دليل توافق مستشعر الكاميرا RK3576: ما الذي يجب التأكُّد منه قبل تصميم الأجهزة

عند اختيار مستشعر الكاميرا وتصميم الأجهزة على منصة RK3576، لا بد من تثبيت عدة نقاط جوهرية قبل البدء في رسم المخططات الكهربائية. وتؤثر هذه القرارات مباشرةً في أداء التصوير وفي إمكانية تنفيذ التصميم المادي.

قيود واجهة الكاميرا (CSI/PHY) ومعالج الصور (ISP) في رقاقـة RK3576

تقدم رقاقـة RK3576 معمارية مرنة لواجهة الكاميرا، لكنَّ تكوينها يتطلَّب تخطيطاً دقيقاً منذ البداية وفقاً لمتطلبات المشروع.

الدعم الواجهي: تدعم هذه الرقاقة كلاً من واجهة MIPI CSI-2 وواجهة DVP للكاميرات، وتتميَّز واجهة MIPI CSI-2 بفوائد رئيسية في التصاميم الحالية.

توفر رقاقـة RK3576 واجهة واحدة من نوع C/D-PHY تصل إلى أربع قنوات، بالإضافة إلى واجهتين من نوع D-PHY. ويمكن تخصيص موارد PHY المتاحة إما كمنفذَي D-PHY كلٌّ منهما بأربع قنوات، أو كأربع منافذ D-PHY كلٌّ منها بقناتين. وهذا يتيح تصاميم متعددة الكاميرات، بما في ذلك أنظمة العرض المتعدد الشائعة الاستخدام في تطبيقات الأمن والروبوتات.

ملاحظات:

• لتصميم متعدد الكاميرات، قم بتعيين موارد وحدة الفيزياء (PHY) والمسارات مبكرًا. ولا يمكن لأي مستشعر واحد أن يغطي وحدتي فيزياء (PHYs) مختلفتين.
• منفذ CSI واحد من رقاقات RK3576 قابل للتكوين إما كـ C-PHY أو كـ D-PHY. وفي الوضع D-PHY، يدعم ما يصل إلى ٤,٥ جيجابت/ثانية لكل مسار؛ أما في الوضع C-PHY، فيدعم ما يصل إلى ٢,٥ جيجاسمبول/ثانية لكل ثلاثية (trio). وتُدعم القنوات المتبقية من نوع D-PHY بمعدل يصل إلى ٢,٥ جيجابت/ثانية لكل مسار. ويجب أن يحتفظ التصميم العملي للعتاد الإلكتروني بنسبة احتياطية تبلغ نحو ٢٠٪ من عرض النطاق الترددي. وعندما يقترب معدل نقل البيانات الفعلي من الحد الأقصى لواجهة الاتصال أو يتجاوزه، تزداد احتمالية ظهور إطارات تالفة أو مفقودة وأعطال تصويرية أخرى.
• كما تدعم الرقاقة واجهة كاميرا متوازية من نوع DVP لمجموعة المستشعرات القديمة ومنخفضة الدقة. وبما أن وظائف DVP وMIPI تتشارك في بعض المسمّارات (pins)، فيجب تحديد توزيع المسمّارات مبكرًا بما يكفي لتفادي تعارضات الموارد.

مواصفات معالج الإشارات البصرية (ISP) الخاص برقاقة RK3576 وحدود المعالجة

• يضم معالج RK3576 محرك معالجة صور أحادي مدمج في العتاد، يدعم معالجة الصور بدقة تصل إلى ١٦ ميجابكسل ومدى ديناميكي HDR يصل إلى ١٢٠ ديسيبل. ومع ذلك، في نظام الكاميرات المتعدد، فإن توجيه عدة تدفقات خام (RAW) عبر محرك معالجة الصور يعني أن الدقة المجمعة ومعدل الإطارات الفعّال يخضعان لقيود سعة محرك معالجة الصور وعرض نطاق استقبال واجهة MIPI CSI-2. أما إذا كانت أجهزة الاستشعار تُخرِج إشارات YUV مباشرةً وتتجاوز محرك معالجة الصور، فتتحول القيود الرئيسية إلى عرض نطاق واجهة MIPI وعرض نطاق النطاق الترددي للذاكرة.

مثال على تهيئة كاميرات متعددة: كاميرا واحدة بدقة ٨ ميجابكسل (4K بمعدل ٣٠ إطاراً في الثانية) زائد كاميرتين بدقة ٢ ميجابكسل (1080p بمعدل ٣٠ إطاراً في الثانية).

• وتتطلب تطبيقات الكاميرات المتعددة اتخاذ قرار مبكّر بشأن مزامنة الإطارات. فقد تتطلّب عمليات التقاط المشاهد المتعددة والقياس المجسّمي ثنائي الأبعاد مزامنة أجهزة VSYNC. ويجب التأكّد من تفعيل المزامنة بالعتاد، وكذلك من توافر عدد كافٍ من دبابيس التشغيل الخارجي في وحدة SoC المُخطَّط استخدامها بعدد الكاميرات المقرّر.

