車(V2V)以及車對一切事物(V2X)的連接,並橋接至射頻(RF)功能以支援各種不同的無線(IEEE 802.11p/ac/ah、藍牙)和行動(LTE、GSM)標準。隨著自動駕駛的逐步實現,這些系統及其互連都變得更加重要。

有趣的是,這些連線要求幾乎就和在最普及的行動平台——智慧型手機上看到的一模一樣。在智慧型手機中,攝影機和顯示器、音訊、麥克風、陀螺儀、磁與光元件以及要求觸控或語音啟動輸入的應用之間有著類似的互動。為智慧型手機高效定義這些介面的MIPI規格同樣適用於為支援車用系統而開發的介面,如今這些規格也正在部署中。

以下將深入瞭解ADAS,以及探討如何應用MIPI規格。開發駕駛輔助系統是為了自動化、適應和增強汽車的安全系統,以及協助駕駛人提高行車效率。圖1顯示ADAS類監測的「視場」(field of view)。這些系統在汽車四周組成了一層感測器「保護」,可以向駕駛人提供預先警示,或觸發安全保護措施與接管對汽車的控制,從而避免發生危險的情況。

20170619_NXP_TA31P1 圖1:汽車周圍的感測器「視場」 (來源:NXP)

如圖1所示,使用各種偵測技術的感測器系統越來越多。其中一些系統並不用於傳輸大量的資料;而是只傳送少量資料的感測器偵測和預警型系統。

然而,為了有效地實現資料傳送,其它系統正擷取大量的資料。舉例來說,用於車道偵測或交通號誌辨識的攝影機輔助系統會產生所需的密集資料串流,用於從攝影機傳送至處理器進行分析,以及傳送到用於顯示的顯示器。

在類似這樣的系統中,MIPI攝影機序列介面(CSI)提供了一種從相機傳送資料到處理器的協議架構。實際的傳輸過程利用另一種MIPI規格,即MIPI D-PHY,這是一種實體層收發器規格。使用MIPI D-PHY意味著這種介面將工作在最低功耗,並以最小的成本加以部署。MIPI聯盟開發的規格具有靈活的架構化定義,確保所瞄準的建置對於實現實體接腳和傳送速率最佳化組合不可或缺。

圖2是目標建置案例之一;連接攝影機到處理器的簡圖。攝影機子元件含有攝影機感測器、用於影像擷取的支援電路,以及使用D-PHY Tx巨集組織影像資料進行傳送的支援電路。

攝影機影像經過序列化處理後發送至包含資料接收支援電路——D-PHY Rx巨集的影像訊號處理子元件。發射端(Tx)和接收端(Rx)之間的實體連接是採用MIPI介面實現的。例如,恩智浦半導體(NXP)採用MIPI CSI-2規格和Mixel公司提供的D-PHY硬巨集設計了這樣的系統。

20170619_NXP_TA31P2 圖2:連接攝影機到處理器的方塊圖

採用MIPI D-PHY的實例

使用MIPI介面實現的NXP S32V234設計,是針對視覺、感測器融合和環景應用的ADAS解決方案。它整合了四核心的ARM Cortex-A53處理器、NXP APEX影像辨識處理器、Vivante GC3000處理單元和先進的記憶體匯流排系統架構。

該系統是專為連接各種影像感測器(如Sony IMX224)而設計的。這種感測器具有MIPI CSI-2介面,可以將感測器連結到諸如SV32等系統級晶片。MIPI CSI-2介面具有每通道1.5Gbps的最大輸出資料速率,以及可選擇1個通道、2個通道或4個通道的多個輸出通道。

20170619_NXP_TA31P3 圖3:S32V234 ADAS處理器方塊圖

這種系統的一個關鍵部份是以低延遲或零延遲的方式,將原始影像資料傳送到SV32內建影像訊號處理器(ISP)。原始資料以先進的高性能SRAM系統進行高效處理,並與傳統的DDR記憶體管理相得益彰,可實現即時的影像處理。

透過MIPI CSI-2、D-PHY介面可將原始資料從攝影機傳送到S32V,並由Rx D-PHY硬巨集接收。這些資料經過序列化後再以高速傳輸,以支援無閃爍的處理結果。

Mixel為NXP的設計提供D-PHY IP Rx+硬巨集。這種巨集被最佳化為接收端的客製建置,能有效地對接系統級晶片S32V的CSI-2介面。值得注意的是,MIPI D-PHY規格定義了具有對稱Tx和Rx功能的通用型D-PHY。

