Руководство по совместимости датчиков камер RK3576: что необходимо подтвердить до начала проектирования аппаратного обеспечения

При выборе датчиков камер и проектировании аппаратного обеспечения на платформе RK3576 несколько ключевых параметров необходимо определить до начала разработки принципиальных схем. Эти решения напрямую влияют на качество изображения и техническую осуществимость конструкции аппаратного обеспечения.

Ограничения CSI/PHY и ISP в RK3576

RK3576 предлагает гибкую архитектуру интерфейса камер, однако конфигурацию необходимо планировать с учётом требований проекта с самого начала.

Поддержка интерфейсов: SoC поддерживает как интерфейсы камер MIPI CSI-2, так и DVP; при этом MIPI CSI-2 обеспечивает основное преимущество для современных решений.

RK3576 предоставляет один интерфейс C/D-PHY с поддержкой до четырёх линий, а также два интерфейса D-PHY. Доступные ресурсы PHY могут быть настроены либо как два 4-линейных порта D-PHY, либо как четыре 2-линейных порта D-PHY. Это позволяет реализовывать многокамерные решения, включая многоугольные системы, широко применяемые в системах безопасности и робототехнике.

Примечания:

• Для конструкции с несколькими камерами назначьте ресурсы PHY и линий на раннем этапе. Один датчик не может охватывать два PHY.
• Один порт CSI RK3576 настраивается как C-PHY или D-PHY. В режиме D-PHY он поддерживает до 4,5 Гбит/с на линию; в режиме C-PHY — до 2,5 Гсэмпл/с на трио. Остальные каналы D-PHY поддерживают до 2,5 Гбит/с на линию. Практический аппаратный дизайн должен предусматривать запас пропускной способности примерно на 20 %. При приближении эффективной скорости передачи данных к пределу интерфейса или её превышении возрастает вероятность повреждённых кадров, потери кадров и других дефектов изображения.
• SoC также поддерживает параллельный интерфейс камеры DVP для устаревших датчиков с более низким разрешением. Поскольку функции DVP и MIPI используют часть общих выводов, распределение выводов должно быть завершено заблаговременно, чтобы избежать конфликтов ресурсов.

Спецификации ISP RK3576 и ограничения обработки

• RK3576 интегрирует один аппаратный ISP-движок, поддерживающий обработку изображений с разрешением до 16 МП и динамическим диапазоном HDR до 120 дБ. Однако в многокамерной системе передача нескольких потоков RAW через ISP означает, что суммарное разрешение и эффективная частота кадров ограничены как пропускной способностью ISP, так и пропускной способностью приёма по интерфейсу MIPI CSI-2. Если датчики выводят данные YUV напрямую, минуя ISP, основными ограничениями становятся пропускная способность интерфейса MIPI и пропускная способность памяти.

Пример конфигурации многокамерной системы: 1 × 8 МП (4K при 30 кадр/с) + 2 × 2 МП (1080p при 30 кадр/с).

• Для многокамерных приложений также требуется принять решение о синхронизации кадров на раннем этапе. Съёмка с нескольких точек обзора и стереоизмерение расстояний могут требовать аппаратной синхронизации по сигналу VSYNC. Уточните, будет ли включена аппаратная синхронизация, и достаточно ли у SoC внешних контактов для подачи триггерных сигналов для запланированного количества камер.

Чек-лист выбора датчиков

• Интерфейс и режим вывода: подтвердите использование MIPI CSI-2 или DVP, а также количество линий MIPI (1, 2 или 4 линии).
• Формат данных: на платформе RK3576 вход VICAP поддерживает форматы RAW, RGB888 и отдельные форматы YUV. Встроенный ISP обрабатывает данные RAW и преобразует их в YUV для последующей обработки в конвейере. Потоки RGB и YUV, захваченные напрямую, не проходят через ISP.
• Разрешение и частота кадров: проверьте требования каждого отдельного датчика, затем проверьте совместный режим работы при одновременной работе нескольких камер. Общая нагрузка должна оставаться в пределах реального времени обработки ISP.
• Совместимость по шине питания: типичный датчик использует три источника питания: AVDD — для аналоговой схемы, DVDD — для цифрового ядра и DOVDD — для уровня напряжения ввода-вывода. MIPI PHY чипа RK3576 работает от фиксированного источника питания 1,8 В, поэтому предпочтительно использовать датчик с DOVDD = 1,8 В. Если уровень DOVDD датчика не совпадает с уровнем I/O шины I2C хоста, на низкоскоростную управляющую шину можно добавить преобразователь уровней напряжения. Не устанавливайте внешний преобразователь уровней на высокоскоростные дифференциальные MIPI-сигналы. Аппаратное обеспечение должно строго соблюдать последовательность включения и выключения питания, указанную производителем датчика. Инициализация программного обеспечения зависит от этой последовательности; нарушение временных параметров может привести к невозможности инициализации датчика или отсутствию изображения. Также необходимо рассчитать пиковый ток на линиях AVDD, DVDD и DOVDD, чтобы каждый встроенный стабилизатор напряжения (LDO) обладал достаточной мощностью и запасом по проекту.
• Шина управления: подтвердите I2C-адрес датчика. В системе с несколькими камерами предусмотрите способ обработки дублирующихся адресов — либо изменяйте адреса в программном обеспечении (если поддерживается), либо используйте внешний переключатель I2C.
• Вход тактового сигнала: RK3576 предоставляет несколько независимо настраиваемых выходов MCLK для датчиков. Каждый тактовый сигнал генерируется из внутреннего источника тактовой частоты SoC и подаётся на датчик через мультиплексированный GPIO; каждый выход можно включать и настраивать отдельно. Типичный программно настраиваемый диапазон частоты одного MCLK составляет от 6 до 48 МГц. Если датчику требуется тактовая частота за пределами этого диапазона, используйте выделенный внешний кварцевый резонатор. В конструкциях с несколькими камерами также необходимо проверить наличие конфликтов при мультиплексировании выводов.
• Проектирование питания и теплорегуляции: датчики с высоким разрешением и высокой частотой кадров потребляют больше энергии. Оцените нагрузку на цепи питания платы и тепловую проводимость изделия до окончательного утверждения аппаратной версии.
• Управление объективом, ИК-фильтром и подсветкой: убедитесь, что для каждого требуемого исполнительного устройства и драйвера доступно достаточное количество ресурсов GPIO.
• Совместимость режима HDR: RK3576 поддерживает DOL HDR, ступенчатый HDR и многокадровый HDR. Перед выбором датчика убедитесь, что его формат данных HDR и временные параметры совместимы с ISP и VICAP RK3576.

