基于Hi3559的8K智能攝像機硬件設(shè)計與實現(xiàn)

林敏強

摘 要：本文設(shè)計了一款基于Hi3559的8K智能攝像機。主控采用海思Hi3559AV100，傳感器采用豪威OV48C40。通過HDMI2.1線連接8K智能攝像機和8K超高清電視，給用戶帶來極致視覺體驗。

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

*基金項目：深圳市科技創(chuàng)新委員會資助項目，項目編號：JSGG20191129143214333

隨著科技的進步和人們對生活品質(zhì)的追求，8K超高清電視正成為研究的熱點，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，滿足了人們對圖像采集和顯示的極致追求。

1 硬件系統(tǒng)方案

8K攝像機主控采用海思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，電源給整個系統(tǒng)供電；時鐘電路保證系統(tǒng)中的各模塊同步；復位電路確保主控可靠的工作；DDR是隨機存儲器，同步需要時鐘；FLASH用來程序存儲；傳感器采集數(shù)據(jù)；HDMI2.1傳輸圖像數(shù)據(jù)；Wi-Fi可以用來無線傳輸，滿足人們無線觀看視頻需求，但是最大支持2K；SD用來存儲視頻。

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，采用最先進的低功耗架構(gòu)和工藝設(shè)計。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

2.1 電源設(shè)計

電源給整個系統(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電源上電時序為：IO電源>DDR電源>內(nèi)核電源；下電時IO先下電，內(nèi)核最后下電。DDR PLL電源與IO電源連接時，必須使用磁珠隔離，紋波小于800 mV，不能有固定頻點噪聲。FLASH接口的IO電源實際連接的時要與對接芯片的接口電平一致。

2.2 時鐘電路

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

2.3 復位電路

系統(tǒng)上電后由主控內(nèi)部 POR 電路對芯片進行復位，Hi3559硬件復位通過RESET引進來實現(xiàn)，低電平有效，最短復位周期為100個24 MHz的時鐘周期，也就是說至少需要4 ms。系統(tǒng)復位電平一定要與FLASH電平保持一致，否則系統(tǒng)無法啟動。

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采用了最先進工藝技術(shù)，在提高性能、降低成本同時還降低了功耗。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、時鐘信號、地址信號、數(shù)據(jù)信號。DDR4中最重要的信號就是地址信號和數(shù)據(jù)信號。DQ[0：31]是數(shù)據(jù)信號，DQS_N/DQS_P是數(shù)據(jù)選通信號；A[0：16]是地址選擇信號，BA[0：1]是Bank地址選擇；CK_N/CK_P是差分時鐘信號；CS_N是DDR片選信號；ODT是阻抗匹配使能信號。DDR與主控的信號連接示意圖如圖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。

2.6 其它電路

Wi-Fi通過USB接口與主控相連，SD卡通過SDIO接口與主控相連，HDMI2.1按照HDMI接口標準規(guī)范與主控相連。

3 PCB設(shè)計注意事項

PCB布局和布線是產(chǎn)品成敗的關(guān)鍵，因此PCB設(shè)計要按照芯片規(guī)格書要求逐條核對。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，Wi-Fi、SD卡的PCB布局和布線直接影響視頻信號傳輸和存儲。

3.1 傳感器PCB設(shè)計

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

3.2 DDR PCB設(shè)計

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

DDR4單端信號阻抗為50 Ω，差分線阻抗為100 Ω；焊盤到過孔之間要內(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層，避免串擾和跨分割，走線到平面的邊緣必須大于4 mil；Flyby拓撲的stub走線要短，可以降低走線的有效阻抗；在設(shè)計中應(yīng)該通過減小支線線寬的方式將負載部分的走線設(shè)計成高阻抗，負載部分的走線和主線阻抗保持一致，這樣可以降低信號反射。

3.3 電源PCB設(shè)計

電源要采用模塊化設(shè)計，保持電源完整性的同時滿足各模塊所需電流。且電源要遠離信號線，避免電源紋波和噪聲對信號的干擾。

4 結(jié)語

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

參考文獻：

[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 considering ultra HD， full HD resolution and 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嵌入式競速智能車設(shè)計[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用. 2021（08）：47-49.

[5] 蒲方.國內(nèi)4K/8K超高清電視發(fā)展的思考與實踐[J].中國傳媒科技.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超高清電視信號在制作域內(nèi)的傳輸[J].現(xiàn)代電視技術(shù). 2019（03）：49-52.