【某低功耗图像采集装置的总体方案设计案例5500字】

某低功耗图像采集装置的总体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u21578某低功耗图像采集装置的总体方案设计案例 1141671.1主要功能及组成 1146421.2方案设计 2270211.2.1低功耗设计原则 3209671.2.2ARM主控卡 469251.2.3图像采集卡 6116901.2.4以太网通信卡 834771.2.5装置电源卡 8165771.2.6工作流程 1081651.3小结 111.1主要功能及组成图像采集装置的主要功能是监测航天设备飞行过程中某一部位的状态变化，并将图像数据进行H.265压缩编码后通过百兆以太网接口、UDP协议发送至航天设备的中心程序器中，由中心程序器将图像数据传输至地面。因为在实验室中没有航天设备的中心程序器，所以由具有百兆以太网接口的自研存储器综合测控台模拟，这样就组成了一个采集、存储控制的传输链路。任务需求是方案设计的出发点，根据功能需求去明确背后对应的技术指标，有助于更快、更优地完成任务，本图像采集装置的部分任务指标如表2-1所示。表2-1图像采集装置技术指标Table2-1Technicalindexofimageacquisitiondevice序号技术指标功能映射对应器件1图像视场角：>90×60广角拍摄光学镜头2图像采集分辨率@帧率：1280×720@25fps采集能力CMOS光学器件3图像颜色：彩色编码类型4可适应火焰强光和太阳强光突变高动态5解码后的图像显示装置编号，并显示起飞计时信息区域管理主控芯片6视频编码压缩比：>100:1高压缩比7编码为1280×720@25fps时，输出平均码率<700kbps低码率8连续工作时长：2h低功耗整体装置9振动、冲击等实验要求适应恶劣环境整体装置、结构如图2-1所示，图像采集装置自带电池供电，与中心程序器通过两个不同的Socket进行指令交互、传输图像数据，指令交互包含图像采集装置接收中心程序器下发的起飞指令，为了可靠工作，图像采集装置一直处于图像数据发送的状态，中心程序器根据需要选择接收与否。图2-1装置连接关系示意图Figure2-1Schematicdiagramofdeviceconnectionrelationship1.2方案设计由于图像采集装置安装在航天设备中的特殊位置，安装空间有限，所以要求体积较小，为了保证装置体积的较小化、运行的可靠性、维护的便携性，本装置采用模块化设计，由4块板卡通过FPC（柔性PCB）连接而成，分别为ARM主控卡、图像采集卡、以太网通信卡、装置电源卡，内部连接关系框图如图2-2所示。边框不整齐图2-2重新画，组合雷武伟的图2-2内部连接关系框图Figure2-2Blockdiagramofinternalconnectionrelationship1.2.1低功耗设计原则嵌入式系统的重要特征之一是工作负荷的动态变化性和不均匀性，可以通过动态关闭设备或动态调整处理器的工作电压来实现系统性能和功耗之间的平衡，在硬件和软件协同设计过程中降低功耗，如硬件上选用低功耗器件、设计合理电源方案、设计动态调压电路，软件上配合动态PWM调压、动态变换频率策略等。对于低功耗的硬件设计，底层是CMOS电路的基本原理，不同形式的CMOS组织将会产生很大的功耗差异。例如，一般单片机芯片，其休眠电流约为50uA~2mA，而低功耗使用的单片机休眠电流可低于1uA，而且具有多种工作模式，不同模式对应于不同的功耗。举例来说，光学传感器AR0230CS支持多种物理接口传输图像数据，如表2-1所示，典型的为并行和HiSPi接口，每种接口均支持高动态和线性采集模式，可以看出，HiSPi接口的功耗无论在高动态还是线性模式下都明显小于并行接口，HiSPi接口的线性模式的功耗也明显小于高动态模式，不同模式体现出了不同的、较明显的功耗差异。