Встраиваемые компьютеры, развлечения и реклама

Последовательная цифровая гигабитная магистраль GigaSTaR и CompactPCI-компьютеры открывают новую эру массовых информационных и развлекательных систем

Когда мы говорим о встраиваемых компьютерных технологиях, как правило, мы имеем в виду их применение в промышленности, телекоммуникациях, военной сфере и т. п. Но эти технологии широко применяются еще в одной интересной области. В нашей статье речь пойдет о способе построения систем Infotainment на основе технологии GigaSTaR.

Сам термин “Infotainment” появился на Западе в конце прошлого века и в переводе на русский язык означает нечто вроде публичной информационно-развлекательной системы. Предшественниками таких систем можно считать телевизоры, подвешенные в зданиях железнодорожных вокзалов и аэропортов, а также в высококлассных туристических автобусах и авиалайнерах с целью информирования и развлечения пассажиров.

Рассмотрим задачу построения Infotainment-системы в практической плоскости. Пусть это будет, например, туристический автобус, каждое пассажирское место которого необходимо оснастить персональными дисплеями для отображения некой информации, дополняющей рассказ экскурсовода, и воспроизведения DVD-фильмов во время переездов.

Чтобы пассажиры не вывернули себе шеи, дисплеи желательно разместить не на потолке, а вмонтировать в спинки впередистоящих кресел на уровне лица. Поскольку каждому пассажиру предназначается персональный дисплей, размер оного может быть небольшим, скажем, 12 дюймов, разрешение - не менее 640х480, а лучше 800х600 пикселов. Общее количество дисплеев должно соответствовать количеству сидящих пассажиров, то есть для автобуса - около 50 штук, для пригородного поезда - 500-600, а то и больше.

Если же мы хотим облегчить нелегкий труд народных избранников и оборудовать каждое рабочее место зала заседаний Государственной Думы своим дисплеем, то требуется 450 точек отображения. К тому же желательно каждое место оснастить средствами обратной связи, потребовав, например, чтобы каждый дисплей имел функцию Touch Screen. Тогда, ткнув пальчиком в нарисованную кнопку “За”, “Против”, “Мне все равно” или “Отключите ему микрофон, наконец!”, депутат сможет выразить чаяния своих избирателей.

Для построения таких систем нужны цифровые линии связи и плоские TFT-мониторы.

В последние годы рынок цифровых LCD-дисплеев растет экспоненциально. Качество изображения даже больших плоских 21-дюймовых TFT-мониторов обеспечивает ясную, насыщенную картинку при полном отсутствии мерцания и больших углах обзора. Цены же постоянно снижаются и уже сейчас выглядят довольно привлекательно. Годовое увеличение объемов продаж в мире приближается к 25%, при этом у таких лидеров в этой области, как Samsung, Philips или Fujitsu, эти показатели превышают 40%, не в последнюю очередь благодаря востребованности цифровых дисплеев в набирающем силу секторе рынка систем Infotainment.

Преимущества TFT-панелей очевидны. По сравнению с мониторами на электронно-лучевых трубках они гораздо меньше и прочнее, не имеют высоковольтных цепей, не излучают радиацию и высокочастотные помехи и поэтому могут быть установлены практически в любом месте.

Дополнительное преимущество - полностью цифровой интерфейс, как правило, параллельный 40 бит с уровнями ТТЛ (пиксельная информация, синхроимпульсы данных, кадровая и строчная синхронизация и линии выборки).

Как ни странно, тот факт, что изображение должно быть идентичным на всех мониторах, нам никак не помогает, если мониторов требуется больше четырех и расстояние между ними должно превышать 20 метров. Просто подключить любое количество дисплеев к одному компьютеру не удается в силу технических ограничений.

Для реализации систем, удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям, приходится каждому дисплею предоставить собственный компьютер. Совокупность компьютера и цифрового дисплея известна под названием панельного PC. Соединив нужное количество панельных PC в локальную сеть, можно получить искомый результат. Однако такое решение кроме очевидной дороговизны имеет еще ряд существенных недостатков, которые могут привести к полной неработоспособности всей системы либо к непомерно высокой стоимости эксплуатации и обслуживания.

К недостаткам систем с использованием панельных РС можно причислить:

• увеличенные габариты панельных компьютеров по сравнению с отдельными дисплеями;
• пониженную надежность каждого отдельного узла и системы в целом из-за большого числа критически важных компонентов с малыми сроками жизни и из-за общей сложности устройств;
• невысокую устойчивость к внешним воздействиям, таким, как повышенная вибрация и удары, колебания температур, влажность, электромагнитные помехи и т. д.;
• зависимость функциональных характеристик от используемой операционной системы;
• необходимость лицензионных отчислений за каждую копию операционной системы и другого ПО, установленного на каждом панельном PC;
• сложность организации кабельных коммуникаций и необходимость применения таких дополнительных компонентов, как концентраторы, маршрутизаторы и т. д.;
• проблемы сетевого управления IP-адресами, связанные с перестановкой вагонов при формировании подвижного состава на железной дороге.

