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高速接口規(guī)格「MIPI」是什么？跳出移動(dòng)設(shè)備的框架，適用于汽車上

2022/08/05

NEW 文章 專欄

　現(xiàn)在的電子設(shè)備上使用了各種各樣的高速接口技術(shù)。USB、Thunderbolt、MIPI、HDMI、DisplayPort、Serial ATA (SATA)、LVDS等都是典型的代表。

　其中一些高速接口技術(shù)被廣泛使用，但也有一些消費(fèi)者很少有認(rèn)知的技術(shù)。 它就是MIPI（Mobile Industry Processor Interface）。 MIPI是2008年制定的高速接口規(guī)格， 歷史比較悠久。 但絕大多數(shù)消費(fèi)者都表示：“我知道USB、Thunderbolt和HDMI，但不知道MIPI。”

　為什么呢？這是因?yàn)镸IPI是用于手機(jī)和智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部連接攝像頭與SoC或SoC與顯示器之間的圖像信號(hào)的接口規(guī)格；也就是說是不會(huì)輸出到一般消費(fèi)者接觸得到的設(shè)備外部的。所以我們就會(huì)對它比較陌生。

　MIPI在移動(dòng)設(shè)備用途以外的市場中也正在迅速普及和擴(kuò)張。MIPI 能對應(yīng)智能手機(jī)相機(jī)的高分辨率需求，也能對應(yīng)多種高分辨率傳感器。近年來，由于非移動(dòng)設(shè)備的內(nèi)置相機(jī)系統(tǒng)對高分辨率的需求不斷增加，有越來越多的應(yīng)用也都在探討使用MIPI。
  這次我們就來看看MIPI的規(guī)格和特征吧。

從特有的移動(dòng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)開始

　MIPI是一種使用 LVDS等中使用的低電壓振幅差動(dòng)傳輸技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?但有幾點(diǎn)需要注意。 那就是定義數(shù)據(jù)傳輸速度和傳輸方式的物理層（PHY）規(guī)格不止一種。其實(shí)，單就MIPI來說都存在著多種規(guī)格。

　2008年制定的第一個(gè)物理（PHY）層規(guī)格是「D-PHY ver1.0」，其最高數(shù)據(jù)傳輸速度為每lane 1 Gbit/秒（表1）。D-PHY ver1.0 是一個(gè)針對移動(dòng)設(shè)備優(yōu)化的規(guī)格。 優(yōu)化的點(diǎn)有兩個(gè)：一是簡單性，二是低消耗電力。
 
表１　MIPI的物理層規(guī)格

　
  第一個(gè)簡單性是通過采用將不同信號(hào)線上的數(shù)據(jù)信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)分別傳輸來實(shí)現(xiàn)的。 當(dāng)傳輸距離較長時(shí)，這種時(shí)鐘分別傳輸方式就會(huì)由于信號(hào)線的長度與特性的不同容易發(fā)生變形；以及在數(shù)據(jù)信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)接收器（收信）IC的時(shí)間上會(huì)有偏差。最壞的情況下，就會(huì)發(fā)生傳輸錯(cuò)誤。 但移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)傳輸就不需要較長的傳輸距離。實(shí)際上，D-PHY ver1.0的可傳輸距離大致也就是幾十cm左右。 可以說因?yàn)楸绕饌鬏斁嚯x來說更重要的是簡單性，所以決定采用適中分別傳輸方式。

　第二的低消耗電力是通過將差動(dòng)信號(hào)的電壓振幅控制在±200mV內(nèi)來實(shí)現(xiàn)的。LVDS則是350mV，因此算下來大致是將電壓振幅削減到了4/7，降低了消耗電力。當(dāng)然，縮小電壓振幅會(huì)使數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸距離變短；但正如前所述，MIPI是在移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)傳輸上使用的，不需要較長的傳輸距離。

為車載用途引入物理層規(guī)格

　如前面所述，MIPI規(guī)格包含多個(gè)物理層規(guī)格。 例如，D-PHY ver1.0 目前升級(jí)為「D-PHY ver3.0」。 D-PHY ver3.0與D-PHY ver1.0一樣采用差動(dòng)傳輸?shù)男盘?hào)幅度與時(shí)鐘分別傳輸?shù)姆绞?，但加入了去加重和均衡器的技術(shù)，使最大數(shù)據(jù)傳輸速度提升至每lane 9Gbit/秒。

