فهم واجهة MIPI، البروتوكول والمعايير: دليل شامل

لقد تم إثبات أن الكثير من التقدم في تطوير الأجهزة المحمولة والإلكترونية قد سهلته بشكل كبير التطورات في معايير الاتصال. ومن بين هذه المعايير، يمكن ذكر تقنية MIPI (واجهة معالج الهاتف المحمول) بسبب مساهمتها في أداء وكفاءة الاتصالات البيانات بين المكونات. يهدف هذا المقال تحديدًا إلى تقديم معرفة عميقة حول واجهة MIPI والبروتوكولات والمعايير الخاصة بها ودورها الهام في العصر الحالي للإلكترونيات.

1.ما هو MIPI؟

MIPI، أو Mobile Industrial Processor Interface، هي مجموعة من واجهات الاتصال المعيارية التي طورتها تحالف MIPI لربط الأجهزة الملحقة والمستشعرات مع المعالجات المدمجة داخل الأجهزة المحمولة. تم تصميم هذه الواجهة لتكون منخفضة الاستهلاك، عالية السرعة ومُستخدمة بسهولة، مما يجعلها مثالية للاستخدام في الأجهزة المحمولة مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية. وهي مصممة لتسهيل نقل البيانات بسرعة بين الأجهزة المحمولة والمكونات الإلكترونية. تأسس تحالف MIPI في عام 2003 بواسطة قادة الصناعة لتطوير وتعزيز المعايير المفتوحة للواجهات في صناعات الأجهزة المحمولة والصناعات المتضررة من الأجهزة المحمولة.

2.فهم واجهة MIPI

في الإلكترونيات، الواجهة هي حدود مشتركة يتم عبرها تمرير المعلومات. هناك أنواع مختلفة عديدة من واجهات MIPI، بما في ذلك MIPI-CSI2، MIPI D-PHY، MIPI C-PHY، MIPI M-PHY، وMIPI I3C. لكل واجهة غرض محدد وخصائص مختلفة من حيث معدل نقل البيانات، استهلاك الطاقة، وتنفيذ الطبقة الفيزيائية.

• MIPI CSI (واجهة تسلسل الكاميرا): تُستخدم لربط أجهزة استشعار الكاميرا بالمعالجات، مما يمكّن من نقل بيانات الصور بسرعات عالية.
• MIPI DSI (واجهة تسلسل العرض): تربط الشاشات بالمعالجات، مما يضمن اتصالاً فعالاً وإخراجًا بصريًا عالي الجودة.
• MIPI C-PHY و D-PHY: واجهات طبقة فيزيائية للنقل السريع للبيانات. يستخدم C-PHY تشفير ثلاثي الطور، بينما يستخدم D-PHY طريقة الإشارة التفاضلية.

تُعتبر هذه الواجهات حاسمة في الهواتف الذكية، والأجهزة اللوحية، وأجهزة أخرى محمولة، حيث تكون المساحة وكفاءة الطاقة ذات أهمية قصوى.

2.1استكشاف بروتوكول MIPI

بروتوكول mipi  تحدد قواعد تبادل البيانات. البروتوكول mipi- يشمل:

• mipi csi-2 (mipi camera serial interface) : مستخدمة على نطاق واسع موصل mipt لاتصال الكاميرات، يدعم مستشعرات صور بدقة عالية وتطبيقات الفيديو. يضمن استهلاك طاقة منخفض ونقل بيانات فعال.
• MIPI DSI-2 (mipi display serial interface) :مصمم لواجهات العرض، يدعم شاشات بدقة الوضوح العالي ويعزز التجربة البصرية بتأخير منخفض وعرض نطاق ترددي عالٍ.

يضمن بروتوكول MIPI التوافق والتفاعل بين المكونات المختلفة، مما يسمح بالاتصال والوظائف السلسة.

2.2معايير MIPI

المعايير ضرورية لضمان الاتساق والموثوقية. تشمل أهم معايير MIPI:

• MIPI CSI-2: يحدد واجهة الكاميرات، مع دعم يصل إلى دقة 8K.
• MIPI DSI-2: يحدد واجهة العرض، مما يضمن معدلات تحديث عالية وانخفاض استهلاك الطاقة.
• MIPI I3C: واجهة مستشعرات الجيل التالي، تقدم أداءً أعلى وكفاءة طاقة مقارنة بـ I2C.
• MIPI UniPro: معيار متعدد الاستخدامات لربط الأنظمة الفرعية المختلفة داخل الجهاز.

الالتزام بهذه المعايير يضمن قدرة الأجهزة على التواصل بشكل فعال، مما يؤدي إلى أداء أفضل وتجربة مستخدم محسنة.

2.3هندسة MIPI

تم تصميم هندسة أنظمة MIPI لدعم نقل البيانات بكفاءة. المكونات الرئيسية تشمل:

• المتحكمات: تدير تدفق البيانات بين المكونات.
• طبقات الفيزياء (PHY): تضمن نقل الإشارات بشكل موثوق.
• طبقات البروتوكول: تحكم في قواعد تبادل البيانات.

