מאת: דייב לואיס, טקסס אינסטרומנטס
הווידיאו גורם למהפכה בתחום הרכב בכמה דרכים. תצוגות שטוחות ברזולוציה גבוהה מאפשרות לחוות את השימוש ברכב באופן שהוא אישי יותר ומחובר יותר. בה בעת, מצלמות המשמשות במערכות עזר מתקדמות לנהג (ADAS) מעניקות לנהג אפשרות של שיפור משמעותי לערנותו כלפי תנאי הנהיגה. המטרה: מכוניות בטוחות יותר המופעלות באופן אינטואיטיבי יותר. כאן ראוי לציין, שדירוג הבטיחות התעשייתי בצד הדרישה מצד הלקוחות, דוחפים את הטכנולוגיות האמורות, של מצלמות ותצוגות, לשימוש בכלי רכב ברמה הבסיסית וגם ברמה היוקרתית. כתוצאה מכך, נוצר צורך בשידור אותות וידיאו בכלי רכב, ברזולוציה שעולה והולכת ובעלות נמוכה.
מאמר זה מתאר פתרונות של ממיר לטורי/ מטורי (SerDes) לשימוש בחיבור מצלמות ותצוגות בעלות רזולוציה גבוהה, לקבלת ביצועים גבוהים בעלויות מערכת נמוכות.
תצוגות של מידע–בידור ברזולוציית HD
תצוגות מידע-בידור (infotainment) ברזולוציה גבוהה (HD) נמצאות בפרישה במכוניות של היום, והדרישה לרזולוציה גבוהה במיוחד, כבר נראית באופק, כשהיא מושפעת מהדור החדש ביותר של טלפונים חכמים (smartphone) ומחשבי לוח (tablet) בעלי רזולוציה “באיכות רשתית”
(retina quality). הצרכנים מצפים שהמכוניות שלהם יתחרו בחוויה האינטואיטיבית ברזולוציה גבוהה, כזו המסופקת להם על ידי ההתקנים הניידים, וציפייה זו דוחפת את יצרני כלי הרכב לספק את היכולת הזו בכל הטווח של דגמי המכוניות שהם מייצרים. דרישות חשובות ביותר מהתצוגות בכלי הרכב מהדור הבא כוללות:
▪ רזולוציה גבוהה
▪ איכות תמונה מצוינת
▪ בקרה בעלת יכולת תגובה (responsive) בריבוי מגע
▪ עלות נמוכה
איור 1 מתאר ממשק אופטימלי של תצוגת מידע מרכזית ברכב (CID), תצוגת הבידור עבור המושבים האחוריים ברכב (RSE) או של תצוגת LCD למכלול לוח המחוונים. מעגל הממיר מטורי מעביר אותות וידיאו לא דחוסים, אודיו I2S בריבוי ערוצים, ואפיק בקרה מסוג I2C דו כיווני עם זמן אחזור (latency) קצר, דרך כבל יחיד. הוא מספק ממשק ישיר למודול התצוגה (CMOS בתקן RGB או LVDS בתקן OpenLDI), ומבטל בכך את הצורך בלוגיקת בקרה או חיבור. זמן האחזור הקצר של אפיק הבקרה ב-I2C מספק תקשורת העברת מחוות (gesture) בריבוי מגע בין מסך המגע לבין היחידה הראשית של הרכב (head unit-HU).
כדי להעביר נתונים בקצבים גבוהים דרך כבלים ארוכים, נדרשת פעולת שוויון (equalization) בצורה של הדגשה מוקדמת (pre-emphasis) במשדר או בצורה של שוויון במקלט על מנת להתגבר על ההפסדים בכבלים. בעבר, נהגו יצרני הרכב לתכנת מראש את פעולות השוויון עבור כל חיבור, בתלות בסוג הכבל ובאורכו. תכנות כזה הגביל את גמישות הייצור ולא תיקן את השפעות הירידה בתכונות הכבלים במשך הזמן. בממירים חדשים מטורי, כמו למשל ה-DS90UH926Q, משתמשים במעגל שוויון מסתגל שמתכוונן באופן אוטומטי לפי ההפסדים בכבל בכל מחזור הפעלה, כדי לפצות על סוג הכבל, על אורכו וגילו. נוסף לכך, אפשר לקרוא את ההגדרות של מעגל השוויון בממיר מטורי דרך חיבור I2C בשני צדי החיבור, ובכך הוא מספק פונקצית אבחון רבת ערך.