　此外，還有將傳輸方式從時(shí)鐘分別傳輸方式改成了時(shí)鐘嵌入方式的「C-PHY」與「M-PHY」這兩種規(guī)格。C-PHY是適用于智能手機(jī)以及監(jiān)控?cái)z像頭與無人機(jī)等的物理層規(guī)格。其最大特征為采用了時(shí)鐘嵌入方式以3個(gè)值的傳輸方式，可將最大傳輸速度提升到每lane 6Gbit/秒。

　M-PHY則是適用于移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的處理器間通信（IPC：Inter Processor Communication）的物理規(guī)格。它使用了均衡器技術(shù)以及8B10B調(diào)制技術(shù)等，可與C-PHY一樣將最大數(shù)據(jù)傳輸速度提升到每lane 6Gbit/秒。

　D-PHY ver3.0與C-PHY、M-PHY都是面向MIPI的目標(biāo)用途也就是移動(dòng)設(shè)備用途的。采用新的傳輸技術(shù)提高最大數(shù)據(jù)傳輸速度，使其在移動(dòng)設(shè)備范圍中成為一種可對應(yīng)新的使用方式的規(guī)格。

　但是2020年9月，一個(gè)明顯偏離這一目標(biāo)的規(guī)格被制定了。這就是面向汽車用途的物理層規(guī)格「A-PHY」。這是一個(gè)用于汽車內(nèi)部的攝像頭與顯示器之間的數(shù)據(jù)傳輸用的規(guī)格。雖然它仍屬于「設(shè)備內(nèi)部的高速數(shù)據(jù)傳輸規(guī)格」這一范疇，但卻大大跳脫出了「移動(dòng)設(shè)備」這個(gè)框架。

　用途從移動(dòng)設(shè)備變成了汽車，理所當(dāng)然對傳輸距離的要求也大幅提升了。因此A-PHY在時(shí)鐘嵌入方式以外，還使用了去加重技術(shù)與均衡器技術(shù)、8B10B調(diào)制技術(shù)，使傳輸距離最長能延長到15m。每lane的數(shù)據(jù)傳輸速度最大為2Gbit/秒。并且，將來預(yù)計(jì)會(huì)在保持最長傳輸距離為15m的基礎(chǔ)上，將最大數(shù)據(jù)傳輸速度提升到每lane最大6Gbit/秒。

使用V-by-One HS來解決問題

　由此可見，MIPI的物理層規(guī)格現(xiàn)在已經(jīng)在當(dāng)初的D-PHY ver1.0上有了很大的進(jìn)步。但直到現(xiàn)在仍有不少用途仍在使用初期階段的D-PHY。

　D-PHY的最大數(shù)據(jù)傳輸速度在ver1.0時(shí)為1.0Gbit/秒、ver1.1的話則是1.5Gbit/秒；在普通用途上來說已經(jīng)算是足夠高的傳輸速度了。但其僅有幾十cm的傳輸距離在不同用途上就很難說是足夠長的。比如要使用MIPI D-PHY輸出的相機(jī)模組（MIPI相機(jī)）來構(gòu)建產(chǎn)業(yè)用IoT系統(tǒng)時(shí)：如果需要監(jiān)控果樹園內(nèi)的農(nóng)作物，就需要將攝像頭模組綁在果樹棚上，然后用連接線連接到放在地面上的SoC板上。此時(shí)如果物理層規(guī)格采用D-PHY的MIPI的話，其傳輸距離是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

　解決這個(gè)傳輸距離的問題的方法之一就是使用高速接口技術(shù)「V-by-One HS」。V-by-One HS的使用方法如下：首先，使用連接攝像頭模組的傳送器（送信）將對應(yīng)D-PHY規(guī)格的MIPI信號(hào)轉(zhuǎn)換成V-by-One HS信號(hào)。然后用以太網(wǎng)電纜等將這一信號(hào)傳輸，再通過安置于較遠(yuǎn)處的SoC板上連接的接收器（收信）IC將V-by-One HS信號(hào)再轉(zhuǎn)回至MIPI信號(hào)（圖1）。

圖2 V-by-OneHS IC應(yīng)用示例（行車記錄儀）

  V-by-One HS與MIPI一樣是一種采用低電壓振幅差動(dòng)傳輸技術(shù)的高速接口技術(shù)。但它與MIPI不同的是并不是專用于移動(dòng)設(shè)備上的，而是一種可以廣泛應(yīng)用的高速接口技術(shù)。它的電壓振幅在±600mV，采用的是時(shí)鐘嵌入方式；并且應(yīng)用了去加重技術(shù)與均衡器技術(shù)，因此其最大數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)每lane4Gbit/秒，傳輸距離最長可達(dá)約15m。因此能一下子解決對應(yīng)D-PHY規(guī)格的MIPI接口所有的傳輸距離問題。