يتيح هذا التصميم المتعدد الطبقات الأداء العالي والاتصال القوي بين مختلف أجزاء الجهاز.

3. كيف يعمل كاميرا MIPI؟

اليوم، تحتوي基本上 جميع أجهزة الهواتف الذكية على كاميرات. حتى أن أرخص نماذج الهواتف الذكية مزودة بكاميرات مدمجة. في هذا العصر الرقمي لوسائل الإعلام الاجتماعية، تعد كاميرات الهاتف المحمول ضرورية لجميع أنواع مستخدمي الهواتف المحمولة.

تشتهر حساسات الكاميرا التي تدعم واجهة MIPI باسم كاميرات MIPI. هذه الكاميرات شائعة جدًا في الهواتف الذكية والحواسيب اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة المحمولة الأخرى.

عادةً ما يتكون نظام الرؤية المدمجة للأجهزة المحمولة من المكونات التالية:

• مستشعر الصورة: يشمل هذا المكون التقاط الصور وكيفية تحويلها إلى صيغة رقمية.
• واجهة MIPI: يعمل هذا الواجهة بشكل أساسي كجسر بين مستشعر الكاميرا ووحدة المعالجة الرئيسية. MIPI هي واجهة تحدد الطبقات الفيزيائية والبروتوكولية التي سيتم استخدامها لنقل الصور الرقمية.
• العدسة: من الخارج إلى الداخل: يتم معالجة الضوء الخارجي بواسطة العدسة ثم يمر عبر مرشح IR ويُركز على سطح المستشعر لتوليد إشارة كهربائية من الضوء الذي يمر عبر العدسة؛ ثم يتم تحويل الإشارة إلى صيغة رقمية بواسطة المحول الداخلي A/D.

لذلك، تعمل كاميرا الميبي كما يلي - يتم تسجيل الصورة بمساعدة مستشعر الصورة، ثم يتم تحويل الصورة إلى المجال الرقمي، وأخيرًا، يتم إرسال الإشارة إلى المعالج عبر واجهة MIPI. يقوم المعالج لاحقًا بتحويل صورة الكائن الرقمية ويعرضها على الشاشة.

4.التاريخ التطوري للميبي

4.1MIPI CSI-1

كان MIPI CSI-1 هو أول إصدار من معمارية واجهة MIPI التي حددت البروتوكولات لربط الكاميرا المدمجة ومعالج المستضيف.

كانت Camera Serial Interface 1 (CSI-1)MIPI بروتوكول اتصال استُخدم لإرسال إشارات مستشعر الكاميرا إلى منصة معالجة مدمجة في جهاز حاسوب محمول. استند هذا البروتوكول إلى مواصفات الطبقات الفيزيائية والبروتوكولية لواجهات الكاميرا التي قدمتها مجموعة MIPI Alliance لتصميم الروابط بين مستشعر الكاميرا والمعالج المدمج لنقل الصور من مستشعر الكاميرا إلى المعالج المدمج.

حدد طبقة الفيزياء وطبقة البروتوكول في مواصفات MIPI CSI-1 الخصائص الكهربائية والخصائص الإشارية لطبقة الفيزياء، وبنية البروتوكول وبنية الحزم لطبقة البروتوكول على التوالي. كما استُخدم أيضًا لنقل بيانات الصورة، بيانات التحكم والمعلومات الأخرى بين الكاميرا ومعالج المستضيف. استخدمت MIPI CSI-1 طريقة الإشارة التفاضلية وكانت قادرة على توفير معدلات نقل البيانات تصل إلى 1 جيجابت في الثانية.

بروتوكول MIPI CSI-1 هو بروتوكول قديم تم استبداله من قبل خلفائه المتقدمين مثل CSI-2 وCSI-3. وعلى الرغم من أنه يكاد يكون مsolete، لا يزال واجهة CSI-1 تظهر في بعض الأنظمة القديمة.

4.2mipi csi-2

mipi csi-2 هو الجيل الثاني من واجهات MIPI CSI المعروفة أيضًا باسم واجهة الكاميرا المتسلسلة. مشابهة لبروتوكول CSI-1， mipi csi-2 تم تطويرها أيضًا بناءً على إطار عمل تحالف MIPI وتغطي الطبقات الفيزيائية والبروتوكولية لنقل بيانات الصور في أنظمة الرؤية المدمجة المحمولة.

في الوقت الحالي، mipi csi 2 تعتبر هذه الواجهة الحل الأساسي لربط الكاميرا بالمعالج في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية. كما ذكر سابقًا، فإن MIPI CSI-2 مدعوم بشكل واسع من قبل مستشعرات الكاميرا والمعالجات المدمجة. يوفر بروتوكول CSI-2 خصائص وظيفية أفضل وإضافية مقارنة بالبروتوكول الأصلي CSI-1. mipi csi 2 هو معيار واجهة آخر تم تطويره بهدف توفير معدلات نقل عالية عبر الرابط المتسلسل الأكثر شيوعًا واستخدام الإشارات التفاضلية بطريقة مشابهة لـ mipi csi 1بينما يقدم معدلات بيانات تصل إلى 3.5 جيجابت في الثانية.