תכונות ייחודיות נוספות כוללות פונקציות שיפור תמונה, כגון גיוון אותות (dithering) ובקרת איזון גווני לבן (white balance). אלגוריתם גיוון האותות Hi-FRC המשולב מחליק את המעברים בין רצועות הצבעים (Color bending) בתצוגות צבע של 18 סיביות, והופך בכך את תצוגת הצבע בת 18 הסיביות, שעלותה נמוכה, לתצוגה שנראית יותר כמו תצוגת הצבע היקרה בת 24 הסיביות, ו”מעביר” לידי יצרני המכוניות חסכונות משמעותיים בעלות המערכת. התכונה של כוונון איזון גווני הלבן מפצה על ההפרשים ב”היצע הצבעים” בתצוגות LCD בעקבות שינויים בייצור מלוח תצוגה אחד לאחר. יצרנים מכיילים את התצוגות לאיזון גווני לבן, מאחר שהצרכנים מפענחים הפרשי צבע שמופיעים במספר תצוגות במכונית כרמז לאיכות ירודה. הרכיב DS90UH926Q מאחסן את נתוני הכיול ומבצע את ההמרה של איזון הלבן בתצוגה עצמה, מוריד את העומס מהמעבד וחוסך הספק ורכיבי כוונון גאמה חיצוניים. באופן כזה, המודולריות של הייצור הופכת פשוטה יותר ומקלה על כיווני הצבע תוך כדי צפייה, לפי תנאי התאורה במהלך היום, על מנת לשמור על ערנות הנהג וכדי להוות פיצוי על שינויים בצבעים כשהתצוגה “מזדקנת”.
אם מעבירים סרטים באיכות HD על פני הקישור, בדרך כלל, יש צורך בהגנה על תוכן ספרתי ברוחב פס גבוה (HDCP), כדי לשמור על התכנים מפני העתקה. ערכת השבבים DS90UH925/6 משלבת פונקציונליות HDCP בחומרה, כדי לפשט במידה רבה את ההגנה על התוכן, לעומת הגישות בתוכנה. המערכת המארחת פשוט מתשאלת באופן מחזורי את הממיר לטורי, והוא מחזיר את המפתחות של הממירים מטורי שמחוברים אליו, גם בטופולוגייות עץ בריבוי דילוגים (multi hop tree) בעלות תצוגות מרובות. לאחר שהמארח אימת את תוקף המפתחות, הוא רשאי לשדר נתונים. ערכת שבבי המרה מטורי ולטורי SerDes מערבלת את הנתונים בעזרת המפתח ומאמתת ברציפות את הקישור. עבור יישומים שלהם לא נדרש HDCP, כגון תצוגות מידע מרכזיות ותצוגות של אשכול המחוונים, אפשר להשתמש בגרסאות של ממיר SerDes תואמות פינים, ללא HDCP.
פתרונות המרת SerDes אינם מוגבלים לדחיפת תצוגות LCD “שטוחות” רגילות. טכנולוגיה חדשה להקרנה ולתצוגה עילית (HUD) בעיבוד DLP הופכת לתצוגות את לוחות המחוונים המעוקלים, הקונסולות המרכזיות והחלונות הקדמיים של כלי הרכב, ובכך מקטינה באופן משמעותי את מידת הסחת דעתו של הנהג, ובסופו של דבר, מביאה לכלי הרכב איכות נהיגה של מציאות רבודה
(Augmented Reality-AR) ברזולוציה גבוהה. ביישומים אלו, יש חשיבות לווידיאו באיכות גבוהה ולזמן אחזור קצר של מערכות שבבי המרת SerDes עבור בטיחות המשתמש וחוויית שימוש טובה שלו.
יישומי מצלמות במערכות ADAS
מצלמות שקודם לכן שימשו רק כהתקן לעזרה בעת חניה בנסיעה לאחור, מעתה פרוסות גם לצורך צפייה היקפית, זיהוי שלטי תעבורה (TSR), במערכות אזהרה מפני חריגה מנתיב
(LDWS), במערכות ניטור ערנות הנהג וביישומי מצלמה אחרים בכלי רכב. הנחיות בטיחות שפורסמו על ידי Euro NCAP
ו-NHTSA, ודרישות הצרכנים, מניעות אף הן את שגשוג שילוב המצלמות בכלי רכב יוקרתיים ובכלי רכב ברמה הבסיסית. הן מבחינת תפיסתו של הנהג וגם מבחינת ראיית מכונה, רזולוציה גבוהה וטווח דינמי רחב (HDR) חיוניים להבנה ולפענוח אמינים של המידע שבאותות הווידיאו. לצורך כך, יצרני המכוניות משתדלים להגדיל את רזולוצית הווידיאו ואת איכותו, בה בשעה שהם מקטינים את העלות והגודל של המצלמה.