易於使用的開發(fā)套件發(fā)表

　目前THine Electronics已2023年2月開始銷售可大幅延長MIPI相機(jī)信號(hào)傳輸距離的MIPI相機(jī)SerDes入門套件。該入門套件由SerDes 套件「THEVA24-RJ45-SET-V1」、指定的采集板「THEVA-GRABBER-V1」和「相機(jī)模組」三項(xiàng)產(chǎn)品組合而成（圖 2）。

圖1 　入門套件內(nèi)容和采集板

　遠(yuǎn)距離傳輸工具由送信板與收信板構(gòu)成。送信板上裝載了能將MIPI （MIPI CSI-2）信號(hào)轉(zhuǎn)換成V-by-One HS信號(hào)的傳送器（串行器）IC--「THCV241A」；而收信板上裝載的是可將V-by-One HS信號(hào)轉(zhuǎn)回成MIPI CSI-2信號(hào)的接收器（解串器）IC「THCV242」。

　「THEVA24-RJ45-SET-V1」包括相機(jī)端的Tx板、采集卡端的Rx板和以太網(wǎng)線。Tx板和Rx板裝載了THine Electronics的MIPI接口轉(zhuǎn)換SerDes芯片組 THCV241A-P（發(fā)送IC）和THCV242A-P（接收IC）。
有關(guān)此開發(fā)套件的更多資訊參見此處。

提供多種延長MIPI距離的IC

　目前THine Electronics在將符合D-PHY規(guī)格的MIPI CSI-2信號(hào)轉(zhuǎn)換成V-by-One HS信號(hào)并送信的傳送IC；以及將接收到的V-by-One HS信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合D-PHY規(guī)格的MIPI CSI-2信號(hào)并輸出的接收IC上準(zhǔn)備了7種產(chǎn)品（表2）。接下來讓我們分別介紹一下這些IC。
 
表2　對應(yīng)V-by-One HS與MIPI的傳送器/接收器IC

　3款傳送器IC分別為「THCV241A」、「THCV241A-P」與「THCV243」。THCV241A與THCV241A-P的MIPI CSI-2信號(hào)輸入均為4lane，V-by-One HS信號(hào)的輸出均為2lane。V-by-One HS信號(hào)的最大數(shù)據(jù)傳輸速度也均為4Gbit/秒，不同的是MIPI CSI-2信號(hào)的最大數(shù)據(jù)傳輸速度。THCV241A為最大1.2Gbit/秒，THCV241A-P則為最大1.5Gbit/秒。封裝均為實(shí)際面積是5mm×5mm的QFN40。

　THCV243的特征是封裝為實(shí)際面積僅有2.9mm×2.1mm的CSP35。因此更適用于小型攝像頭用途。MIPI CSI-2信號(hào)的輸入為最大4lane、V-by-One HS信號(hào)的輸出為1lane。MIPI CSI-2信號(hào)的最大數(shù)據(jù)傳輸速度は1.2Gbie/秒、V-by-One HS信號(hào)則為最大4G/秒。

　4款接收器IC則分別為「THCV242A」、「THCV242A-P」與「THCV244A」、「THCV244A-QP」。THCV242A與THCV242A-P的V-by-One HS信號(hào)輸入均為2lane，MIPI CSI-2信號(hào)的輸出均為4lane。V-by-One HS信號(hào)的最大數(shù)據(jù)傳輸速度均為4Gbit/秒，不同的是MIPI CSI-2信號(hào)的最大數(shù)據(jù)傳輸速度。THCV242A為最大1.2Gbit/秒，THCV242A-P則為最大1.5Gbit/秒。

　THCV244A與THCV244A-QP的特征是V-by-One HS信號(hào)的輸入為4lane。因此更適用于汽車的環(huán)視等有多個(gè)攝像頭拍攝的用途上。這兩款的V-by-One HS信號(hào)的最大傳輸速度也為4G/秒，MIPI CSI-2信號(hào)的最大數(shù)據(jù)傳輸速度則THCV244A為1.2Gbit/秒；THCV244A-QP為1.49Gbit/秒。
   4款產(chǎn)品的封裝均為實(shí)際面積是9mm×9mm的QFN64。
 

注意：文中涉及的各個(gè)企業(yè)名稱、產(chǎn)品名稱等都是其各自所有者的商標(biāo)或注冊商標(biāo)。

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