对于不同接口使用，配置硬件管脚的连接实现，对于高动态或者线性模式的配置，通过I2C配置寄存器实现。表2-1AR0230CS多种工作模式Table2-1MultipleworkingmodesofAR0230CS传输接口传输电平/V工作模式分辨率@帧率典型功耗/mW并行接口1.8高动态1080P@30fps558线性3861.8高动态510线性338HiSPi/高动态479线性324总体来看，CMOS电路的功耗取决于负载和内部电路两部分，内部电路与芯片工作电压、运行频率、输出电平、制作工艺都有密切关系[21]。一般来说，CMOS电路的功耗取决于负载和内部电路，而内部电路与芯片的工作电压、工作频率、输出电平和制造过程密切相关[21]。CMOS的功耗特性简单表示为：式中，P为总功耗，n为静态功耗，A为动态功耗，静态功耗电流值常用于评价电路的静态功耗大小。它以电路中流经各PN结的反向漏电流为主，而且它与电源电压P∞有关，随着rm的加大，m亦增大。动态功耗体现在电路进行逻辑状态转换过程中内部消耗的功率。对CMOS电路来说，动态功耗反映了输入信号出现变化时所形成。从以上对cMOs电路的功耗分析可以看出，系统的总功耗与系统的电源电压有很大关系。而动态功耗除了与电源电压的平方有关外。还与其工作脉冲重复频率、脉冲波形以及输出容性负载有关。1.2.2ARM主控卡ARM主控卡的功能是接收来自图像采集卡的图像数据，编码压缩后通过PHY送至以太网通信卡，同时也接收以太网通信卡下发的指令。通过调研，对于H.264/H.265压缩编码的功能，ARM的SDK比FPGA在经济成本、开发难易程度、可行性上有很大的优势[22]，所以选择了集成有H.264或H.265压缩编码硬核的ARM主控芯片，主控卡原理框图如图2-3所示。图2-3ARM主控卡原理框图Figure2-3PrincipleblockdiagramofARMmaincontrolcard对于ARM主控芯片的选型，考虑的主要因素为低功耗架构、硬核压缩编码、区域管理功能、图像数据处理能力、芯片体积等。调研了目前国内外流行的视频安防厂家，整理出三款芯片对比选择，如表2-2所示。表2-2CMOS选型参数表Table2-2CMOSselectionparametertable型号厂家压缩编码数据处理能力芯片体积/mm3对比特点图像接口DM368TIH.264720P@30fps13.1×13.1×1.3体积小MIPI/LVDSS3AmbarellaH.264/H.2654K@30fps16×16×1.4编码性能强劲SLVDS/MIPI/HiSPiHi3516DHiSiliconH.264/H.2651080P@30fps15×15×1.2低功耗架构LVDS/MIPI/HiSPi第一款是DM368，属于美国TI的产品，TI主要从事模拟电路和数字信号处理技术的研究。TI公司推出的旗舰IPC芯片方案是达芬奇数字视频处理器DM368，DM368最高支持720P/30fps高清H.264编码视频压缩，该系列的压缩方案在功耗、编码效率、画质等方面的性能强劲，但不支持片内H.265编码压缩[23]。第二款是S3，属于美国Ambarella的产品，Ambarella是美国的一家以视频为核心的半导体公司，主要提供低功耗、高清视频压缩与图像处理的解决方案。其中针对高清IPC监控方案推出一款H.265压缩编码芯片S3，性能十分强劲。S3可以提供高达4K@30fps分辨率下的H.265编码的视频，但是不具备全景校正功能、芯片体积较大、发热严重、价格昂贵，因此不适合低成本、小型化的应用环境[24]。第三款是Hi3516D，属于国产HiSilicon的产品，HiSilicon（海思）是中国的一家半导体公司，Hi3516D是海思半导体针对高清IPCamera产品应用开发的一款专业高端SOC芯片，图像接口支持1080P@30fps，内部包含了码率控制器，支持固定比特率（CBR）、可变比特率（VBR）、固定Qp值(FIXQp)等多种码率控制模式，对图像的质量和码率进行调节。