THine Value 變身「大型智慧手機」的自動販賣機 擴展影像Interface的挑戰
2024.01.05
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現今，各種電子設備正在轉變為「大型智慧手機」。這就是所謂的「智慧型手機化」。 當然變成智慧型手機並不代表您可以隨身攜帶電子設備打電話、使用SNS服務或玩遊戲。而是意味著這些電子設備內部的系統配置變得與智慧型手機非常相似。 具體來說它搭載了豐富的功能，如顯示器、相機、音訊、各種感測器、LTE通訊功能、Wi-Fi（無線LAN）功能、藍牙功能和GNSS功能，並且將這些功能都整合在具有高演算處理能力的一個控制設備中。
這類電子設備已成為智慧型手機化的典型例子，也就是銷售軟性飲料、酒精飲料和糖果等產品的自動販賣機。過去自動販賣機只能投入鈔票或硬幣購買所需的產品。 然而，近年來的自動販賣機搭載了顯示產品廣告的顯示器、用於QR Code支付的攝影機、共享銷售訊息的LTE通訊等功能，並且未來還將安裝用於預防犯罪的監視攝影機。掌握買家屬性的邊緣AI功能也將陸續應用於自動販賣機之上。這些都是從按鍵式手機到智慧型手機的型態轉變而來的。
智慧手機化的電子設備實際上可以重複使用智慧型手機中使用的大量半導體晶片和電子元件。可以說是能夠享受更容易設計和更低成本的好處。然而，在某些情況下會遇到新的設計問題。這是因為智慧型手機和自動販賣機的外部尺寸完全不同的關係。智慧型手機尺寸最多約160mm x 80mm x 9mm。因此，用於傳輸顯示器上顯示的影像訊號和相機拍攝的影像訊號的介面長度可以非常短。最多只能連接幾十公分的MIPI D-PHY沒有問題。但是自動販賣機的尺寸非常大，最大高度為2米。所以如果影像訊號介面走在其內部，長度可能會超過1.5米，甚至達到3米。MIPI D-PHY和LVDS通常受到距離限制，因此設備的設計上更需要花功夫。
這類電子設備已成為智慧型手機化的典型例子，也就是銷售軟性飲料、酒精飲料和糖果等產品的自動販賣機。過去自動販賣機只能投入鈔票或硬幣購買所需的產品。 然而，近年來的自動販賣機搭載了顯示產品廣告的顯示器、用於QR Code支付的攝影機、共享銷售訊息的LTE通訊等功能，並且未來還將安裝用於預防犯罪的監視攝影機。掌握買家屬性的邊緣AI功能也將陸續應用於自動販賣機之上。這些都是從按鍵式手機到智慧型手機的型態轉變而來的。
智慧手機化的電子設備實際上可以重複使用智慧型手機中使用的大量半導體晶片和電子元件。可以說是能夠享受更容易設計和更低成本的好處。然而，在某些情況下會遇到新的設計問題。這是因為智慧型手機和自動販賣機的外部尺寸完全不同的關係。智慧型手機尺寸最多約160mm x 80mm x 9mm。因此，用於傳輸顯示器上顯示的影像訊號和相機拍攝的影像訊號的介面長度可以非常短。最多只能連接幾十公分的MIPI D-PHY沒有問題。但是自動販賣機的尺寸非常大，最大高度為2米。所以如果影像訊號介面走在其內部，長度可能會超過1.5米，甚至達到3米。MIPI D-PHY和LVDS通常受到距離限制，因此設備的設計上更需要花功夫。
年輕工程師迎接挑戰
「讓我們實際嘗試製作一個智慧型手機的自動販賣機原型吧！」
2023年6月上旬，在職訓練（On the Job Training）的導師找了於同年4月加入公司的宇野。
導師給宇野的開發主題如下，系統構成包括用於監控/預防犯罪的攝影機、QR Code支付的攝影機以及用於廣告顯示的10.1英吋液晶面板，這些皆是由THine Electronics子公司Cathay銷售的Smart Module「SIM8918JP」控制（圖1）。正常情況下，自動販賣機中銷售的產品廣告和監控攝影機拍攝的影片每三分鐘就會在液晶螢幕上依序顯示一次，當顧客（購買者）掃描QR Code時，影像就會轉換為該畫面。
