基于Hi3559的8K智能攝像機(jī)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

摘要：本文設(shè)計(jì)了一款基于Hi3559的8K智能攝像機(jī)。主控采用海思Hi3559AV100，傳感器采用豪威 OV48C40。通過(guò)HDMI2.1線連接8K智能攝像機(jī)和8K超高清電視，給用戶帶來(lái)極致視覺(jué)體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：Hi3559；OV48C40；HDMI2.1接口；智能攝像頭

*基金項(xiàng)目：深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：JSGG20191129143214333

隨著科技的進(jìn)步和人們對(duì)生活品質(zhì)的追求，8K 超高清電視正成為研究的熱點(diǎn)，本文 8K 智能攝像頭搭配 8K 電視形成了家庭 8K 圖像采集和圖像顯示的端到端解決方案，滿足了人們對(duì)圖像采集和顯示的極致追求。

1 硬件系統(tǒng)方案

8K 攝像機(jī)主控采用海思 Hi3559AV100，傳感器采用豪威 OV48C40，DC-DC 采用 MP1495S，內(nèi)存采用 MT53B256M32D1-NP，SPI FLASH 采用 MX25U25635F；Wi-Fi 采用 RTL8822CU。硬件系統(tǒng)框圖如圖 1。

其中，電源給整個(gè)系統(tǒng)供電；時(shí)鐘電路保系統(tǒng)中的各模塊同步；復(fù)位電路確保主控可靠的工作；DDR 是隨機(jī)存儲(chǔ)器，同步需要時(shí)鐘；FLASH 用來(lái)程序存儲(chǔ)；傳感器采集數(shù)據(jù)；HDMI2.1 傳輸圖像數(shù)據(jù)；Wi-Fi 可以 來(lái)無(wú)線傳輸，滿足人們無(wú)線觀看視頻需求，但是最大支持 2K；SD 用來(lái)存儲(chǔ)視頻。

Hi3559AV100 是一款 8K（支持最大分辨率為 8 192×8 640）攝像頭處理芯片，支持 8K@30 廣播級(jí)圖像質(zhì)量的數(shù)字處理，支持連接多路傳感器傳感器， 支持原始圖像 RAW 數(shù)據(jù)輸出和 H.265 編碼，內(nèi)部集成了超高性能 ISP，采用最先進(jìn)的低功耗架構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)。HDMI2.1 接口最大傳輸速率為 12 Gb/s，可以滿足 8K@30 視頻傳輸。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電源設(shè)計(jì)

電源給整個(gè)系統(tǒng)供電，電源芯片供電能力大于 2 A，電感值大于 2.2 μH，飽和電流大于 3 A。Hi3559 內(nèi)核電壓 0.8 V，IO 電壓 18 V，DDR4 接口電壓 1.2 V， LPDDR4 接口電壓 1.2 V。內(nèi)核電源方面，DDR 電源和 IO 電源上電時(shí)序?yàn)椋篒O 電源＞ DDR 電源＞內(nèi)核電源；下電時(shí) IO 先下電，內(nèi)核最后下電。DDR PLL 電源與 IO 電源連接時(shí)，必須使用磁珠隔離，紋波小于 800 mV，不能有固定頻點(diǎn)噪聲。FLASH 接口的 IO 電源實(shí)際連接的時(shí)要與對(duì)接芯片的接口電平一致。

2.2 時(shí)鐘電路

外部 24 MHz 時(shí)鐘電路和芯片內(nèi)部的反饋電路形成了系統(tǒng)時(shí)鐘電路。外部晶體振蕩電路采用 4P 貼片晶振，其中 2 個(gè) GND 要充分接地，增加系統(tǒng)時(shí)鐘抗 ESD 干擾能力；外圍電容采用 NPO，為防止電磁干擾，時(shí)鐘到主控的輸入端串聯(lián) 22R 的端接電阻。時(shí)鐘電路如圖 2 所示。

2.3 復(fù)位電路

系統(tǒng)上電后由主控內(nèi)部 POR 電路對(duì)芯片進(jìn)行復(fù)位，Hi3559 硬件復(fù)位通過(guò) RESET 引進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，低電平有效，最短復(fù)位周期為 100 個(gè) 24 MHz 的時(shí)鐘周期，也就是說(shuō)至少需要 4 ms。系統(tǒng)復(fù)位電平一定要與 FLASH 電平保持一致，否則系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)。

2.4 DDR電路

DDR 電路采用 2×DDR4，數(shù)據(jù)總線寬度為 32 位，DDR4 傳輸速率為 3 200 Mbps。DDR4 采用了最先進(jìn)工藝技術(shù)，在提高性能、降低成本同時(shí)還降低了功耗。DDR4 引腳由數(shù)據(jù)線、地址線、控制線、電源和地組成。DDR 按照引腳功能可以分為 7 類：電源、地、配置、控制信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)。DDR4 中最重要的信號(hào)就是地址信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)。DQ[0:31] 是數(shù)據(jù)信號(hào)，DQS_N/DQS_P 是數(shù)據(jù)選通信號(hào)；A[0:16] 是地址選擇信號(hào)，BA[0:1] 是 Bank 地址選擇；CK_N/CK_P 是差分時(shí)鐘信號(hào)；CS_N 是 DDR 片選信號(hào)；ODT 是阻抗匹配使能信號(hào)。DDR 與主控的信號(hào)連接示意圖如圖 3 所示。