Такую систему можно рассматривать как полноценную локальную компьютерную сеть со всеми сопутствующими неприятностями вроде потребности в высококвалифицированном сетевом администраторе, в чьи обязанности входил бы постоянный контроль за функционированием.

Так что же это за технические ограничения, которые не позволяют просто подключить к одному компьютеру сотню-другую плоских цифровых TFT-панелей, растянув вереницу на пару километров? Неужели нельзя эти ограничения обойти и избавиться от головной боли, органично присущей Infotainment-системе на базе панельных РС?

Проблема в том, что для передачи графической информации от компьютера на дисплей в последовательном цифровом виде необходима исключительно высокая скорость передачи данных: графика в режиме XGA (разрешение 1024х768, 18 бит на пиксел и частота вертикальной развертки 60 Гц) потребует пропускной способности канала около 150 Мб/с (1,2 Гбит/с). Если же иметь в виду тот самый параллельный 40 бит ТТЛ-интерфейс, то такие физические явления, как расфазировка, дрожание фронтов и отражение импульсов, ограничивают максимально возможную длину плоского многожильного кабеля тридцатью сантиметрами.

Чтобы преодолеть тесные рамки близких взаимоотношений видеоподсистемы компьютера и цифрового дисплея и не опошлять их переводом в аналоговый формат, были разработаны новые цифровые стандарты на такие сопряжения. Широкое распространение получил стандарт DVI (Digital Visual Interface - цифровой интерфейс для устройств визуализации), который частично использует преимущества метода последовательной передачи данных. До 40 входных линий параллельной шины мультиплексируется в четыре последовательных канала и передается в синхронном виде. Вместе с другими методами, такими, как LVDS (Low Voltage Differential Signals - передача низковольтных дифференциальных сигналов), и специальными алгоритмами оптимизации TMDS (Transition Minimized Differential Signaling - дифференциальная передача данных с минимизацией переключений) это дает возможность увеличить максимальное расстояние между видеоконтроллером и дисплеем до 5-10 метров в зависимости от качества соединительного кабеля. Но из-за того, что природа этих коммуникационных методов все равно остается параллельной, те же физические эффекты (расфазировка и потеря синхронизации из-за дрожания импульсов) при длине кабеля, превышающей указанную величину, пагубно сказываются на качестве изображения.

Неужели все так плохо и у нас нет шансов создать простую, надежную в эксплуатации, не требующую постоянного обслуживания и сравнительно недорогую систему для просвещения и развлечения страждущего населения? Изящное решение предлагает технология GigaSTaR немецкой фирмы Inova.

Что такое GigaSTaR?

Чтобы преодолеть все ограничения, связанные с параллельной (или квазипоследовательной) передачей данных, информация обо всех пикселах изображения вместе с синхроимпульсами должна передаваться по единственной паре проводников, т. е. необходимо реализовать полностью последовательную схему передачи данных. В сравнении с квазипоследовательными методами (такими, как DVI) двухпроводная система имеет явные преимущества, когда дело доходит до организации сетевых подключений. Дело не только в более простых схемах межсоединений и дешевом кабеле. Важно то, что при необходимости покрытия больших, чем может обеспечить медный кабель, расстояний переход на оптоволоконные линии связи не будет сложным делом.

Основанная на разработанных фирмой Inova Semiconductors и производимых в коммерческих масштабах микросхемах GigaSTaR (Gigabit/s Serial Transmitter and Receiver - гигабитные последовательные передатчик и приемник), высокостабильная скоростная последовательная магистраль передачи данных, имеющая прозрачный 36-разрядный параллельный интерфейс, устраняет все принципиальные ограничения. При подключении цифровых TFT-дисплеев с использованием этой технологии дисплей можно удалять от видеоконтроллера (оснащенного передатчиком GigaSTaR) на расстояния до 100 метров без повторителей и усилителей при использовании медного кабеля и до 500 метров - на оптоволоконном кабеле с многомодовым волокном. Стандартные дешевые девятиконтактные разъемы D-Sub, аналогичные тем, которые применяются в офисных компьютерах для COM-портов, используются для подключения медного кабеля. Специальная техника балансировки по постоянному току позволяет подключать стандартные оптические гигабитные приемопередатчики без всякого дополнительного преобразования сигналов (рис. 1). Дифференциальный CML-выход (Current Mode Logic - токовый режим логики) передатчика обеспечивает развязанный по постоянному току (через пару конденсаторов) прямой интерфейс с STP-кабелем (Shielded-Twisted-Pair - экранированный с витыми парами) или модулем оптического трансивера. Дифференциальная форма передачи сигнала и развязка по постоянному току особенно важны, когда речь идет о больших расстояниях между передатчиком и приемником, поскольку в этом случае не возникают проблемы с токами утечки и заземлением.