قائمة مراجعة اختيار أجهزة الاستشعار

• واجهة الإخراج ونوعها: تأكّد من كون الواجهة MIPI CSI-2 أو DVP، وكذلك من عدد خطوط MIPI (واحد أو اثنان أو أربعة خطوط).
• صيغة البيانات: على منصة RK3576، يدعم الإدخال عبر VICAP الصيغ التالية: RAW وRGB888 وبعض صيغ YUV. ويُعالِج معالج ISP المدمج بيانات RAW ثم يحوّلها إلى صيغة YUV لتمريرها إلى خط الأنابيب اللاحق. أما تدفقات RGB وYUV التي تُلتقط مباشرةً فلا تمرّ عبر معالج ISP.
• الدقة ومعدل الإطارات: تحقَّق من متطلبات كل مستشعرٍ على حدة، ثم تأكَّد من صحة وضع التشغيل المشترك عند تشغيل عدة كاميرات في وقتٍ واحد. ويجب أن يبقى إجمالي عبء العمل ضمن حد معالجة ISP في الزمن الحقيقي.
• توافق سكة الطاقة: يستخدم المستشعر النموذجي ثلاث مصادر طاقة: AVDD للدوائر التناظرية، وDVDD للنواة الرقمية، وDOVDD لمستوى جهد الإدخال/الإخراج. وتستخدم واجهة MIPI PHY في رقاقة RK3576 مصدر طاقة ثابتًا قدره ١,٨ فولت، لذا يُفضَّل عمومًا أن يكون جهد DOVDD الخاص بالمستشعر ١,٨ فولت. وإذا اختلف جهد DOVDD الخاص بالمستشعر عن مستوى جهد إدخال/إخراج حافلة I2C في الجهاز المضيف، فيمكن إضافة محول مستوى (level shifter) إلى حافلة التحكم منخفضة السرعة. ولا يجوز تركيب محول مستوى خارجي على إشارات MIPI التفاضلية عالية السرعة. ويجب أن تتبع الدارة الإلكترونية تسلسل تشغيل وإيقاف الطاقة المحدَّد من قِبل شركة تصنيع المستشعر. ويعتمد بدء تشغيل البرنامج على هذا التسلسل؛ إذ قد يؤدي عدم الالتزام بالتوقيت الصحيح إلى عجز المستشعر عن التشغيل أو إنتاج صورة. كما يجب حساب التيار الأقصى على AVDD وDVDD وDOVDD لضمان أن يكون لكل من مُنظِّمات الجهد الخطية المدمجة (LDO) سعة كافية وهامش تصميمي مناسب.
• حافلة التحكم: تأكّد من عنوان المستشعر عبر بروتوكول I2C. وفي أنظمة الكاميرات المتعددة، خطّط لكيفية التعامل مع العناوين المكرَّرة، إما بتغيير العناوين في البرمجيات حيثما كان ذلك مدعومًا، أو باستخدام مفتاح خارجي لبروتوكول I2C.
• إدخال الإشارة الزمنية: يوفّر معالج RK3576 عدة مخرجات مستقلة قابلة للتكوين لإشارة الساعة الرئيسية للمستشعر (MCLK). ويُولَّد كل تردد ساعة من مصدر ساعة داخلي في وحدة SoC، ثم يُوجَّه إلى المستشعر عبر دبوس إدخال/إخراج عام متعدد الاستخدامات (GPIO مضاعف). ويمكن تفعيل كل مخرج وتكوينه بشكل منفصل. والمدى النموذجي القابل للتكوين برمجيًّا لإشارة MCLK الواحدة هو من ٦ إلى ٤٨ ميغاهيرتز. وإذا احتاج المستشعر تردد ساعة خارج هذا النطاق، فاستخدم رنينًا خارجيًّا مخصصًا. كما يجب أيضًا التحقق من تصاميم الكاميرات المتعددة فيما يتعلّق بالصراعات المحتملة على دبابيس التعددية.
• تصميم الطاقة والحرارة: تستهلك المستشعرات عالية الدقة وعالية معدل الإطارات طاقةً أكبر. ولذلك، ينبغي تقييم الحمل الكهربائي على مستوى اللوحة ومسار الحرارة في المنتج قبل الانتهاء من التصميم المادي.
• التحكم في العدسة ومرشح الأشعة تحت الحمراء (IR-cut) ومصدر الإضاءة: تأكَّد من توفر موارد كافية من منافذ الإدخال/الإخراج العامة (GPIO) لكل مشغِّل ومشغِّل مطلوب.
• توافق وضع التباين العالي الديناميكي (HDR): يدعم معالج RK3576 تقنيات HDR المُدمجة (DOL HDR) وتقنية HDR المتدرجة (staggered HDR) وتقنية HDR متعددة الإطارات (multi-frame HDR). قبل اختيار مستشعر، تأكَّد من توافق تنسيق بيانات HDR والتوقيت الخاص به مع معالج الإشارات البصرية (ISP) ومعالج التقاط الفيديو (VICAP) في رقاقة RK3576.