По возможности начните с датчика, который уже прошёл проверку сообществом платформы или поставщиком модулей. Это может значительно снизить риски разработки драйверов и ввода в эксплуатацию.

Датчики, которые мы уже интегрировали: Sony IMX415 (8 Мп), IMX566 (8 Мп), IMX678 (8 Мп), IMX464 (4,1 Мп), IMX662 (2 Мп), а также onsemi AR0234 (2,3 Мп) и OMNIVISION OG02C1B (2 Мп). Если ваш проект требует другой датчик изображения, свяжитесь с [email protected] для обсуждения индивидуальной интеграции и настройки.

Ключевые моменты проектирования печатной платы

• Маршрутизация MIPI CSI: контроль дифференциального импеданса на уровне 100 Ом ±10 %. Соблюдение несоответствия длин проводников P/N в каждой дифференциальной паре менее 5 мил и несоответствия между линиями в одном и том же порту CSI менее 200 мил. Маршрутизация сигналов MIPI вдали от высокочастотных тактовых сигналов, шины DDR и трасс питания с высоким током. Запрещена маршрутизация через разрывы в опорной плоскости. Длина трасс должна быть по возможности минимальной, предпочтительно менее 15 см; чем длиннее трасса, тем ниже максимальная скорость передачи данных, обеспечиваемая надёжно.
• MCLK — это высокочастотный однопроводный тактовый сигнал. Соблюдайте расстояние от дифференциальных пар MIPI и избегайте длинных участков параллельной прокладки для снижения перекрёстных наводок.
• Размещайте высокоскоростные трассы MIPI вдали от сильных источников шума, таких как импульсные источники питания и шина DDR, и обеспечьте надёжное экранирование и заземление там, где этого требует топология печатной платы.
• Фильтрация питания: установите развязывающие конденсаторы ёмкостью 0,1 мкФ и 1 мкФ как можно ближе к каждому выводу питания датчика. Для изоляции аналоговой шины от цифровых помех на линию AVDD можно добавить ферритовый бочонок.
• Датчики высокого разрешения, работающие с высокой частотой кадров, могут рассеивать значительную мощность. Повышение температуры может увеличить шум изображения и вызвать смещение цветов, поэтому тепловое решение следует оценивать на этапе проектирования аппаратного обеспечения, а не после ввода в эксплуатацию.
• Проверка мультиплексирования выводов: проверьте все назначения интерфейсов MIPI, DVP, I2C, MCLK и GPIO на наличие конфликтов при совместном использовании функций.

Программное обеспечение и конвейер обработки изображений

• Аппаратное ускорение: RK3576 включает 2D-графический ускоритель RGA для операций, таких как преобразование форматов изображений (например, YUV в RGB), масштабирование и поворот. Использование RGA вместо обработки на ЦП значительно снижает нагрузку на ЦП и имеет важное значение для поддержания стабильной работы с высокой частотой кадров, например, 1080p при 30 кадрах в секунду.
• Планирование потока данных для NPU: при выполнении модели ИИ на встроенном NPU RK3576 с производительностью 6 TOPS типичный путь включает захват изображения с камеры, обработку в ISP, преобразование формата и масштабирование в RGA, выводы NPU и вывод на дисплей. Задержки на каждом этапе следует оценивать при проектировании системы, чтобы гарантировать соответствие конечного продукта требованиям к реальному времени.

Следующие эталонные конфигурации демонстрируют, как можно распределить доступные интерфейсы камеры для нескольких распространённых применений.