Smart Module SIM8918JP將美國Qualcomm的64bit處理器「QCM2290」、LTE通訊功能、無線LAN功能、藍牙功能、GNSS功能等整合到一個模組中（圖2）。 QCM2290除了配備四個來自英國Arm的Cortex-A53之外，還整合作為高效能繪圖處理器(GPU)的「Adreno720」，利用Android作業系統來運行。
導師給宇野的開發主題如下，系統構成包括用於監控/預防犯罪的攝影機、QR Code支付的攝影機以及用於廣告顯示的10.1英吋液晶面板，這些皆是由THine Electronics子公司Cathay銷售的Smart Module「SIM8918JP」控制（圖1）。正常情況下，自動販賣機中銷售的產品廣告和監控攝影機拍攝的影片每三分鐘就會在液晶螢幕上依序顯示一次，當顧客（購買者）掃描QR Code時，影像就會轉換為該畫面。
Smart Module SIM8918JP將美國Qualcomm的64bit處理器「QCM2290」、LTE通訊功能、無線LAN功能、藍牙功能、GNSS功能等整合到一個模組中（圖2）。 QCM2290除了配備四個來自英國Arm的Cortex-A53之外，還整合作為高效能繪圖處理器(GPU)的「Adreno720」，利用Android作業系統來運行。
圖2 Smart Module及其評估板
開發時間僅3個半月
完成開發的日期已經確定。那是一個展覽，將於2023年10月下旬舉行，大約五個月後。在展覽會上，必須要展示自動販賣機的原型。考慮到實際生產所開發的自動販賣機原型所需的時間，開發時間最晚需要在9月中旬完成。也就是說，實際的開發時間只有三個半月。
這次有兩個主要的開發項目。一個是影像Interface的擴展，這對於實現智慧型手機化的自動販賣機至關重要。具體來說，連接Smart Module和監控攝影機的影像Interface以及連接Smart Module和液晶面板的影像Interface的傳輸距離必須延長至約2米。另一個則是在Android作業系統上應用程式的開發。也就是說需要一個既具有用在監控攝影機鏡頭和廣告之間切換的系統，又同時具有執行QR Code支付的應用程式系統。
這兩個開發項目必須在短短三個半月內完成。不過宇野並沒有感到不耐煩。因為THine Electronics推出了「MIPI Camera SerDes Starter Kit（以下簡稱Starter Kit）」。這次，我們使用符合「V-by-One HS」或「V-by-One HS II (*1)」規範的SerDes晶片（Serializer IC和Deserializer IC）作為擴展影像Interface的方法。也就是說Serializer IC「THCV241A」和Deserializer IC「THCV242A」用於連接Smart Module和監控/預防犯罪攝影機的影像Interface，連接Smart Module和LCD面板的影像Interface則是採用觸控螢幕的理想解決方案Serializer IC「THCV333」和Deserializer IC「THCV334」。
無論哪種情況都需要根據影像Interface的傳輸速度、影像/控制訊號的配置等，寫入Serializer IC和Deserializer IC的暫存器代碼。而這次使用的Starter Kit還附帶了保證正確操作的暫存器代碼。當然，您不能完全照原樣使用程式碼，需要進行修改以適用在要應用的系統之上。
＃＃（註釋）
(*1) V-by-One HS II 不會在單獨的差分線上傳輸影像訊號和控制訊號，而是透過將控制訊號疊加在影像訊號上，在一組差分線上傳輸它們。
