Les interfaces pour la vidéo numérique

Dans ce chapitre nous présentons les standards de communication les plus utilisés en vidéo numérique puis les choix que nous avons effectués en fonction de leurs avantages et inconvénients respectifs.

3.2.4.1 L’interface USB

L’interface USB (Universal Serial Bus : Bus série universel) est, comme son nom l'indique, basé sur une architecture de type série [Informatique_enc]. Il s'agit toutefois d'une interface entrée-sortie beaucoup plus rapide que les ports série standards. L'architecture qui a été retenue pour ce type de port est en série pour deux raisons principales :

- l'architecture série permet d'utiliser une cadence d'horloge beaucoup plus élevée qu'une interface parallèle (dans une architecture à haut débit, les bits circulant sur chaque fil arrivent avec des décalages, provoquant des erreurs).

- les câbles série coûtent beaucoup moins cher que les câbles parallèles.

- Les connecteurs sont plus simples et plus compacts.

Le standard USB 1.0 propose deux modes de communication :

• 12 Mb/s en mode haute vitesse.

• 1.5 Mb/s à basse vitesse.

La norme USB 2.0 permet elle d'obtenir des débits pouvant atteindre 480 Mbit/s.

Fonctionnement du bus :

L’architecture USB a pour caractéristique de fournir l’alimentation électrique aux périphériques qu’elle relie, dans la limite de 15 W maximum par périphérique.

Elle utilise pour cela un câble composé de quatre fils (la masse GND, l’alimentation VBUS et deux fils de données appelés D- et D+) (figure 3-4).

Figure 3-4 : le câble USB.

La norme USB permet le chaînage des périphériques, en utilisant une topologie en bus ou en étoile. Les périphériques peuvent alors être soit connectés les uns à la suite des autres, soit ramifiés.

Les ports USB supportent le Hot plug and play. Ainsi, les périphériques peuvent être branchés sans éteindre l’ordinateur (branchement à chaud, en anglais hot plug). Lors de la connexion du périphérique à l’hôte, ce dernier détecte l’ajout du nouvel élément grâce au changement de la tension entre les fils D+ et D-. A ce moment, l’ordinateur envoie un signal d’initialisation au périphérique pendant 10 ms, puis lui fournit du courant grâce aux fils GND et VBUS (jusqu’à 100mA). Le périphérique est alors alimenté en courant électrique et récupère temporairement l’adresse par défaut (l’adresse 0). L’étape suivante consiste à lui fournir son adresse définitive (c’est la procédure d’énumération). Pour cela, l’ordinateur interroge les périphériques déjà branchés pour connaître la leur et en attribue une nouvelle au nouveau périphérique, qui en retour s’identifie. L’hôte, disposant de toutes les caractéristiques nécessaires est alors en mesure de charger le pilote approprié. Ce type de bus, bien que simple dans son utilisation, est assez complexe à mettre en œuvre pour les développeurs.

3.2.4.2 L’interface Firewire (IEEE 1394)

Le bus IEEE 1394 a été mis au point à la fin de l’année 1995 afin de fournir un système d’interconnexion permettant de faire circuler des données à haute vitesse en temps réel. La société Apple lui a donné le nom commercial « Firewire » [Informatique_enc]. Sony lui a également donné le nom commercial de (i. Link), tandis que Texas Instrument lui a préféré le nom de Lynx. Il s'agit d'un port, équipant certains ordinateurs, permettant de connecter des périphériques (notamment des caméras numériques) à très haut débit. Il existe ainsi des cartes d'extension (généralement au format PCI ou Carte PC/PCMCIA ) permettant de doter un ordinateur de connecteurs Firewire.

Les normes Firewire :

Norme Débit théorique IEEE 1394a

IEEE 1394a-S100 100 Mbit/s IEEE 1394a-S200 200 Mbit/s IEEE 1394a-S400 400 Mbit/s IEEE 1394b

IEEE 1394b-S800 800 Mbit/s IEEE 1394b-S12001200 Mbit/s IEEE 1394b-S16001600 Mbit/s IEEE 1394b-S32003200 Mbit/s Tab 3-1 : les normes Firewire.