在Mixel的建置中,接收端被設定為目標,並最佳化通道,而與攝影機到S32V的主要傳送方向保持一致。Rx+端的一個關鍵特性是面積經最佳化的Tx端。增加最小化入侵的Tx端,提高了對於回送的支持,並簡化後矽晶生產測試要求的配置。因此,作為這種特殊實現的結果,不僅達到了性能和功耗指標,同時實現晶片的可測性。

20170619_NXP_TA31P4 圖4:Mixel的Rx+ D-PHY硬巨集

Mixel的D-PHY Rx+不僅遵循MIPI D-PHY規格,還增加了這種重要的客製選項。請注意,MIPI聯盟定義的規格允許在建置過程中實現最佳化。這樣一來,客戶和供應商就能在接腳受限的約束條件和系統資料速率傳送要求下工作,並針對功耗、效率和該例中的可測試性進行最佳化。

安全和可靠性

當然,操作的可靠性和強韌性對於車輛中所使用的元件來說是基本要求。因為ADAS功能至關重要,能夠讓我們在駕駛時更安全,因而安全標準同樣極其重要。但即使是非關鍵系統也必須要能在寬廣範圍且通常嚴苛的環境條件下可靠地工作。

汽車產業的供應商以及這些供應商的供應商,都必須符合各種相關標準,如針對IC建立的通用電氣元件認證要求AEC-Q100、適用於各產業的基本功能安全標準IEC 61508,以及為車輛生產建立的電氣/電子系統功能安全標準ISO 26262。

在這個案例中,Mixel設計可靠且穩定作業的MIPI IP,並確保其IP符合這些標準。例如,Mixel D-PHY符合AEC-Q100 Grade 0規格。

驗證設計必須廣泛使用結合老化效應和溫度變化的統計模擬。Mixel改變了在正常分配中執行模擬的的關鍵參數,因而考慮到每種元件的變化。設計目標是在6 sigma範圍內執行。這種模擬要求仔細的規劃這種可在D-PHY操作環境預期容差範圍內預測性能。藉由Mixel和NXP進行擴展測試和表徵化,得以進一步驗證其性能。更多的努力最終實現了可靠和安全的系統運作。

在雷達、光達等裝置中使用MIPI

隨著供應商將ADAS擴展到自動駕駛領域,MIPI規格將繼續發展並部署至合適的地方。雷達(毫米波無線電)和光達(光)感測器子系統也需要傳送大量的資料。這些系統可以使用MIPI介面,將資料從連接的類比前端傳送到類比數位轉換器(ADC)/基頻和訊號處理元件,或直接傳送到系統級融合處理系統,並啟動適當的行動。

在自動巡航控制等應用中,MIPI CSI-2介面可以完美地將RF前端連接到雷達處理器(如NXP S32R27使用Mixel MIPI D-PHY連接到NXP MR3003等RF前端元件)。

此處必須分析持續的突發性傳送,偵測目標以及判斷車對車之間的相對速度,最終調整節氣閥。這些都必須以高頻寬傳送資料以及多陣列的ADC,支援從長距離和短距離傳輸收集的資料。無論感測器使用視覺還是光學技術,MIPI介面將繼續部署在支援這些關鍵資料傳輸的汽車感測器模組中。

20170619_NXP_TA31P5 圖5:雷達收發器到雷達處理器

包括NXP和Mixel等MIPI成員公司持續在系統級設計與IP上部署MIPI規格介面。其它MIPI成員公司也部署適於車用的介面和其它系統。這些任務正在能夠受益於高效率和高性能介面的任何地方展開。MIPI聯盟內建於其規格定義的靈活性,有助於供應商和客戶開發出針對每個應用最佳化的介面。

這種應用要求「完美符合」介面架構的情況正出現在新興的汽車產業,以一種極其類似於服務行動智慧型手機市場的方式繼續服務手機與汽車產業。汽車產業將繼續增強這些系統,使得汽車的運作更像是行動裝置。

我們離快速、安全、資訊化和娛樂化且毫無壓力的駕駛目標越來越近,未來的車輛也將持續配備更多需要MIPI介面性能和功耗最佳化的系統,從而使我們的車輛轉變為完全自動駕駛的行動裝置。