THine Value 嵌入式相機的SerDes套件,顯著縮短MIPI相機Cable延長設計時間

2022.10.25

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專欄

　配有內置相機功能的工業設備不在少數。典型範例包括工廠生產線的檢查/測量設備、監視攝影機、醫療設備和物流運輸系統。另一個更熟悉的例子是有相機鏡頭功能的自動販賣機。
　開發具有內置相機功能的工業設備的工程師必須處理的問題之一是相機鏡頭接口的選擇和相機鏡頭接口的處理。許多工業設備的外部尺寸都比較大,有時希望延長從相機模組輸出的影像數據的傳輸距離。另一方面,在當今嵌入式相機鏡頭系統領域開始廣泛應用的相機鏡頭接口MIPI CSI-2,具有支持高速、低功耗等優點,但傳輸距離最長只有30cm左右。為此,迫切需要以某種方式延長傳輸的距離。
　應該使用什麼方法呢？其中一種方法是使用支持遠距離傳輸的SerDes（ “Serializer”和 “Deserializer”的組合術語）。具體來說,可以在要延長的傳輸線路前後,相機模組端放置一個transmitter IC,並在讀取影像的系統端放置一個receiver IC 來達到延長Cable的效果（圖 1）。

圖 1 透過長距離傳對應interface來延長Cable

　但是在這裡我們遇到了一個問題。那就是「如何在設計初期確認相機系統是否在保證足夠傳輸距離的情況下運行」。一旦硬體和軟體準備就緒,經由設計和試作性能終於得到確認,但如果發現它不能正常運作或傳輸距離不夠,也將被迫重新設計。如此一來會浪費許多時間和金錢成本。

在設計的初期階段沒有優化的評估套件

　為了避免這種情況,最好在設計的初始階段預先針對動作檢查並評估傳輸的能力。換句話說,透過搭載內含所需之影像感測器的相機模組、transmitter IC/receiver IC、Cable等,實際確認傳輸影像訊號,它可否毫無問題地運行,或者測試是否達到傳輸要求的距離。
　所有擁有 SerDes 系列的半導體製造商，都會提供評估板讓客人進行事前評估。例如我們THine就提供搭載transmitter IC「THCV241A」的評估板和搭載receiver IC「THCV242A」的評估板。
　然而,即使您在設計初期嘗試使用此評估板,也並非易事。開始評估之前,在硬體和軟體上都需要花費大量的時間和精力。

從事前評估的階段開始就需要開發硬體和軟體

　具體來說需要那些的工作呢？
　首先,從硬體的角度來看,目前的評估板規格並不朝向特定的市場或應用,通用性非常強。例如,MIPI CSI-2 輸入/輸出連接器使用pin・header,具有易於使用的優點,但基本上沒有可以不加工就可以連接起來的相機模組或影像讀取平台。此外,長距離傳輸部分V-by-One HS的輸入輸出連接器也採用了通用性極高的SMA連接器,方便用戶製作和連接可轉換為任何連接器的規格,但連接到 SMA 連接器並支持遠距離傳輸的電纜並不多見。因此,即使用戶想要連接特定的設備和電纜進行初步評估，也無法避免硬體工作。
　再來是軟體的角度,相機鏡頭模組、SerDes、影像讀取平台都需要設置和環境搭建才能運行。以transmitter IC/ receiver IC為例,需要根據影像訊號的數據傳輸速度和影像訊號/控制訊號的傳輸路徑配置來描述register code。通常,事前評估是為了減少設計後的重工,但如果像這樣投入大量資源進行預評估,最終可能會本末倒置。

可以從影像出現的狀態開始

　因此,我們準備了「MIPI Camera SerDes Starter Kit」,專注於減少將SerDes應用於工業設備嵌入式相機的時間和成本負擔。硬體配置包括搭載 V-by-One HS 的transmitter IC「THCV241A」的傳輸板、搭載receiver IC「THCV242A」的接收板以及使用 RJ-45 連接器的網路線。將對應傳輸板的相機鏡頭模組和指定的Graber Board（圖像讀取設備）連接到接收板,傳輸板和接收板用網路線相連接（圖2）。透過使用該套件,您可以從影像出現開始來評估 SerDes,而無需花時間開發硬體或軟體以及構建環境。

圖 2 「內置相機鏡頭SerDes starter kit」的系統配置

　下面就來介紹一下我們是如何省去軟・硬體開發和環境搭建,而讓影像顯示出來的。

　首先,在硬體方面,我們指定可對應市售的相機鏡頭模組和影像擷取環境,並預先匹配了傳輸板和接收板的連接器進行連接。另外在軟體方面,透過確保其運行所需的一組軟體（*由我們公司或第三方提供）,用戶無需額外準備。可對應的市售相機鏡頭模組包括Shikino High Tech的130萬（1.3M）畫素產品、德國FRAMOS 的200萬（2M）、500萬（5M）、800萬（8M）畫素產品，共4款產品（圖 3）。這些都是各公司作為工業設備的內置相機鏡頭模組的產品。用作影像讀取的Graber Board則是使用中國DOTHINKEY的產品。該公司的Graber Board在中國市場應用廣泛,以其高性價比而享有盛譽。

圖 3 對應相機鏡頭模組的陣容

　此外,採用廣泛應用於工業設備領域安裝在傳輸板和接收板上長距離傳輸的RJ-45連接器。搭載RJ-45的網路線很容易買到,CAT6、CAT7等多種傳輸品質等級的網路線也不難入手。在Cable長度方面,除了豐富的陣容外,您可以相對輕鬆地自己製作所需長度的Cable,這也是評估傳輸方面上的一個關鍵點。該套件附有確認動作用的Cable。

這樣用戶可以使用該套件從顯示影像的狀態對SerDes進行初步評估,將能透過更換網路線來檢查傳輸能力,對Cable進行初期評估。特別是當用戶將 RJ-45 連接器和網路線應用於量產設計時,可以獲得高效的評估結果。

作為參考設計的入門套件

　如果在SerDes的初步評估中確定了可行性,那麼我們將轉向用戶案件的設計工作。這就是向所謂的「量產設計」的轉換。該套件在本次設計工作中扮演著重要的角色。

我們還將提供此套件中包含的每個傳輸/接收板的原理圖和物料清單 (BOM),以及「THCV241A」、「THCV242A」的register code。透過這樣,可以呈現影像的硬體/軟體環境將與這些數據集成為「正確的圖像輸出」,還將可以作為量產設計的參考設計。用戶將能夠「正確地」與任意設計進行比較,以便於驗證和除錯。

備份量產設計轉換、GUI register生成工具

　除了配置本套件中「THCV241A」、「THCV242A」的Reference register code外,我們還將開始提供可以自動生成register code專用的GUI（Graphical User Interface）工具（圖4）。使用此 GUI 工具，您可以為您選擇的任何相機模組或周邊機器自動生成Reference register code。過去,需要閱讀data sheet、應用程序和Register map並從頭開始編寫代碼,但這個 GUI 工具可以大大減輕此類工作的負擔。