La norme IEEE 1394b est également appelée Firewire 2 ou Firewire Gigabit.

Fonctionnement du bus Firewire :

Le bus Firewire ou IEEE 1394 suit à peu près la même structure que le bus USB, si ce n’est qu’il utilise un câble composé de six fils (deux paires pour les données et pour l’horloge, et deux fils pour l’alimentation électrique) lui permettant d’obtenir un débit de 800 Mb/s (il devrait atteindre prochainement 1.6 Gb/s, voire 3.2 Gb/s à plus long terme). Ainsi, les deux fils dédiés à une horloge montrent la différence majeure qui existe entre le bus USB et le bus IEEE 1394, c'est-à-dire la possibilité de fonctionner selon deux modes de transfert :

• le mode de transfert asynchrone : Le mode de transfert asynchrone est basé sur une transmission de paquets à intervalles de temps variables. Cela signifie que l’hôte envoie un paquet de données et attend de recevoir un accusé de réception du périphérique. Si l’hôte reçoit un accusé de réception, il envoie le paquet de données suivant, sinon le paquet est à nouveau réexpédié au bout d’un temps d’attente.

• le mode isochrone : Le mode de transfert isochrone permet l’envoi de paquets de données de taille fixe à intervalles de temps réguliers. Un nœud, appelé Cycle Master est chargé d'envoyer un paquet de synchronisation

(appelé Cycle Start packet) toutes les 125 microsecondes. De cette façon aucun accusé de réception n’est nécessaire, ce qui permet de garantir un débit fixe. De plus, étant donné qu’aucun accusé de réception n’est nécessaire, l’adressage des périphériques est simplifié et la bande passante économisée permet de gagner en vitesse de transfert.

En terme de mise en œuvre, côté développeurs, le bus IEEE 1394 présente les mêmes inconvénients que l’USB et bien qu’il existe des circuits d’interface spécialisés, il nécessite l’utilisation d’un processeur pour la configuration et la gestion des transferts de données.

3.2.4.3 L’interface Camera Link

Ce nouveau type d’interface, destiné à la vision industrielle, a vu le jour en Octobre 2000. Mise au point par un consortium de fabricants de caméras et de cartes d'acquisition d'images industriels/scientifiques, dirigé par PULNix American, Inc., la norme Camera Link™ permet, dans sa configuration de base, une transmission des données sur 5 paires différentielles LVDS (4 data + 1 horloge) ainsi qu'un pilotage de la caméra et des communications série asynchrones (4 signaux + 2 lignes séries) avec le même câble.

Cette interface est basée sur la technologie « Channel Link » développée par National Semiconductors » qui consiste en un multiplexage 7 => 1 de 28 bits.

Figure3-5 : technologie Channel Link.

Elle offre de nombreuses possibilités selon le nombre de composants

« Channel Link » utilisés (configurations Base, Medium et Full) qui permettent d’utiliser des caméras monochromes ou couleurs, haute ou basse résolution sans dégrader la vitesse de transfert des données. La configuration dite de base qui prédomine le marché offre un débit de 2,3 Gbits/s et on peut théoriquement atteindre 4,76 Gbits/s dans la configuration Medium et 7,14 Gbits/s dans la configuration Full.

Comparativement aux interfaces précédentes, la connectique et les câbles de l’interface Camera Link sont plus coûteux et plus encombrants mais elle offre l’avantage d’être « transparente » pour le développeur : elle est purement matérielle et ne nécessite pas la mise en œuvre de microcontrôleurs pour son initialisation et sa gestion. C’est la raison pour laquelle nous l’avons retenue pour la première phase du projet PICASSO.

3.2.5 Constitution du banc