基于OV9712的串行器解串器視頻編碼方案

張寶龍，李 丹，王靖云，郭海成

（1.天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津300222；

2.香港科技大學(xué)顯示技術(shù)研究中心，香港九龍）

基于OV9712的串行器解串器視頻編碼方案

張寶龍1，李 丹1，王靖云1，郭海成2

（1.天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津300222；

2.香港科技大學(xué)顯示技術(shù)研究中心，香港九龍）

以O(shè)V9712作為圖像傳感器，進(jìn)行高清行車(chē)記錄儀攝像模組設(shè)計(jì).為了提高攝像模組中的高清數(shù)字信號(hào)傳輸速率，進(jìn)而提升輸出圖像的清晰度，本文還采用了美國(guó)TI公司生產(chǎn)的集成芯片組DS90UB913Q及DS90UB914Q作為串行器和解串器，對(duì)高清數(shù)字信號(hào)進(jìn)行LVDS差分信號(hào)編碼及解碼，最終實(shí)現(xiàn)了通過(guò)LVDS對(duì)差分信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行全雙工高速通信的功能.實(shí)驗(yàn)表明，該芯片組的應(yīng)用，大幅提高了遠(yuǎn)距離高清圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，使車(chē)載行車(chē)記錄儀圖像更為清晰.

OV9712；DS90UB913Q/DS90UB914Q；FPD-Link III；全雙工通信

1　引 言

隨著汽車(chē)電子設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷更新與提升，各種百萬(wàn)像素照相機(jī)的行車(chē)記錄儀設(shè)計(jì)方案層出不窮.傳統(tǒng)的行車(chē)記錄儀多采用MCU直接配置CMOS圖像傳感器，占用了大量的MCU資源，限制了高性能行車(chē)記錄儀的實(shí)現(xiàn)，而且數(shù)據(jù)并行傳輸輸出的圖像也不清晰［1-2］.

市面上銷(xiāo)售的行車(chē)記錄儀大部分基于MCU直接配置CMOS方案設(shè)計(jì)，因此普遍存在受限于傳輸速率而造成的圖像清晰度不足、色彩辨識(shí)力不理想等缺點(diǎn).與這些行車(chē)記錄儀相比較，美國(guó)TI公司提出一種串行器解串器DS90UB913Q/ 914Q:OV9712 3×106pixel照相機(jī)FPD-Link III接口設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)中傳感器選用Ominivision的OV9712.實(shí)現(xiàn)高速接口以及用于差分對(duì)LVDS信號(hào)數(shù)據(jù)的串行傳輸.本設(shè)計(jì)基于圖像傳感器OV9712和DS90UB913Q/914Q芯片組，實(shí)現(xiàn)了高速率的數(shù)據(jù)傳輸，像素時(shí)鐘穩(wěn)定，圖像清晰穩(wěn)定.有利于行車(chē)記錄儀實(shí)現(xiàn)高清晰度、高色彩質(zhì)量和穩(wěn)定的行車(chē)圖像記錄.

2　DS90UB913Q/914Q系統(tǒng)架構(gòu)及特點(diǎn)

系統(tǒng)分為兩部分（如圖1）:第1部分包括傳感器與串行器DS90UB913Q，第2部分包括解串器DS90UB914Q與控制它的MCU.這兩部分之間通過(guò)FPD-Link III接口相連.

系統(tǒng)的工作原理:首先OV9712輸出RGB的數(shù)據(jù)與串行器DS90UB913Q相連，串行器把并行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一對(duì)LVDS差分對(duì)信號(hào)作為數(shù)據(jù)的發(fā)送端［2］，然后通過(guò)雙絞線(xiàn)或者屏蔽線(xiàn)傳送數(shù)據(jù)進(jìn)而被解串器DS90UB914Q接收端接收，然后解串器輸出10/12位并行數(shù)據(jù)和同步信號(hào)與PCLK，通過(guò)MCU控制這些信號(hào).

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Overall structure of the system

通過(guò)串行差分信號(hào)視頻的連接，用雙向控制總線(xiàn)（I2C），傳輸全雙工高速視頻數(shù)據(jù)（10/12位的并行數(shù)據(jù)，兩個(gè)SYNC位和PCLK）.所以需要單片機(jī)產(chǎn)生I2C來(lái)配置DS90UB914Q的寄存器繼而配置串行器DS90UB913Q的寄存器與CMOS的寄存器來(lái)進(jìn)行軟件的調(diào)試［3-4］.