الإصدار الأول من MIPI csi2 تم إصداره في عام 2005 وشتمل على الطبقات البروتوكولية التالية:

• طبقة الفيزياء
• طبقة دمج المسارات
• طبقة البروتوكول ذات المستوى المنخفض
• طبقة تحويل البكسل إلى بايت
• طبقة التطبيق

في عام 2017 تم إصدار النسخة الثانية من MIPI CSI-2. تضمنت هذه النسخة عمق ألوان RAW-16 وRAW-20، و32 قناة افتراضية، وتقنية LRTE (تقليل الكمون والنقل الفعّال). تمثل النسخة الثالثة csi2 البروتوكول الذي تم إصداره في عام 2019 يشمل عمق اللون RAW-24 في CSI-2.

تشمل الجزء الرئيسي معيار MIPI CSI-2، ويُعتبر كل من CSI-2E وCSI-2E امتدادات لـ MIPI CSI-2. تكون هذه الامتدادات مفيدة لتوفير دعم إضافي لمعدلات بيانات أعلى، وكابلات أطول، وتحسين التحكم في الأخطاء، وما إلى ذلك.

بما أن MIPI CSI-2 يستخدم بشكل شائع ولديه مجال عالي الأداء، فإنه ينطبق على المركبات ذاتية القيادة، الطائرات بدون طيار، المدن الذكية المتصلة، تصوير الأحياء الطبية، والروبوتات.

5.فوائد استخدام واجهة mIpi كواجهة متصلة للكاميرات

الكاميرا usb والكاميرا mIpi هما نوعان من مستشعرات الكاميرا التي يتم استخدامهما على نطاق واسع حاليًا في الأجهزة المحمولة وأنظمة الرؤية المدمجة

هناك عدة أسباب لاستخدام كاميرات MIPI للجهاز المحمول وأنظمة الرؤية المدمجة بدلاً من كاميرات USB:

• النظام البيئي: تحظى MIPI Alliance بمجتمع حيوي للغاية من مستشعرات الصور والعدسات وغيرها من المكونات التي تتوافق مع كاميرات MIPI وتتناسب بشكل أفضل لتطوير أنظمة تعتمد على كاميرات MIPI.
• الحجم وشكل العامل: كاميرات MIPI أصغر حجماً وأرق من كاميرات USB، مما يساعد على دمجها بشكل أفضل في الأجهزة الصغيرة والرقيقة.
• المرونة: المرونة:  كاميرا MIPI هي متوافقة مع العديد من أنواع المعالجات ومستشعرات الصور، على عكس كاميرات USB.
• معدل البيانات: النظام الكهربائي كاميرا MIPI يمكنها بث بيانات الصورة بمعدلات بيانات أعلى بكثير من كاميرات USB، وبالتالي ستكون مفيدة للتطبيقات ذات الدقة العالية ومعدل الإطارات العالي.
• استهلاك الطاقة:  كاميرا CSI هي فعالة جدًا من حيث استهلاك الطاقة لذلك يمكن استخدامها في الأجهزة المحمولة أو الأجهزة التي تعمل بالبطاريات.

6.الاتجاهات المستقبلية في تقنية MIPI

مستقبل MIPI التكنولوجيا واعدة، مع الاتجاهات التي تشمل:

• تكامل الذكاء الاصطناعي: تحسين إمكانيات الجهاز باستخدام الذكاء الاصطناعي لتحقيق وظائف محسّنة.
• واجهات نقل بيانات بسرعات أعلى: دعم الفيديو بدقة 8K وما بعدها.
• كفاءة طاقة أكبر: تقليل استهلاك الطاقة لزيادة عمر البطارية.

ستستمر هذه التطورات في دفع الابتكار في صناعة الإلكترونيات.

أ كل شيء في النهاية ,ثورة تكنولوجيا MIPI في الاتصال داخل الأجهزة الإلكترونية، حيث توفر نقل بيانات فعال وعالي السرعة مع الحفاظ على كفاءة الطاقة. فهم واجهات MIPI والبروتوكولات والمعايير ضروري لأي شخص مشارك في تطوير الإلكترونيات الحديثة. مع تطور التكنولوجيا، ستظل MIPI في المقدمة، تدفع إمكانيات جديدة وتحسينات في أداء الأجهزة.

الأسئلة الشائعة:

ما الفرق بين MIPI C-PHY و D-PHY؟

تستخدم تقنية MIPI C-PHY مخطط تشفير ثلاثي المرحل لنقل البيانات، مما يوفر نطاق ترددي أعلى باستخدام عدد أقل من الوصلات. أما MIPI D-PHY فتستخدم الإشارة التفاضلية، وهي أسهل ولكن قد تتطلب عددًا أكبر من الوصلات للحصول على معدلات بيانات أعلى.

كيفية تنفيذ واجهات MIPI في التصاميم الجديدة؟

تتمثل عملية تنفيذ واجهات MIPI في اختيار المواصفات المناسبة لـ MIPI، ودمج المكونات المتوافقة، وضمان الامتثال للمعايير الخاصة بـ MIPI لتحقيق الأداء الأمثل والتوافق التشغيلي.