其H.264/H.265多码流编码性能、优异编码图像质量，在满足差异化IPCamera产品功能、性能、图像质量要求的同时，可大大降低ebom成本[25]。同时采用先进低功耗工艺和低功耗架构设计，支持低功耗相关策略算法。结合三款芯片的优缺点，考虑到本设计重点在于低功耗和高清视频压缩，且在近期芯片制裁的背景下，我们开始认识到自主研发的必要性、重要性、迫切性，芯片自主、吾辈当自强，因此采用国产自主研发芯片Hi3516D作为ARM主控芯片。1.2.3图像采集卡图像采集卡的功能是实现对被摄环境的可见光的采集，主要由CMOS或者CCD传感器完成此功能。图像传感器（SENSOR）可以分为两类，第一类是CCD（chargecoupledevice）电荷耦合器件，第二类是CMOS(complementarymetaloxidesemiconductor)互补金属氧化物半导体。CCD的优点是灵敏度高，噪音小，信噪比大，但是生产工艺复杂、成本高、功耗高；CMOS的优点是集成度高、功耗低（不到CCD的1/3）、成本低，但是噪音比较大、灵敏度较低、对光源要求高[26,27]。在现代日益发达的工艺下，CMOS的工艺逐渐和CCD缩小差距，而且价格便宜，所以CMOS越来越变成主流光学器件。CMOS传感器集成了像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分。CMOS传感器捕获到可见光后，通过像敏单元阵列转换为电信息[28]，然后经过内部处理，可以输出不同接口的数字量送至主控卡做后续处理，图像采集卡原理框图如图2-4所示。图2-4图像采集卡原理框图Figure2-4Principleblockdiagramofimageacquisitioncard对于CMOS器件的选型，首要考虑对象为已经选定的主控芯片Hi516DSDK支持的CMOS器件库，其中提供了10种可配置的CMOS，也有相关的驱动文件，可以快速开发；然后基于一个特性-高动态，因为根据任务要求，图像采集装置需要适应强光突变，用于拍摄飞行器点火、黑暗环境下出舱等光照突变环境，这就需要光学CMOS器件的动态范围尽量大一些，其次是图像输出能力，任务要求为1280×720@25fps，最后考虑芯片体积大小、数据接口等因素。经过调研，注重以上这几方面的参数，整理出三款CMOS对比选择，如表2-3所示。表2-3CMOS选型参数表Table2-3CMOSselectionparametertable型号厂家动态范围/dB输出能力靶面尺寸/inch芯片体积/mm3数据接口OV5658OmniVision73.7500W@30fps1/3.25.5×5.5×3.5MIPI/LVDSIMX178Sony51640W@30fps1/1.815×11.5×2LVDSAR0230CSOnsemi96210W@60fps1/1.710×10×1MIPI/HiSPi第一款是OV5658，它是专为高端安全和监控应用设计的500万像素传感器。OV5658的分辨率高达2592×1944像素，靶面大小为1/3.2英寸传感器，帧率为每秒30帧，动态范围为73.7dB，即使在照明困难的条件下依然可以正常录制。第二款是IMX178，是SONY公司推出的一款1/1.8英寸的CMOS摄像头，有效像素高达3096×2094像素，其具有1/1.8英寸靶面，帧速最高可达30fps，而且能达到星光级超低照度全彩，画面清晰，动态范围在51dB，可在照度低时拍出全彩的环境。第三款是AR0230CS，它是安森美半导体的一款1/1.7英寸CMOS数字图像传感器，其有源像素阵列为1928×1088像素。它可以在线性或高动态范围模式下捕捉图像，并带有滚动快门读出功能。它是为弱光和高动态范围场景性能而设计的。输出接口为串行高速像素接口(HISPI)差分信号。