THine Value 高速接口规格「MIPI」是什么？跳出移动设备的框架，适用于汽车上

2023.08.03
  • 文章
  • 专栏
　现在的电子设备上使用了各种各样的高速接口技术。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术被广泛使用，但也有一些消费者很少有认知的技术。 它就是MIPI（Mobile Industry Processor Interface）。 MIPI是2008年制定的高速接口规格， 历史比较悠久。 但绝大多数消费者都表示：“我知道USB、Thunderbolt和HDMI，但不知道MIPI。”

　为什么呢？这是因为MIPI是用于手机和智能手机等移动设备内部连接摄像头与SoC或SoC与显示器之间的图像信号的接口规格；也就是说是不会输出到一般消费者接触得到的设备外部的。所以我们就会对它比较陌生。

　MIPI在移动设备用途以外的市场中也正在迅速普及和扩张。MIPI 能对应智能手机相机的高分辨率需求，也能对应多种高分辨率传感器。近年来，由于非移动设备的內置相机系统对高分辨率的需求不断增加，有越来越多的应用也都在探讨使用MIPI。
  这次我们就来看看MIPI的规格和特征吧。

从特有的移动设备标准开始

　MIPI是一种使用 LVDS等中使用的低电压振幅差动传输技术来实现高速数据传输的。 但有几点需要注意。 那就是定义数据传输速度和传输方式的物理层（PHY）规格不止一种。其实，单就MIPI来说都存在着多种规格。

　2008年制定的第一個物理（PHY）層规格是「D-PHY ver1.0」，其最高数据传输速度为每lane 1 Gbit/秒（表1）。D-PHY ver1.0 是一个针对移动设备优化的规格。 优化的点有两个：一是简单性，二是低消耗电力。
 
表１　MIPI的物理层规格


　
  第一个简单性是通过采用将不同信号线上的数据信号与时钟信号分别传输来实现的。 当传输距离较长时，这种时钟分别传输方式就会由于信号线的长度与特性的不同容易发生变形；以及在数据信号与时钟信号到达接收器（收信）IC的时间上会有偏差。最坏的情况下，就会发生传输错误。 但移动设备内部的信号传输就不需要较长的传输距离。实际上，D-PHY ver1.0的可传输距离大致也就是几十cm左右。 可以说因为比起传输距离来说更重要的是简单性，所以决定采用适中分别传输方式。

　第二的低消耗电力是通过将差动信号的电压振幅控制在±200mV内来实现的。LVDS则是350mV，因此算下来大致是将电压振幅削减到了4/7，降低了消耗电力。当然，缩小电压振幅会使数据信号传输距离变短；但正如前所述，MIPI是在移动设备内部的信号传输上使用的，不需要较长的传输距离。

为车载用途引入物理层规格

　如前面所述，MIPI规格包含多个物理层规格。 例如，D-PHY ver1.0 目前升級为「D-PHY ver3.0」。 D-PHY ver3.0与D-PHY ver1.0一样采用差动传输的信号幅度与时钟分别传输的方式，但加入了去加重和均衡器的技术，使最大数据传输速度提升至每lane 9Gbit/秒。

　此外，还有将传输方式从时钟分别传输方式改成了时钟嵌入方式的「C-PHY」与「M-PHY」这两种规格。C-PHY是适用于智能手机以及监控摄像头与无人机等的物理层规格。其最大特征为采用了时钟嵌入方式以3个值的传输方式，可将最大传输速度提升到每lane 6Gbit/秒。

　M-PHY则是适用于移动设备内部的处理器间通信（IPC：Inter Processor Communication）的物理规格。它使用了均衡器技术以及8B10B调制技术等，可与C-PHY一样将最大数据传输速度提升到每lane 6Gbit/秒。

　D-PHY ver3.0与C-PHY、M-PHY都是面向MIPI的目标用途也就是移动设备用途的。采用新的传输技术提高最大数据传输速度，使其在移动设备范围中成为一种可对应新的使用方式的规格。

　但是2020年9月，一个明显偏离这一目标的规格被制定了。这就是面向汽车用途的物理层规格「A-PHY」。这是一个用于汽车内部的摄像头与显示器之间的数据传输用的规格。虽然它仍属于「设备内部的高速数据传输规格」这一范畴，但却大大跳脱出了「移动设备」这个框架。

　用途从移动设备变成了汽车，理所当然对传输距离的要求也大幅提升了。因此A-PHY在时钟嵌入方式以外，还使用了去加重技术与均衡器技术、8B10B调制技术，使传输距离最长能延长到15m。每lane的数据传输速度最大为2Gbit/秒。并且，将来预计会在保持最长传输距离为15m的基础上，将最大数据传输速度提升到每lane最大6Gbit/秒。