Рис.1. Преобразование данных параллельной 36-разрядной шины в последовательный поток передатчиком GigaSTaR INGT165B и передача их по STP-кабелю на приемник INGR165B с последующим преобразованием обратно в параллельный код

Исключительно стабильная и надежная связь (типичный уровень ошибок 10-14) обеспечивается при низких уровнях собственных излучений и устойчивости к внешним помехам даже в очень зашумленных цифровых системах и тяжелых индустриальных условиях. Высокая помехоустойчивость достигается благодаря тому, что работающий обычно в условиях сильных помех логический системный интерфейс физически отделен от чувствительных аналоговых высокочастотных цепей. Для микросхем приемника и передатчика применена комбинированная технология: параллельный интерфейс выполнен по технологии КМОП, а радиочастотные схемы преобразователя параллельного кода в последовательный и сопряжения с кабелем передачи данных - по биполярной; оба чипа заключены в единый пластиковый BGA-корпус размером 12х12 мм.

Основные характеристики GigaSTaR (микросхемы передатчика INGT165B и приемника INGR165B):

• 36 бит 33 МГц параллельный интерфейс с уровнями 3,3 В КМОП;
• полезная пропускная способность - до 1,188 Гбит/с;
• общая скорость передачи данных, включая служебную информацию, - 1,32 Гбит/с;
• внутренний ФАПЧ-синхрогенератор передатчика и восстановление синхроимпульсов на стороне приемника;
• интегрированный кодер для балансировки выходного потока последовательных данных по постоянному току (такая балансировка необходима для сопряжения по переменному току по медным кабелям и для модулей оптических приемопередатчиков);
• интегрированный кабельный эквалайзер (для приемника);
• встроенная проверка по четности;
• малые задержки - 40 нс на устройство (приемник или передатчик);
• дифференциальные токовые CML-сигналы с малым размахом амплитуды для последовательного канала передачи данных;
• высокая помехоустойчивость, низкий уровень ошибок;
• прямой интерфейс с 50/100 Ом медными кабелями и модулями оптических приемопередатчиков;
• возможность параллельной работы нескольких передатчиков и приемников для увеличения полезной пропускной способности канала с кратностью 1,188 Гбит/с;
• единое напряжение питания +3,3 В;
• небольшая рассеиваемая мощность (1 Вт на устройство);
• эксплуатация при температуре окружающей среды от -40 до +85 °C;

Детальную информацию по микросхемам комплекта GigaSTaR и разнообразным модулям на их основе можно найти на сайте компании Inova Semiconductors.

В традиционных методах передачи данных тактовые импульсы передаются синхронно с информацией о пикселах изображения. Вместо этого в концепции GigaSTaR каждый передатчик вырабатывает свои собственные синхроимпульсы, не связанные с внешней синхронизацией входного потока данных. Таким образом устраняется эффект накапливания фазовых перекосов и джиттера (дрожания фронтов сигналов). Это поистине замечательное свойство позволяет использовать любое количество повторителей, а значит, получить любую общую длину линии связи.

Поскольку повторитель представляет собой пару приемник - передатчик, соединенные между собой параллельной шиной, то он по совместительству может служить для подключения TFT-дисплея (рис. 2). Поэтому общее максимальное количество дисплеев в системе также ничем не ограничено - без потерь в надежности связи и качестве изображения!

Рис. 2. Распределенная дисплейная система с использованием повторителей GigaSTaR и сегментов с оптоволоконным и медным кабелем

Приемник GigaSTaR автоматически восстанавливается после ошибок передачи, которые могут быть вызваны, например, проблемами с контактами. Значит, нет никакой нужды в определении состояний “потери синхронизации” с последующим обязательным перезапуском сеанса передачи, как при эксплуатации синхронных каналов связи. Например, при обрыве связного кабеля вы просто восстанавливаете контакт и изображение появляется вновь - никаких перезапусков или перезагрузок не требуется.

С точки зрения видеоадаптера компьютера и подключенных к нему дисплеев все устройства GigaSTaR являются просто куском провода (но интеллектуальным!) - никакого протокола передачи данных!