AR0230CS可生成非常清晰、锐利的数字图片，其捕获连续视频和单帧视频的能力使其成为包括监控和高清视频在内的广泛应用的完美选择。对比上面的三款CMOS，AR0230CS动态范围最大，可以最好地满足任务拍摄场景光照突变的情况；IMX178的靶面最大，因此感光面积也更大，拍摄的效果会清晰，但是动态范围和芯片体积不如AR0230CS，这样的芯片体积使得本设计的装置PCB布板较为困难，且通讯接口为LVDS，目前Hi3516D可以驱动，但是移植到其他工业环境使用的话，LVDS比较难驱动，需要FPGA驱动、网络传输协议；OV5658体积最小，但是其他方面对比之下不突出；图像输出能力三款CMOS均可以满足任务需求。所以，基于这些考量，选择使用AR0230CS作为图像采集模块的光学传感器。1.2.4以太网通信卡以太网通信卡的功能是将主控卡的图像数据通过百兆以太网送至中心程序器，同时也把中心程序器下发的起飞指令送至主控模块，接口协议采用UDP。其中，图像数据在普通的H.265压缩编码后，还需加上自己的协议混合编帧，以达到安全传输的目的。以太网通信卡原理框图如图2-5所示。图2-5以太网通信卡原理框图Figure2-5PrincipleblockdiagramofEthernetcommunicationcard1.2.5装置电源卡电源的设计是设备稳定运行的重要因素，而优良的电源设计又是降低功耗的首要目标，因此，设计一种合理、效率高的电源方案，对于期望低功耗的本图像装置有着至关重要的地位。电源功耗的设计，不仅仅只关注小系统的供电，整个系统电源效率设计也需要考虑；实际系统电源的设计，主要考虑系统电源效率和成本两个因素；从系统效率来说，采用一级DC/DC电源转换，整机效率会高一些，但DC/DC本身以及外围的电感等器件成本也相应的会升高；而从成本控制来说，二级DC/DC电源转换，系统电源效率相对一级转换要低，但成本相对要少；客户可自己权衡选择哪种方式。对Hi3516A芯片，有四路Core电源，其中Media_Core电源最大，其余三路电源相对很小；当前DC/DC器件的转换效率在低负载情况下，效率基本上只能达到80%左右的水平，客户需要注意的是，不同的负载电流，会使得DC/DC器件的转换效率不一样，因此，适当选择四路Core电源中的几路进行合并，能在一定程度上提高整机电源转换效率，从而降低整机功耗，以我们推荐的电源方案为例(Media_Core单独一路，其余三路电源合并)。整机输入电压为5V(一般当前DC/DC绝大多数5V输入相对12V输入，DC/DC转换效率要高一些；12V输入时，考虑第一级DC/DC转换效率)，采用MP1494S、MP2122作为2级转换，理论分析整机效率、成本是较好的方案，如图2-1所示。Hi3516A整机电源结构主芯片部分电源转换树图电源卡主要功能是将外部的直流5V转换为内部多分支电压，分别供给ARM主控卡、图像采集卡、以太网通信卡等，因为内部电源较多，在效率、经济、体积大小等因素中考虑，采用多路的DC/DC进行电压转换。电源卡原理框图如图2-6所示。电源卡没有EMI滤波图2-6电源卡原理框图Figure2-6Functionalblockdiagramofthepowercard基于本装置电源需求，内部需要的电源有3.3V、1.8V、1.8V、1.5V、1.1V等，电源架构采用分布式电源架构（DPA），将电源设计发挥到最优的效果。整个单板电源树在保证稳定性的前提下效率较高，即要合理设计单板电源效率，少采用高压差LDO器件，减少电源自身在电源转换过程中所产生的热量。集中式电源架构的表现形式是由外部的一个总的、独立的电源，直接变换到装置中所需的电源，例如外部5V供电情况下，使用DC/DC电源将5V转换为3.3V或者1.8V之类，通常这种DC/DC可以选择单路转换、双路转换甚至多路转换，如图2-7a所示；分布式电源架构的表现形式是多级电源转换，但是一般不超过三级，每转换一次效率就有所降低，第一级将外部总的、独立的电源转换为中间电源，然后