אי לכך, הדרישות הקריטיות מיישומים של מצלמה במערכת ADAS יכללו:
רזולוציה גבוהה וטווח דינמי רחב
זמן אחזור קצר (השהייה קטנה בשידור וידיאו)
עיקבה קטנה של מודול המצלמה
צריכת הספק מועטה והתחממות קטנה
עלות נמוכה
איור 2 מדגים פתרון שידור במצלמה עם זמן אחזור נמוך עבור נתוני וידיאו גולמיים, שאינם דחוסים, אשר מבטיח איכות תמונה גבוהה ותגובה מהירה של המערכת, ומיועד ליישומים שבהם הבטיחות היא קריטית. וידיאו מצלמה במגה פיקסלים, אפיק בקרה I2C דו כיווני, אותות
כניסה/יציאה למטרות רגילות (GPIO) ומקור מתח, מתקבלים באמצעות שימוש במערך השבבים DS90UB913/4 דרך כבל יחיד. הכבל הקואקסיאלי המשמש בדוגמה זו, הוא דק, קל משקל ולא יקר. הממיר לטורי מתחבר בממשק באופן ישיר אל חיישן המצלמה, ללא כל צורך בבקר מיקרו או במעגלים לוגיים, ובכך יוצר חיסכון של מקום, עלות והספק. את כל הגדרות הקונפיגורציה ואותות הבקרה מקבלים מרחוק, באמצעות הכבל הקואקסיאלי דרך חיבור I2C וירטואלי, מיחידת הבקרה האלקטרונית של המארח (ECU). ביצוע סנכרון של מצלמות רבות מתבצע דרך אות פשוט לסנכרון מסגרות שמשתמש בפין GPIO ומועבר בתקשורת מהממיר מטורי אל הממיר לטורי. כך מתקבל תכנון יעיל בעלות נמוכה. כפי שאפשר לראות בדוגמה הקודמת, מעגל משווה מסתגל מתכוונן באופן אוטומטי לפי אורך הכבל ותופעות אחרות של הפסדים. יכולת זו מאפשרת למערכת להיות מותאמת באופן גמיש לדגמים שונים של מכוניות ולהגדרות קונפיגורציה שונות, המתאימות למכוניות תוצרת חברות שונות, וכן גם לירידה בביצועי הכבל שנגרמת מ”הזדקנות” ומכיפופים חוזרים ונשנים.
את מתח האספקה מקבלים מספק כוח רגיל ממיר מתח ישר למתח ישר, דרך מתג הפעלה פשוט, שיכול להפעיל ולכבות את אספקת המתח למצלמות, ולהגן מפני מצבי תקלה, כגון זרם יתר או קצר ומתח הפוך. הכבל הקואקסיאלי, שמעביר את המתח ואת ההארקה, מבטל את הצורך בחיווט נוסף או בחיבור הארקה למרכב הקרוב. אותות וידיאו גולמיים, נתוני בקרה, אספקת מתח והארקה מסופקים דרך מחבר כבל קואקסיאלי יחיד. אין צורך במחברים נוספים, ובכך, קטנים הגודל והעלויות של המצלמה. הכבל היחיד וגודל המצלמה הקטן, מקלים על מיקום המצלמה במקומות מרוחקים בכלי הרכב, כמו למשל, בתוך מראות הצד ובפגושים, שבהם ייתכן שאספקת המתח וההארקה לא יהיו זמינים באופן מיידי ואולי לא יהיה מקום די לניתוב כבלים נוספים.
איכות מעולה של תמונה וזמן אחזור קצר חשובים מאוד עבור אלגוריתמים של ראיית מכונה במערכות ADAS שהן קריטיות לבטיחות. הפתרון של המרת SerDes המופיע באיור 2, משדר אותות וידיאו ללא דחיסה, ובכך שומר על איכות תמונה גבוהה ועל טווח דינמי גבוה, שמתקבלים על ידי חיישני מצלמה ברזולוציה של מגה פיקסלים. בכך נמנעת הופעתם של תוצרים מלאכותיים (Artifacts) שנגרמת מדחיסה, אשר יכולים להיות בעלי פוטנציאל לפגיעה באלגוריתמים של גילוי עצמים. היעדר הצורך בעיבוד של הדחיסה גם מאפשר למודול המצלמה לפעול בטמפרטורה נמוכה יותר, מקטין את הרעש התרמי של חיישן המצלמה ומאפשר ביצוע תכנון של מודול קטן יותר. בנוסף, זמן האחזור הקצר ביותר הדטרמינסטי של המרת SerDes משפר את המערכת כולה ואת זמני תגובת הנהג, ובכך גם את הבטיחות.
מסקנה
שעה שתצוגות ומצלמות משמשות יותר ויותר בכלי רכב, יצרני כלי הרכב משתדלים להגדיל את ביצועי הווידיאו, תוך כדי שליטה בעלויות. פתרונות שידור וידיאו בהמרת SerDes מותאמים באופטימיזציה באופן ייחודי להשגת שתי מטרות אלו. הם מספקים את האיכות הגבוהה ביותר של וידיאו בלתי דחוס, במקביל להקטנה עד למינימום של מורכבות התכנון ועלויות המערכת.