2.5 傳感器電路

傳感器采用豪威 OV48C40，它是一款 8K（支持最大分辨率為 8 064×6 048）像素，1/1.32 英寸的 CMOS 傳感器。支持 DCG HDR 功能，信噪比高。芯片電源供電分三部分：DOVDD、AVDD 和 DVDD，三部分電源濾波電容靠近對(duì)應(yīng)引腳。VREFN、VREFN2、VREFH 以及 TXVDD 和地之間必須接電容，可濾除高頻和低頻的電源紋波，如果不接電容 8K 視頻信號(hào)傳輸不穩(wěn)定。DOVDD 電壓須與主控 Hi3559AV100 的 I/O 電壓保持一致。模擬地和數(shù)字地用磁珠隔開(kāi)。

2.6 其它電路

Wi-Fi 通過(guò) USB 接口與主控相連，SD 卡通過(guò) SDIO 接口與主控相連，HDMI2.1 按照 HDMI 接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與主控相連。

3 PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

PCB 布局和布線是產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵，因此 PCB 設(shè)計(jì)要按照芯片規(guī)格書(shū)要求逐條核對(duì)。如傳感器 PCB 布局和布線直接影響攝像頭出圖，電源、DDR 的 PCB 布局和布線直接影響攝像頭啟動(dòng)，Wi-Fi、SD 卡的 PCB 布局和布線直接影響視頻信號(hào)傳輸和存儲(chǔ)。

3.1 傳感器PCB設(shè)計(jì)

鏡頭下面盡量不要擺放任何電容電阻，減少對(duì)芯片表面臟污；AVDD 布線盡可能遠(yuǎn)離 EXTCLK、MIPI 信號(hào)線，減少電源紋波和噪聲對(duì)信號(hào)的干擾；MIPI 信號(hào)差分線阻抗控制在 100 Ω，誤差小于 ±10%；避免直角走線帶來(lái)的信號(hào)反射，影響 8K 高速傳輸性能；信號(hào)線下方的參考層必須保證是整片的地層。MIPI 線對(duì)要走等長(zhǎng)，誤差控制在 8 mil（毫英寸）；行數(shù)據(jù)線、時(shí) 鐘線等至少保持 3 W 以上的距離且絕不能平行走線。 MIPI 信號(hào)線盡量不要打過(guò)孔，如有過(guò)孔則 MIPI 信號(hào)線對(duì)上的兩根線都要有過(guò)孔（保持過(guò)孔的對(duì)稱性），信號(hào)線換層后參考層也要在靠近信號(hào)線的過(guò)孔處打孔換層。

3.2 DDR PCB設(shè)計(jì)

DDR4 地址線布局布線不可使用 T 型，一定要用 Fly-by 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓?fù)溥^(guò)孔到管腳的長(zhǎng)度小于 120 mil；VTT 的上拉電阻要放在信號(hào)的末端，且走線越短越好，走線長(zhǎng)度不能大于 400 mil；VTT 信號(hào)端要放一個(gè)濾波電容。主控和 DDR4 顆粒端的每個(gè)引腳放一個(gè)濾波電容，且濾波電容盡可能靠近引腳，布線要短而粗，回路要短。

DDR4 單端信號(hào)阻抗為 50 Ω，差分線阻抗為 100 Ω；焊盤到過(guò)孔之間要內(nèi)層走線，并且盡可能短；所有的內(nèi)層走線之間不要有信號(hào)層，避免串?dāng)_和跨分割，走線到平面的邊緣必須大于 4 mil；Flyby 拓?fù)涞?stub 走線要短，可以降低走線的有效阻抗；在設(shè)計(jì)中應(yīng)該通過(guò)減小支線線寬的方式將負(fù)載部分的走線設(shè)計(jì)成高阻抗，負(fù)載部分的走線和主線阻抗保持一致，這樣可以降低信號(hào)反射。

3.3 電源PCB設(shè)計(jì)

電源要采用模塊化設(shè)計(jì)，保持電源完整性的同時(shí)滿足各模塊所需電流。且電源要遠(yuǎn)離信號(hào)線，避免電源紋波和噪聲對(duì)信號(hào)的干擾。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的一款基于 Hi3559 的 8K 智能攝像機(jī)，搭配 8K 電視，給用戶帶來(lái)極致視覺(jué)體驗(yàn)。由于受到帶寬和速率的限制，Wi-Fi 和 SD 卡默認(rèn)傳輸和存儲(chǔ)分辨率為 1 080 P。

參考文獻(xiàn)：

[1] G ZHAI,X MIN.Perceptual image quality assessment: a survey, Sci[G].China Inf. Sci. 63,211301,2020.

[2] J KUFA,T KRATOCHVIL.Visual quality assessment c o n s i d e r i n g u l t r a H D , f u l l H D r e s o l u t i o n a n d viewing distance[C].29th International Conference RADIOELEKTRONIKA,2019.

[3] CHAN K CK, WANG X T, YU K, et al.Basicvsr: The search for essential components in video super-resolution and beyond[C].In Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition.2021.

[4] 何牧天,傅敏康,何毅,等.基于IMXRT1021嵌入式競(jìng)速智能車設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用.2021(08):47-49.

[5] 蒲方.國(guó)內(nèi)4K/8K超高清電視發(fā)展的思考與實(shí)踐[J].中國(guó)傳媒科技.2021(07):32-36.

[6] 謝佳.8K超高清電視技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)淺析[J].西部廣播電視.2021(16):39-41.

[7] 王晶.5G賦能4K/8K超高清電視制播[J].電視技術(shù).2021(09):53-56.

[8] 王洪富.超高清電視的有線電視網(wǎng)傳輸技術(shù)分析[J].中國(guó)有線電視.2021(08):30-33.

[9] 劉文潔.關(guān)于超高清電視技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀研究[J].傳媒論壇.2021(09):18-21.

[10] 許春蕾.淺談4K超高清電視信號(hào)在制作域內(nèi)的傳輸[J].現(xiàn)代電視技術(shù).2019(03):49-52.

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)