Используя кодеры - декодеры на программируемых логических матрицах (ПЛМ) и трансиверы GigaSTaR, можно легко создавать последовательные полнодуплексные каналы связи не только для видеоинформации, но вообще для любых цифровых данных одновременно от многих источников, то есть многоканальные уплотненные каналы связи (рис. 3).

Рис. 3. Двухсторонний канал последовательной передачи данных для потоков видео- и аудиоданных, а также другой цифровой информации произвольного вида

Совершенно очевидно, что область применения GigaSTaR не ограничивается распределенными дисплейными системами. Эту технологию можно использовать в высокопроизводительных системах сканирования и печати, безопасности и видеонаблюдения, видеосерверах, каналах связи с устройствами массового хранения информации, расширителях компьютерных шин PCI/Compact PCI и мостах PCI/Compact PCI - VME, высокоскоростных и многоканальных системах формирования и воспроизведения изображений, суперкомпьютерах c транспьютерной архитектурой, интерфейсах человек-машина, в телекоммуникационных коммутаторах, робототехнике, высокоскоростных датчиках и исполнительных механизмах, в медицинской технике, в АСУ ТП и оборудовании конвейерных линий и еще многих областях.

На ней базирует свои разработки немецкая фирма Inova Computers, являющаяся материнской компанией Inova Semiconductors и специализирующаяся на создании компьютерного оборудования в формате 3U Compact PCI.

Компьютеры в этом магистрально-модульном стандарте, с точки зрения программиста и пользователя, являются обычными офисными машинами. С конструктивной точки зрения - жесткая евромеханика допускает применение оборудования CompactPCI в условиях промышленного производства, подвижного состава железнодорожного транспорта, в автомобильной, речной, морской, подводной, авиационной и космической технике гражданского и военного назначения. Она работает при повышенной вибрации и ударах, при температурах от -40 до +85 °C, высокой влажности, электромагнитных помехах и так далее.

Перечислим, какие основные компоненты необходимы для построения систем Infotainment.

Компьютер

Достаточно мощный современный компьютер на базе Pentium III 500-850 МГц и выше с 256 Мб оперативной памяти. Для установки на транспортных средствах должна быть предусмотрена возможность питания от источника постоянного тока 12-24 В, желательно наличие встроенного ИБП для защиты от кратковременных скачков напряжения. Для применения на железнодорожном транспорте необходима соответствующая сертификация.

Можно использовать любой промышленный компьютер формата Compact PCI, удовлетворяющий указанным требованиям.

Видеоконтроллер, оснащенный передатчиками GigaSTaR

Хорошо, если этот контроллер будет обладать возможностью аппаратного декодирования видеопотоков MPEG2 для воспроизведения DVD. Для создания законченных мультимедийных систем желательно также наличие аудиоконтроллера и контроллера промышленной шины передачи данных для диагностики удаленных дисплеев, управления их подсветкой и подключения устройств типа Touch Screen, манипуляторов и других координатно-указательных устройств.

Комбинированная мультимедийная плата ICP-MMEDIA, выпускаемая Inova Computers, имеет графический процессор ATI RadeonVE, обеспечивающий разрешение до 2048х1536 пикселов при 16 битах (65 тысяч цветовых оттенков) и до 1920х1200 пикселов при 24 битах (16 миллионов цветов), а также два передатчика GigaSTaR. Помимо двух девятиконтактных разъемов для подключения медных STP-кабелей имеется выход на обычный VGA либо локальный жидкокристаллический цифровой монитор с интерфейсом DVI (PanelLink - цифровая часть спецификации DVI). При необходимости может быть реализован выход телевизионного сигнала в стандартах PAL, SECAM или NTSC через разъем BNC.

Звуковая часть ICP-MMEDIA реализована на основе чипсета Crystal 4614/4297, который обеспечивает двухканальное 20-разрядное цифроаналоговое и 18-разрядное аналого-цифровое преобразование, на передней панели расположены разъемы типа “chinch” для линейного стереовхода и выхода.

Контроллер промышленной шины CAN выполнен в виде мезонинного модуля на базе микросхемы Infineon C167 компании Siemens и может быть установлен при необходимости. Сама шина выведена на те же разъемы, что и передатчики GigaSTaR, и это позволяет использовать вторую витую пару того же STP-кабеля.

В тех случаях, когда достаточно иметь лишь передатчик GigaSTaR (один или два), Inova предлагает использовать свой одноплатный 3U Compact PCI-компьютер ICP-PIII на базе Pentium III или Celeron 400-1200 МГц, на который можно установить специальные мезонинные модули GigaSTaR - IBP-GS (одноканальный) или IPB-GS-MLINK (двухканальный).