本方案選用飛思卡爾公司的單片機(jī)MC9S08DZ60來(lái)產(chǎn)生I2C信號(hào)對(duì)解串器進(jìn)行寄存器的讀寫(xiě)從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試.通過(guò)串行器DS90UB913Q來(lái)編程傳感器.

本系統(tǒng)的特色:

（1）DS90UB913Q提供FPD-Link III接口用于差分對(duì)上數(shù)據(jù)發(fā)送的雙向控制通路，具備連續(xù)低延遲、可穩(wěn)定工作在高達(dá)100 MHz的頻率下以及驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，十分適用于汽車(chē)相關(guān)視頻系統(tǒng)，尤其是汽車(chē)前端相機(jī)的數(shù)據(jù)處理.

（2）嵌入式時(shí)鐘技術(shù)使用單一差分對(duì)信息披露的全雙工通信，雙向控制信道I2C實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳輸.通過(guò)解決并行數(shù)據(jù)和串行時(shí)鐘路徑之間的偏差問(wèn)題，大大降低了系統(tǒng)成本，減少數(shù)據(jù)路徑，從而降低了PCB層的寬度和電纜連接器的尺寸.此外，解串器輸入補(bǔ)償提供長(zhǎng)距離傳輸所造成的損失，進(jìn)行自適應(yīng)均衡.實(shí)現(xiàn)編碼和解碼的直流內(nèi)部平衡，支持交流耦合互連.串行器可用一個(gè)32引腳LLP封裝，在設(shè)備的解決方案中解串器采用48引腳LLP封裝.

本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo):

PCLK時(shí)鐘支持10～100 MHz的頻率范圍，具備互連的單差分對(duì)兒，10位數(shù)據(jù)時(shí)像素時(shí)鐘頻率可以達(dá)到100 MHz，12位數(shù)據(jù)時(shí)像素時(shí)鐘頻率可以達(dá)到75 MHz，連續(xù)的低延遲雙向接口通道I2C，其頻率可達(dá)400 KHz.支持2∶1多路復(fù)用器，系統(tǒng)時(shí)鐘具有直流編碼平衡，支持交流互連耦合，最長(zhǎng)可以在25 m的屏蔽雙絞線(xiàn)上通訊，具有4個(gè)專(zhuān)用的通用輸入（GPI）/輸出（GPO），LOCK輸出報(bào)告和高速BIST診斷功能來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)行驗(yàn)證，終端電阻是集成的，1.8 V單電源供電，工作溫度范圍-40℃～+105℃.（5 mm×5 mm）小型串行器，接收端沒(méi)有參考時(shí)鐘，自適應(yīng)接收均衡，EMC下降，DES接收交錯(cuò)輸出［5-6］.

3　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.1OV9712與DS90UB913Q的設(shè)計(jì)

3.1.1電源模塊

系統(tǒng)的總電源為5 V，通過(guò)LMR14203電源芯片先進(jìn)行濾波處理轉(zhuǎn)化為4 V，然后通過(guò)TI公司的TLV70015、TLV70033、TLV70018轉(zhuǎn)化為1.5 V，3.3 V，1.8 V分別給OV9712以及DS90UB913Q供電.如圖2所示.

圖2　串行器與傳感器電源結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Power structure of serializer and sensor

3.1.2時(shí)鐘模塊

如圖3所示，本系統(tǒng)首先通過(guò)一個(gè)有源晶振SIT9201產(chǎn)生外部時(shí)鐘連接至串行器DS90UB913Q的GPIO3引腳作為時(shí)鐘輸入，然后GPIO2引腳作為時(shí)鐘的輸出連接至傳感器OV9712的輸入時(shí)鐘XCLK，繼而輸出時(shí)鐘信號(hào)PCLK與串行器的PCLK相連作為發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)鐘，在傳感器輸出10位并行數(shù)據(jù)的模式下，PCLK的時(shí)鐘頻率理論上是外部輸入時(shí)鐘頻率的一半.

3.1.3DS90UB913Q各個(gè)引腳功能的設(shè)計(jì)

DS90UB913Q的MODE引腳在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意要連接一個(gè)下拉電阻，在本系統(tǒng)中由于采用的是外部晶振，所以根據(jù)串行器的datasheet［7］下拉電阻阻值為4.7Ω.

DS90UB913Q的SCL與SDA引腳設(shè)計(jì)時(shí)需要加上上拉電阻，如圖4所示.

DS90UB913Q的ID［x］引腳需要加上1個(gè)10 kΩ的上拉電阻與1個(gè)0 kΩ的下拉電阻，如圖5所示.