في حال أمكن، ابدأ باستخدام مستشعرٍ سبق أن تم التحقق من توافقه مع المنصة من قِبل مجتمع المستخدمين أو مورِّد الوحدة. وقد يؤدي ذلك إلى خفض مخاطر تطوير التعريفات (drivers) وتشغيل النظام بشكل كبير.

تشمل المستشعرات التي قمنا بدمجها بالفعل: سوني IMX415 (8 ميغابكسل)، وIMX566 (8 ميغابكسل)، وIMX678 (8 ميغابكسل)، وIMX464 (4.1 ميغابكسل)، وIMX662 (2 ميغابكسل)، بالإضافة إلى مستشعر onsemi AR0234 (2.3 ميغابكسل) ومستشعر OMNIVISION OG02C1B (2 ميغابكسل). إذا كانت مشروعك يتطلب مستشعر صورة آخر، فاتصل بنا على [email protected] لمناقشة الدمج المخصص وضبط الأداء.

النقاط الرئيسية في تصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)

• توجيه واجهة MIPI CSI: التحكم في الممانعة التفاضلية بحيث تكون ١٠٠ أوم ±١٠٪. الحفاظ على فرق الطول بين طرفي كل زوج تفاضلي (P/N) أقل من ٥ ميل، والحفاظ على فرق الطول بين المسارات داخل نفس منفذ CSI أقل من ٢٠٠ ميل. توجيه إشارات MIPI بعيدًا عن الساعات عالية السرعة ودوائر DDR والمسارات الكهربائية ذات التيار العالي. عدم توجيهها عبر شقوق في المستوى المرجعي. جعل المسارات قصيرة قدر الإمكان، ويُفضَّل أن تكون أقصر من ١٥ سم؛ فكلما زاد طول المسار، انخفض أقصى معدل نقل بيانات يمكن الحفاظ عليه بموثوقية.
• إشارة MCLK هي ساعة أحادية الطرف عالية السرعة. الحفاظ على مسافة كافية بينها وبين الأزواج التفاضلية لـ MIPI، وتجنب التشغيل الموازي الطويل لتقليل التداخل العرضي.
• الحفاظ على مسارات MIPI عالية السرعة بعيدة عن مصادر الضوضاء القوية مثل مصادر الطاقة المتقطعة وحوافز DDR، وتوفير درع فعّال وأرضية مناسبة عند الحاجة وفقًا لتصميم اللوحة.
• ترشيح الطاقة: ضع مكثفات تفريغ بسعة ٠,١ ميكروفاراد و١ ميكروفاراد بالقرب من كل دبوس تغذية للمستشعر. ويمكن إضافة حبة فيريت على خط التغذية AVDD لعزل الخط التناظري عن تشويش الدوائر الرقمية.
• يمكن أن تستهلك المستشعرات عالية الدقة العاملة بمعدلات إطارات مرتفعة طاقةً كبيرةً. وقد يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى زيادة الضوضاء في الصورة وحدوث انزياح في الألوان، لذا يجب تقييم الحل الحراري أثناء تصميم العتاد وليس بعد التشغيل الأولي.
• مراجعة تعدد المهام للدبابيس: تحقَّق من جميع التعيينات الخاصة بواجهات MIPI وDVP وI2C وMCLK وGPIO للتأكد من عدم وجود تعارض في الوظائف المشتركة.

البرمجيات وخط معالجة الصور

• التسريع العتادي: يحتوي المعالج RK3576 على معجِّل رسومي ثنائي الأبعاد RGA لأداء عمليات مثل تحويل صيغ الصور (مثلًا من YUV إلى RGB) والتكبير/التصغير والتدوير. واستخدام معجِّل RGA بدلًا من المعالجة بواسطة وحدة المعالجة المركزية يقلِّل العبء الواقع على CPU بشكل كبير، وهو أمرٌ بالغ الأهمية للحفاظ على استقرار التشغيل بمعدلات إطارات مرتفعة، مثل ١٠٨٠ بكسل بمعدل ٣٠ إطارًا في الثانية.
• تخطيط تدفق البيانات للوحدة المعالجة العصبية: عند تشغيل نموذج ذكاء اصطناعي على وحدة المعالجة العصبية المدمجة في معالج RK3576 بسعة ٦ تيرافلوبس، فإن المسار النموذجي يشمل التقاط الصورة بالكاميرا، ثم معالجة الإشارة بواسطة وحدة معالجة الإشارات البصرية (ISP)، ثم تحويل التنسيق وتحجيم الصورة باستخدام وحدة التحويل والرسومات المُسرَّعة (RGA)، ثم إجراء الاستنتاج عبر وحدة المعالجة العصبية (NPU)، وأخيرًا إخراج الصورة على الشاشة. ويجب تقييم زمن التأخير في كل مرحلة أثناء تصميم النظام لضمان أن المنتج النهائي يحقِّق هدفه الزمني الفعلي.

توضح التكوينات المرجعية التالية كيفية توزيع واجهات الكاميرا المتاحة على عدة تطبيقات شائعة.