這次有兩個主要的開發項目。一個是影像Interface的擴展，這對於實現智慧型手機化的自動販賣機至關重要。具體來說，連接Smart Module和監控攝影機的影像Interface以及連接Smart Module和液晶面板的影像Interface的傳輸距離必須延長至約2米。另一個則是在Android作業系統上應用程式的開發。也就是說需要一個既具有用在監控攝影機鏡頭和廣告之間切換的系統，又同時具有執行QR Code支付的應用程式系統。
這兩個開發項目必須在短短三個半月內完成。不過宇野並沒有感到不耐煩。因為THine Electronics推出了「MIPI Camera SerDes Starter Kit（以下簡稱Starter Kit）」。這次，我們使用符合「V-by-One HS」或「V-by-One HS II (*1)」規範的SerDes晶片（Serializer IC和Deserializer IC）作為擴展影像Interface的方法。也就是說Serializer IC「THCV241A」和Deserializer IC「THCV242A」用於連接Smart Module和監控/預防犯罪攝影機的影像Interface，連接Smart Module和LCD面板的影像Interface則是採用觸控螢幕的理想解決方案Serializer IC「THCV333」和Deserializer IC「THCV334」。
無論哪種情況都需要根據影像Interface的傳輸速度、影像/控制訊號的配置等，寫入Serializer IC和Deserializer IC的暫存器代碼。而這次使用的Starter Kit還附帶了保證正確操作的暫存器代碼。當然，您不能完全照原樣使用程式碼，需要進行修改以適用在要應用的系統之上。
＃＃（註釋）
(*1) V-by-One HS II 不會在單獨的差分線上傳輸影像訊號和控制訊號，而是透過將控制訊號疊加在影像訊號上，在一組差分線上傳輸它們。
問題發生的原因出乎意料・・・
受助於Starter Kit，開發進展順利。但卻有很多事情發生，突然遇到了麻煩。監控攝影機根本無法動作。即使重新打開電源或重新連接它，也都沒有反映。
為什麼它不能動呢？實際上，宇野自己設計了連接Smart Module的MIPI輸入和Serializer IC的MIPI輸出的轉換板，並將製造委託給外部公司。也許是他的設計有錯誤。不過仔細檢查後，似乎沒有發現什麼錯誤。接下來懷疑的是從Smart Module發送來控制監控攝影機的I2C訊號。它可能尚未送達或可能不正確。於是用示波器仔細檢查了I2C訊號的波形。結果發現I2C訊號並沒有問題。
宇野想不出其他可能導致問題的原因。所以決定再次檢查全部。然後，他發現有些迴路的設計意圖無法確認。它是相機的clock振盪迴路。這個電路是宇野的OJT導師給他作為參考的。當仔細觀察這個clock振盪迴路時，他發現low pass filter的截斷頻率太低，也切斷了clock訊號。換句話說，clock訊號無法提供給相機。這應該動不了。因此，重新檢查構成clock振盪迴路的電阻和電容的迴路常數，並將其修改為最佳值。結果，監控攝影機成功開始運作。「發生這個問題是缺乏溝通所造成的。我很快意識到導師給我的clock振盪迴路我誤會了，我照原樣應用，導致了這個問題產生。而這也讓我得到意想不到的收穫：我對I2C訊號變得非常了解，因為我用示波器多次觀察I2C訊號以找到原因。」
為什麼它不能動呢？實際上，宇野自己設計了連接Smart Module的MIPI輸入和Serializer IC的MIPI輸出的轉換板，並將製造委託給外部公司。也許是他的設計有錯誤。不過仔細檢查後，似乎沒有發現什麼錯誤。接下來懷疑的是從Smart Module發送來控制監控攝影機的I2C訊號。它可能尚未送達或可能不正確。於是用示波器仔細檢查了I2C訊號的波形。結果發現I2C訊號並沒有問題。