綜上所述，傳感器OV9712與串行器DS90UB913Q部分的設(shè)計(jì)基本就是這樣，其他部分比如模擬地與數(shù)字地之間通過(guò)0歐電阻或者磁珠連接就行了.

圖3　串行器與傳感器的時(shí)鐘模塊Fig.3　Clock module of serializer and the sensor

圖4　DS90UB913Q MODE電阻以及I2C上拉電阻配置Fig.4　DS90UB913Q mode resistor and I2C pull up resistors configuration

3.2DS90UB914Q與MCU部分的設(shè)計(jì)

3.2.1電源模塊

由于本系統(tǒng)選用的單片機(jī)MC9S08DZ60是3.3 V供電的，而且需要一定的驅(qū)動(dòng)電流，所以5 V電源通過(guò)KIA78D33轉(zhuǎn)化為3.3 V給單片機(jī)供電，3.3 V通過(guò)TLV70018轉(zhuǎn)化為1.8 V給DS90UB014供電，如圖6所示.

3.2.2MC9S08DZ60的設(shè)計(jì)

因?yàn)橄到y(tǒng)通過(guò)I2C總線(xiàn)控制數(shù)據(jù)的傳送，所以需要一個(gè)單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生I2C信號(hào)，MC9S08DZ60是飛思卡爾公司生產(chǎn)的，8位HCS08中央處理器；40 MHz HCS08 CPU（20 MHz總線(xiàn)）；HC08指令集，支持32個(gè)中斷源；Flash存儲(chǔ)器60KB；EEPROM在線(xiàn)可編程內(nèi)存2K；4KB的RAM；支持兩種低功耗停止模式；53個(gè)通用輸入/輸出（I/O）管腳和1個(gè)專(zhuān)用輸入管腳；24個(gè)中斷管腳，每個(gè)管腳帶觸發(fā)極性選擇.

圖5　DS90UB913Q RID電阻配置Fig.5　RID resistor configuration of DS90UB913Q

圖6　解串器與MCU電源模塊Fig.6　Supply module of deserializer and MCU

本系統(tǒng)會(huì)用到MC9S08DZ60的兩個(gè)外圍設(shè)備:I2C與CAN.

其中I2C負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳遞，對(duì)DS90UB914Q進(jìn)行讀寫(xiě)，從而對(duì)串行器DS90UB913Q以及OV9712的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)與訪問(wèn).

CAN總線(xiàn)模塊是為后期做準(zhǔn)備，與其他的汽車(chē)片上系統(tǒng)進(jìn)行控制器局域網(wǎng)通信.

此單片機(jī)是通過(guò)一個(gè)6腳的仿真器與計(jì)算機(jī)相連來(lái)進(jìn)行調(diào)試的，BKGD/MS引腳在進(jìn)行復(fù)位的過(guò)程中具有模式選擇功能.

如果有一個(gè)調(diào)試系統(tǒng)連接到6腳標(biāo)準(zhǔn)仿真器上，它將在復(fù)位的上升沿將BKGD保持在0位，從而使MC9S08DZ60進(jìn)入調(diào)試模式.

BKGD/MS管腳主要用于調(diào)試控制器的（BDC）通信.在通信過(guò)程中使用一種協(xié)議，該協(xié)議在每個(gè)Byte時(shí)間周期內(nèi)使用目標(biāo)MCU的BDC時(shí)鐘的16個(gè)時(shí)鐘周期.目標(biāo)MCU的BDC時(shí)鐘速率可以和I2C總線(xiàn)的時(shí)鐘速率一樣快，因此在任何情況下BKGD/MS管腳都不應(yīng)連接大電容.

BKGD/MS管腳在計(jì)算機(jī)調(diào)試通信協(xié)議可以提供瞬間、主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的高速脈沖來(lái)確保快速達(dá)到上升沿.傳輸線(xiàn)上的小電容和單片機(jī)內(nèi)部上拉電阻的參數(shù)不會(huì)影響B(tài)KGD/MS管腳的上升沿和下降沿時(shí)間.

OV9712控制采用SCCB（SeriaI Camera ControlBus）協(xié)議，是簡(jiǎn)化的I2C協(xié)議，SIOC是串行時(shí)鐘輸入線(xiàn)，SIOD是串行雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)，分別相當(dāng)于I2C協(xié)議SCL和SDA.通過(guò)I2C配置OV9712寄存器時(shí)需要注意以下幾點(diǎn):

（1）響應(yīng)信號(hào)ACK被稱(chēng)為一個(gè)傳輸單元第9位，分為Don't care和NA.Don't care位由從機(jī)產(chǎn)生；NA位由主機(jī)產(chǎn)生.

