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基于UVC协议的4K智能摄像头

作者:张治军(深圳康佳电子科技有限公司,广东深圳 518057)时间:2022-07-27来源:电子产品世界

摘要:本文设计了一款基于,主控采用瑞芯微RV1126,传感器采用思特威 SC8238。摄像头通过USB接口直连电视,实现高清呈现。支持,具有功能。

本文引用地址:http://846420.com/article/202207/436744.htm

关键词

0 引言

随着 4K 电视的普及和家庭视频会议、家庭娱乐健身的需求,本文开发了一款基于 UVC(USB 视频类, USB Video Class)协议的 4K ,通过 USB 连 接线直连 4K 电视,即可实现摄像头到电视端到端的 4K 超清呈现,如图 1。

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图1 摄像头应用系统框图

本文开发的基于 UVC 协议的 4K 智能摄像头操作简单,携带方便,价格便宜,具有良好的应用与发展前景。本文重点介绍摄像头硬件主要电路开发和 UVC 协议的实现。

1 硬件设计

系统主控采用瑞芯微 RV1126,传感器采用思特威 SC8238。摄像头通过传感器采集图像信息,通过 MIPI 信号将采集的图像信息传送到主控,主控对图像进行编解码后通过 USB 接口将图像信息发送给电视,电视显示传感器采集的图像信息,从而实现摄像头到电视端 4K 超清呈现,摄像头视频信号流,如图 2。

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1.1 RV1126介绍

RV1126 支持 4K(3 840×2 160)H.265 30 fps 视频编码,四核 Arm Cortex-A7 架构,内部集成了 2.0 Tops 的 NPU,NPU 支持 INT8/INT16 混合操作,可以很容易在 TensorFlow、MXNet、PyTorch、Caffe 之间转换。RV1126 每个核里面都包含一个 32 KB I-cache、32 KB D-cache 和共用二级缓存 512 KB。芯片内容集成了 HDR(高动态 范围成像,High Dynamic Range Imaging)、3A 功能(AE、 AF、AWB)、LSC、3DNR、2DNR、锐化,dehaze、鱼眼校正、gamma 校正、特征点检测等算法加速器。芯片集成了 MIPI(移动产业处理器接口,Mobile Industry Processor Interface)接口,通过 MIPI 信号和传感器直连。

1.2 SC8238介绍

思特威 SC8238 最高支持 4K(3 840×2 160)的传输速率,是一款业界领先的数字 CMOS(互补金属氧化物半导体,Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器,它输出的是 raw 格式图像,有效像素为 3 872×2 180,可以通过标准的 I2C(集成电路互连通信电路,Inter-Integrated Circuit)接口读写寄存器。它采用了 1.5 μm 背照式像素技能,在相同产品中灵敏度在 1 160 mV/Lux·s 时功耗最低。

1.3 硬件设计

硬件电路主要包括电源模块、时钟复位电路、主控、传感器、USB(通用串行总线,Universal Serial Bus)、DDR(双倍速率,Double Data Rate)和 Flash 等,硬件电路框图如图 3。

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其中,整个系统的电源是通过 USB 提供的,时钟和复位保证系统正常工作,Flash 是用来存储程序的,DDR 是随机存储器,系统通过思特威传感器芯片 SC8238 采集图像数据,用瑞芯微 RV1126 芯片对图像数据进行编解码,最后通过 USB2.0 发送图像数据到电视端。

RV1126 时钟电路由内部的反馈电路和外置的 24 MHz 晶体振荡电路构成;系统时钟使用有源晶体时,时钟的幅度是 1.8 V±10%。芯片复位引脚低电平大于 4 μs 时芯片复位,芯片复位引脚并联放一个 100 nF 电容,增强 RV1126 的抗干扰能力,防止误触发导致系统复位。DDR采用T型设计,DQ和DQS双向信号直接连接即可,差分时钟信号末端串联一个 49.9 Ω 的端接电阻;DDR4 组内的不同信号线之间的间距、组间两相邻信号线之间的间距均要使用“3W”原则;单线特征阻抗控制在 50 Ω±10%,差分对阻抗控制 100 Ω±10%。PLL 电源包括 PLL_AVDD_0V8 和 PLL_AVDD_1V8 两个,必须单独供电,并分别使用 1 个耦合电容放在相对应的管脚 靠近,这样在 DDR 工作在高频时,可以提高系统的稳定性。内核电源电压是 0.8 V,必须使用单独的 DC-DC 供电,且供电能力不能小于 1 A。NPU 电源电压是 0.8 V, 必须使用单独的 DC-DC 供电,且供电能力不能小于 2 A。芯片USB控制器使用200 Ω精度为1%的参考电阻,这个电阻影响 USB 眼图质量,因本设计是使用 USB 传 输视频流的,所以这个电阻非常关键;USB 的信号线上要分别放一个静电防护器件,该器件的寄生电容要不大于 1 pF,ESD PCB 布局时器件要尽可能靠近 USB。

思特威传感器芯片 SC8238 包括 DOVDD(1.8 V)、 AVDD(2.8 V)和 DVDD(1.2 V)三路电源,滤波电容必须靠近引脚放置;在 4K 帧率时,DVDD 必须设计 成 1.2 V 电压。芯片的 VREFN、VREFN2、VREFH 和 TXVDD 通过电容到地,可以滤除电源纹波的高频部分和低频部分。MIPI 信号差分线阻抗控控制在 100 Ω,误差小于 ±10%;MIPI信号不能直走线,会发生信号反射,影响视频高速传输性能,且 MIPI 信号下必须有完整的地参考层,不能分割。

2 UVC协议

UVC 即 USB 视频类是 USB Video Class 的简称,它是微软与其它厂商联合推出的为 USB 视频捕获设备定义的协议标准。UVC 设备包括一个视频控制接口(VC Interface)和一个视频流接口(VS Interface);视频控制接口主要用于配置操作,让 UVC 设备进入不同的功能状态,视频流接口负责 UVC 设备的视频数据流传输。 UVC 的拓扑结构包括视频流输入 / 输出、摄像头视频流传输控制、图像数据采集源的切换和选择控制,以及图像相关参数的处理等。

3 结语

本文设计的基于 UVC 协议的 4K 智能摄像头,通过 USB 接口直连电视,给用户 4K 超高清完美呈现。此摄像头简单易用,经济实惠,视频效果好,可广泛使用在家庭视频会议和家庭娱乐健身。

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(注:本文转载自《电子产品世界》2022年7月期)

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