宇野想不出其他可能導致問題的原因。所以決定再次檢查全部。然後，他發現有些迴路的設計意圖無法確認。它是相機的clock振盪迴路。這個電路是宇野的OJT導師給他作為參考的。當仔細觀察這個clock振盪迴路時，他發現low pass filter的截斷頻率太低，也切斷了clock訊號。換句話說，clock訊號無法提供給相機。這應該動不了。因此，重新檢查構成clock振盪迴路的電阻和電容的迴路常數，並將其修改為最佳值。結果，監控攝影機成功開始運作。「發生這個問題是缺乏溝通所造成的。我很快意識到導師給我的clock振盪迴路我誤會了，我照原樣應用，導致了這個問題產生。而這也讓我得到意想不到的收穫：我對I2C訊號變得非常了解，因為我用示波器多次觀察I2C訊號以找到原因。」
顯示器壞了嗎？
但這並不是宇野遇到的唯一麻煩。在處於相對較晚的發展階段，將顯示器連接到Smart Module並檢查影像是否可以正常顯示？結果根本無法顯示任何影像。當宇野試著檢查顯示器時，它似乎壞了。為什麼它壞了？他們不知道為什麼。
所以他們重新審視了從Smart Module到顯示器的設計。然後意想不到的事情發生了，在檢查Smart Module時，發現在規格書中寫為「NC（No Connect）」的訊號端子輸出大約1V的電壓。一般來說，NC端子的意思是「沒有連接到封裝內的晶片」。因為電力是浮動的，因此將其接地面應該是安全的。但NC端子這樣顯示，有時意味著不能連接到外部。換句話說，Smart Module似乎是使用於後者的定義上。因此，透過物理斷開NC端子使其無法連接地面，於是就順利在顯示器上顯示影像了。
包括上述兩個故障排除，所有硬體開發均於9月中旬完成（圖 3）。
然而，到了八月中旬，大部分的事情都告一個段落。但顯示器卻遲遲尚未入手，也就是需要再一點等待的時間。宇野利用這段時間開始開發應用程式。事實上，這是宇野第一次開發應用程式，所有開發案均如期於9月中旬完成。結果也確實比預期要來的好。
所以他們重新審視了從Smart Module到顯示器的設計。然後意想不到的事情發生了，在檢查Smart Module時，發現在規格書中寫為「NC（No Connect）」的訊號端子輸出大約1V的電壓。一般來說，NC端子的意思是「沒有連接到封裝內的晶片」。因為電力是浮動的，因此將其接地面應該是安全的。但NC端子這樣顯示，有時意味著不能連接到外部。換句話說，Smart Module似乎是使用於後者的定義上。因此，透過物理斷開NC端子使其無法連接地面，於是就順利在顯示器上顯示影像了。
包括上述兩個故障排除，所有硬體開發均於9月中旬完成（圖 3）。
圖3 為「智慧型手機化的自動販賣機」所開發的內部系統
然而，到了八月中旬，大部分的事情都告一個段落。但顯示器卻遲遲尚未入手，也就是需要再一點等待的時間。宇野利用這段時間開始開發應用程式。事實上，這是宇野第一次開發應用程式，所有開發案均如期於9月中旬完成。結果也確實比預期要來的好。
朝向夢想
在2023年10月下旬舉行的展覽會上，宇野忙著在他開發的「智慧型手機化的自動販賣機」（圖4）前,向參觀者進行說明。
參觀者有著濃厚的的興趣。「不僅僅是自動販賣機,就連便利商店和超市使用的自助結帳機（POS終端）也連接了監視攝影機並越來越朝向智慧手機化。我想它正在受到高度的關注吧。」
宇野的在職訓練期於10月底結束，並於11月1日開始在所屬部門工作。該部門將負責IC開發/設計。他加入公司時的願望實現了。在那裡，他將從頭開始學習IC開發/設計。
以上
圖4 「智慧手機化的自動販賣機」
參觀者有著濃厚的的興趣。「不僅僅是自動販賣機,就連便利商店和超市使用的自助結帳機（POS終端）也連接了監視攝影機並越來越朝向智慧手機化。我想它正在受到高度的關注吧。」
宇野的在職訓練期於10月底結束，並於11月1日開始在所屬部門工作。該部門將負責IC開發/設計。他加入公司時的願望實現了。在那裡，他將從頭開始學習IC開發/設計。
以上