Приемники и повторители GigaSTaR

Повторитель-приемник IPB-GS-Repeater “Revoluzzer” поставляется в нескольких конфигурациях. Так, для случая, когда требуется только один удаленный дисплей (или этот узел является последним в цепочке), можно взять упрощенный вариант с приемником GigaSTaR. Если же требуются два дисплея, но расположенные на расстоянии не более 5 метров друг от друга, один из дисплеев будет подключаться к приемнику через TFT-разъем, а второй можно разместить на некотором удалении и подключить через интерфейс PanelLink. Для многодисплейных систем применяются повторители, содержащие как приемник, так и передатчик GigaSTaR. Контроллер CAN является опцией, и для тех систем, где он нужен, все необходимые элементы будут интегрированы прямо на плате повторителя. Полная версия IPB-GS-Repeater содержит приемник и передатчик GigaSTaR, интерфейс PanelLink, контроллер CAN и источники питания +3,3 В и +5 В для обеспечения TFT-панели питающими напряжениями. Сам повторитель обычно устанавливается в непосредственной близости к дисплею или под его кожухом. Ток потребления - 350 мА (без CAN) или 450 мА (с CAN) от внешнего источника 12 В постоянного тока. Среднее время безотказной работы для IPB-GS-Repeater превышает 1,5 млн. часов!

TFT-дисплеи

TFT-дисплеи могут быть самыми разнообразными. Для многих продуктов Samsung, Toshiba, Sharp и Philips имеются адаптеры разъемов сопряжения (поскольку шлейфы подключения не идентичны у разных производителей TFT-дисплеев).

Однако для системных интеграторов и производителей комплектного оборудования Inova производит уже готовые так называемые мастер- (ведущие) и слэйв- (ведомые) дисплеи. В мастер-дисплеи на заводе предустанавливаются повторители GigaSTaR с дополнительным интерфейсом PanelLink. Именно к этому интерфейсу подключаются на расстоянии до 5 метров ведомые дисплеи.

Номенклатуру выпускаемых фирмой Inova Computers ведущих и ведомых дисплеев составляет несколько моделей на базе плоских панелей Samsung, Mitsubishi и LG-Philips с диагональю от 6,4 до 18 дюймов и яркостью свечения от 150 до 2200 кд/м². Механическая конструкция предполагает установку в соответствующую оболочку - спинки кресел, стенды, ниши в стенах, влаго-пыле-пламя-взрыво-вандало- и прочая непроницаемые корпуса.

На рисунке приведена типичная шестидисплейная система с использованием трех ведущих и трех ведомых дисплеев. Дальнейшее наращивание их количества не представляет никаких сложностей.

Рис. 4. Пример построения системы с использованием 3U Compact PCI-компьютера и шести TFT-дисплеев: трех ведущих и трех ведомых. Цепочку можно продолжать сколь угодно далеко

Заключение первое - оптимистическое

Конечно, пока еще системы Infotainment с использованием жидкокристаллических дисплеев относительно дороги. Хотя с чем сравнивать! В США и Германии они активно внедряются на железнодорожных вокзалах, в аэропортах, вагонах пригородных поездов и в прочих публичных местах. Согласно результатам проведенных исследований эффективность рекламы, подаваемой наряду с “полезной” информацией на экраны этих систем, оказалась намного выше аналогичной по содержанию, но показываемой по телевидению. Психология, однако... А расценки на эфирную рекламу неизмеримо выше. Недаром установка большинства публичных систем финансируется отнюдь не муниципалитетами, а рекламными фирмами, которые в награду за свою “щедрость” получают право на формирование определенной (причем немаленькой) части информационного наполнения. Судя по тому, что потоки заказов на новые системы не иссякают, дело это прибыльное. Ребята из Siemens зря деньги тратить не станут…

Заключение второе - пессимистическое

Что же до перспектив внедрения систем Infotainment в родном отечестве… прогнозировать трудно. Но шансы есть. Во всяком случае, Московский метрополитен уже давно не платит за полиграфические материалы с изображением схем линий метро. Как и Большой театр не тратится на печать программок своих спектаклей. Да и мы с вами ежедневно выгребаем из своих почтовых ящиков кучу бумажного рекламного мусора, совершенно бесплатного. Если учитывать общую, в принципе положительную, тенденцию: “Что для Европы и США - сегодня, то для нас - ближайшее завтра”, - можно утверждать, что Infotainment вообще, GigaStar в частности - будущее нашей информационной сферы для рекламно-информационной индустрии.

Анатолий Сысоев

Видеонаблюдение через интернет.