使用V-by-One HS来解决问题

　由此可见，MIPI的物理层规格现在已经在当初的D-PHY ver1.0上有了很大的进步。但直到现在仍有不少用途仍在使用初期阶段的D-PHY。

　D-PHY的最大数据传输速度在ver1.0时为1.0Gbit/秒、ver1.1的话则是1.5Gbit/秒；在普通用途上来说已经算是足够高的传输速度了。但其仅有几十cm的传输距离在不同用途上就很难说是足够长的。比如要使用MIPI D-PHY输出的相机模组（MIPI相机）来构建产业用IoT系统时：如果需要监控果树园内的农作物，就需要将摄像头模组绑在果树棚上，然后用连接线连接到放在地面上的SoC板上。此时如果物理层规格采用D-PHY的MIPI的话，其传输距离是远远不够的。

　解决这个传输距离的问题的方法之一就是使用高速接口技术「V-by-One HS」。V-by-One HS的使用方法如下：首先，使用连接摄像头模组的传送器（送信）将对应D-PHY规格的MIPI信号转换成V-by-One HS信号。然后用以太网电缆等将这一信号传输，再通过安置于较远处的SoC板上连接的接收器（收信）IC将V-by-One HS信号再转回至MIPI信号（图1）。
　                                                                     图2 V-by-OneHS IC应用示例（行车记录仪）

  V-by-One HS与MIPI一样是一种采用低电压振幅差动传输技术的高速接口技术。但它与MIPI不同的是并不是专用于移动设备上的，而是一种可以广泛应用的高速接口技术。它的电压振幅在±600mV，采用的是时钟嵌入方式；并且应用了去加重技术与均衡器技术，因此其最大数据传输速度高达每lane4Gbit/秒，传输距离最长可达约15m。因此能一下子解决对应D-PHY规格的MIPI接口所有的传输距离问题。

易於使用的开发套件发表

　目前THine Electronics已2023年2月开始销售可大幅延长MIPI相机信号传输距离的MIPI相机SerDes入门套件。该入门套件由SerDes 套件「THEVA24-RJ45-SET-V1」、指定的采集板「THEVA-GRABBER-V1」和「相機模組」三項產品組合而成（圖 2）。
图1 　入门套件內容和采集板

　远距离传输工具由送信板与收信板构成。送信板上装载了能将MIPI （MIPI CSI-2）信号转换成V-by-One HS信号的传送器（串行器）IC--「THCV241A」；而收信板上装载的是可将V-by-One HS信号转回成MIPI CSI-2信号的接收器（解串器）IC「THCV242」。

　「THEVA24-RJ45-SET-V1」包括相机端的Tx板、采集卡端的Rx板和以太网线。Tx板和Rx板装载了THine Electronics的MIPI接口转换SerDes芯片组 THCV241A-P（发送IC）和THCV242A-P（接收IC）。
有关此开发套件的更多资讯参见此处。  

提供多种延长MIPI距离的IC

　目前THine Electronics在将符合D-PHY规格的MIPI CSI-2信号转换成V-by-One HS信号并送信的传送IC；以及将接收到的V-by-One HS信号转换成符合D-PHY规格的MIPI CSI-2信号并输出的接收IC上准备了7种产品（表2）。接下来让我们分别介绍一下这些IC。
 
表2　对应V-by-One HS与MIPI的传送器/接收器IC

　3款传送器IC分别为「THCV241A」、「THCV241A-P」与「THCV243」。THCV241A与THCV241A-P的MIPI CSI-2信号输入均为4lane，V-by-One HS信号的输出均为2lane。V-by-One HS信号的最大数据传输速度也均为4Gbit/秒，不同的是MIPI CSI-2信号的最大数据传输速度。THCV241A为最大1.2Gbit/秒，THCV241A-P则为最大1.5Gbit/秒。封装均为实际面积是5mm×5mm的QFN40。

　THCV243的特征是封装为实际面积仅有2.9mm×2.1mm的CSP35。因此更适用于小型摄像头用途。MIPI CSI-2信号的输入为最大4lane、V-by-One HS信号的输出为1lane。MIPI CSI-2信号的最大数据传输速度は1.2Gbie/秒、V-by-One HS信号则为最大4G/秒。

　4款接收器IC则分别为「THCV242A」、「THCV242A-P」与「THCV244A」、「THCV244A-QP」。THCV242A与THCV242A-P的V-by-One HS信号输入均为2lane，MIPI CSI-2信号的输出均为4lane。V-by-One HS信号的最大数据传输速度均为4Gbit/秒，不同的是MIPI CSI-2信号的最大数据传输速度。THCV242A为最大1.2Gbit/秒，THCV242A-P则为最大1.5Gbit/秒。

　THCV244A与THCV244A-QP的特征是V-by-One HS信号的输入为4lane。因此更适用于汽车的环视等有多个摄像头拍摄的用途上。这两款的V-by-One HS信号的最大传输速度也为4G/秒，MIPI CSI-2信号的最大数据传输速度则THCV244A为1.2Gbit/秒；THCV244A-QP为1.49Gbit/秒。
   4款产品的封装均为实际面积是9mm×9mm的QFN64。