Was ist MIPI?

Das Mobile Industry Processor Interface (MIPI) ist ein Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungsprotokoll, das häufig in Anwendungen eingesetzt wird, die die Übertragung großer Mengen von Bilddaten erfordern, wie z. B. hochauflösende Kameras und Displays.

Dank seiner hohen Leistung, des geringen Stromverbrauchs und der minimalen Latenz hat sich MIPI branchenübergreifend als Standard etabliert. Diese breite Akzeptanz hat ein robustes Ökosystem gefördert, das dedizierte Chips und Hardware zur Vereinfachung der Integration bietet.

Der Standard wird heute von fast der gesamten Mobilfunkindustrie angenommen, sowie von großen Chipherstellern, Automobilsektoren (einschließlich ADAS und Infotainment), IoT (insbesondere Wearables), AR/VR und der medizinischen Bildgebung – die alle auf einen effizienten, hochvolumigen Datentransfer angewiesen sind.

Ähnlich wie USB entwickelt sich der MIPI-Standard ständig weiter, wobei jede neue Version höhere Geschwindigkeiten und zusätzliche Funktionen bietet. MIPI CSI-2 zeichnet sich als das Arbeitspferd der Branche aus und bietet bis zu 2,5 Gbit/s pro Datenleitung. Mit Unterstützung für bis zu vier Lanes bietet es sowohl hohe Leistung als auch Flexibilität.

MIPI CSI-2 stellt eine direkte Verbindung von einem Bildsensor (wie einem CMOS-Sensor) zu einem Bildsignalprozessor (ISP) oder Anwendungsprozessor her, was die Echtzeit-Erfassung und -Verarbeitung visueller Daten mit minimaler Latenz und geringem Platzbedarf ermöglicht, wodurch es für moderne Embedded-Vision-Systeme unerlässlich ist.

Die CSI-2-Schnittstelle kann in drei Schichten unterteilt werden, nämlich die.

– Anwendungsschicht, wo Daten erstellt, kodiert und/oder interpretiert werden, wie z. B. für einen CMOS-Sensor oder Bildprozessor.

– Transportschicht, die für die Datenübertragung verantwortlich ist, d.h. für das Lane-Management, Low-Level-Protokolle und die Pixel-zu-Byte-Konvertierung.

– Bitübertragungsschicht (Physical Layer), die die Sender- und Empfängergeräte verbindet. Die Bitübertragungsschicht wird typischerweise als C-PHY für Kameraschnittstellen und D-PHY für Displayschnittstellen abgekürzt. Beachten Sie, dass MIPI eine differentielle Schnittstelle ist, was bedeutet, dass alle Lanes (Daten und Takt) paarweise oder als positive und negative Lane vorliegen.

Ein typischer Aufbau der drei Schnittstellenschichten ist in der Abbildung unten dargestellt.

Die MIPI-Signale: Clock Lanes: Legen die Rate fest, mit der Daten über die Data Lanes übertragen werden. Data Lanes: Sind die Lanes, die Daten zwischen Sender und Empfänger übertragen.

MIPI CSI-2 arbeitet in zwei Modi: im Leerlauf im Low-Power-Modus (LP) und während der Datenübertragung im High-Speed-Modus (HS). Das Timing der Übergänge zwischen diesen Modi wird durch die spezifische Hardware-Implementierung bestimmt.

Der MIPI-Takt kann entweder im kontinuierlichen oder nicht-kontinuierlichen Modus betrieben werden. Im kontinuierlichen Modus bleibt der Takt jederzeit aktiv. Im nicht-kontinuierlichen Modus wechselt der Takt, ähnlich wie die Daten-Lanes, in einen Low-Power-Zustand, wenn er inaktiv ist, und seine Reaktivierung signalisiert den Beginn einer Übertragung.

Nicht-kontinuierliches Takten wird aufgrund seiner Energieeffizienz häufiger verwendet. Der kontinuierliche Taktmodus ist für Anwendungen reserviert, bei denen minimale Latenz und maximaler Durchsatz entscheidend sind und die MIPI-Signalisierung der primäre Leistungsengpass ist.

Nachfolgend ein typisches Beispiel für die Datenübertragung, bei der das Taktsignal im nicht-kontinuierlichen Modus betrieben wird. Beachten Sie, dass sowohl die Daten- als auch die Takt-Lanes auf Low gezogen werden, um den Übergang vom Low-Power- (LP) zum High-Speed-Modus (HS) zu signalisieren.

LP-11: Beide Lanes sind im LP-Modus, LP-01: Eine Lane ist im LP-Modus und eine im HS-Modus, LP-00: Beide Lanes sind im HS-Modus.

Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungsprotokolle wie USB3 und CameraLink werden häufig in Bildverarbeitungsanwendungen eingesetzt, wobei jedes spezifische Vor- und Nachteile aufweist.

CameraLink ist ein etablierter Standard für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung, der in spektralen OCT-Systemen weit verbreitet ist, wo Linearkameras traditionell CameraLink-Ausgänge verwenden. Es erfordert jedoch dedizierte Hardware, wie Framegrabber-Karten und PCs mit kompatiblen PCIe-Steckplätzen. Diese Komponenten können die Stückliste (BoM) eines Systems um Tausende von Euro erhöhen, was die Gesamtkosten erheblich steigert.

USB3 (SuperSpeed) hat in den letzten Jahren an Popularität gewonnen, hauptsächlich aufgrund der hohen Kosten von CameraLink-Lösungen. Obwohl USB3 bequemer und einfacher zu implementieren ist, bietet es im Allgemeinen geringere Datenübertragungsgeschwindigkeiten, was die Detektor-Zeilenraten begrenzt. Zusätzlich erfordert USB3 leistungsstarke PC-Hardware, um die Rohdaten von Line-Scan-Kameras zu verarbeiten, da Betriebssysteme diese Rohformate nicht nativ unterstützen. Das Konvertieren und Umwandeln von Daten in nutzbare Typen (8-Bit, 16-Bit usw.) kann prozessorintensiv sein. USB3 führt auch zu einer höheren Latenz im Vergleich zu anderen Protokollen, obwohl seine Benutzerfreundlichkeit es zu einer beliebten Wahl macht.

MIPI CSI-2 zeichnet sich dadurch aus, dass es sowohl hohe Geschwindigkeit als auch geringe Latenz zu einem Bruchteil der Kosten konkurrierender Technologien bietet. Systems-on-Chip (SoCs) mit integrierten Bildsignalprozessoren (ISPs) können Rohdaten direkt verarbeiten, wodurch die Prozessorlast reduziert und die gesamten BoM-Kosten gesenkt werden. Obwohl MIPI Hardware erfordert, die seinen Standard unterstützt, bedeutet seine breite industrielle Akzeptanz, dass viele Chipsätze und Entwicklungsplatinen, wie Raspberry Pi (außer Pi Zero), NVIDIA Jetson TX2, NVIDIA Nano, Qualcomm RB3, Qualcomm RB5, Arduino Spartan und Asus Tinker Board, bereits native Unterstützung bieten. Ibsen Photonics bietet auch ein Developer Kit an, das auf dem Infinion (Cypress) CX3 Chip basiert, zur Anbindung an die M-DISB (MIPI-Schnittstelle) Elektronikplatine.

Obwohl für spezifische MIPI-Implementierungen eine gewisse Software- und Hardwareentwicklung erforderlich ist, bietet MIPI CSI-2 eine Hochgeschwindigkeits-, kostengünstige und energieeffiziente Plattform, was es ideal für die Großserienproduktion und kompakte, integrierte Systeme macht.