（2）由于SCCB不支持多字節(jié)讀寫(xiě)，NA位必須為高電平.另外，SCCB沒(méi)有重復(fù)起始概念，因此在SCCB讀周期中，當(dāng)主機(jī)發(fā)送完片內(nèi)寄存器地址后，必須發(fā)送總線(xiàn)停止條件.不能產(chǎn)生Don't care響應(yīng)信號(hào).

圖7　MC9S08DZ60原理圖Fig.7　MC9S08DZ60 Schematic

（3）由于I2C和SCCB一些細(xì)微差別，所以采用GPIO模擬SCCB總線(xiàn)方式.SCL所連接引腳始終設(shè)為輸出方式，而SDA所連接引腳在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置IODIR值，動(dòng)態(tài)改變引腳輸入/輸出方式.SCCB在寫(xiě)周期直接使用I2C總線(xiàn)協(xié)議寫(xiě)周期時(shí)序［8-9］.

單片機(jī)原理圖如圖7所示.

3.2.3DS90UB914Q的設(shè)計(jì)

解串器上有一個(gè)多路轉(zhuǎn)換器，其作用是在兩個(gè)輸入串行器之間進(jìn)行選擇.解串器可以只有一個(gè)有效的輸入影像器.初級(jí)的視頻傳輸在1個(gè)單一的高速串行數(shù)據(jù)流上轉(zhuǎn)換10位或者12位數(shù)據(jù).同時(shí)進(jìn)行單獨(dú)的低延時(shí)的雙向控制通道傳輸，并從I2C總線(xiàn)端口接收控制信息，其在視頻消失過(guò)程中是獨(dú)立的.

DS90UB914Q的MODE引腳在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意要連接一個(gè)下拉電阻，在本系統(tǒng)中由于采用的10位數(shù)據(jù)傳輸模式，并且像素時(shí)鐘PCLK在10～100 MHz，所以根據(jù)解串器的datasheet［7］下拉電阻阻值為11Ω.

DS90UB914Q的SCL與SDA引腳設(shè)計(jì)時(shí)需要加上拉電阻，如圖8所示.

圖8　DS90UB914Q MODE電阻以及I2C上拉電阻配置Fig.8　DS90UB914Q mode resistor and I2C pull up resistors configuration

DS90UB914Q的ID［0］、ID［1］引腳需要加上2個(gè)10 kΩ的上拉電阻與2個(gè)0 kΩ的下拉電阻，如圖9所示.

4　FPD Link III接口LVDS信號(hào)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)串行器與解串器之間的連接是數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵，本系統(tǒng)中FPD Link III接口中包括電源

和GND還有一對(duì)兒差分信號(hào)，此差分信號(hào)為百兆高速的LVDS信號(hào)，在設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)該在信號(hào)的正負(fù)兩端串聯(lián)0.1μF的電容，然后通過(guò)共模電感ACM2012H來(lái)進(jìn)行濾波處理，如圖10所示.

圖9　DS90UB914Q RID電阻配置Fig.9　RID resistor configuration of DS90UB914Q

圖10　LVDS信號(hào)的濾波Fig.10　LVDS signal filtering

差分信號(hào)（Differential Signal）在高速電路設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用，電路中關(guān)鍵的通信信號(hào)通常都是差分對(duì)信號(hào).差分信號(hào)的定義就是發(fā)送端發(fā)送兩個(gè)等值、反相的信號(hào)，接收端通過(guò)比較這兩個(gè)電壓的差值來(lái)確定邏輯狀態(tài)是0還是1.而差分信號(hào)的那一對(duì)兒走線(xiàn)就是差分線(xiàn).差分信號(hào)與普通的單端信號(hào)走線(xiàn)相比，信號(hào)通信穩(wěn)定.

為了使兩個(gè)信號(hào)DOUT+/RIN+與DOUT-/RIN-之間組成一對(duì)差分信號(hào)，差分信號(hào)需要加上100Ω電阻進(jìn)行阻抗匹配.還應(yīng)該設(shè)置等長(zhǎng)，注意不要跨分割參考平面［10］.

DS90UB913Q/914Q的I2C數(shù)據(jù)總線(xiàn)提供了MCU和傳感器模塊之間的通信，其總線(xiàn)波形如圖11所示.通過(guò)同一串行視頻鏈接，用透明的雙向傳輸.PCLK像素時(shí)鐘實(shí)際結(jié)果為50 MHz，I2C總線(xiàn)最高速率為400 kbps.控制信道（I2C），VSYNC是幀同步信號(hào)，HSYNC是行同步信號(hào)，PCLK是時(shí)鐘，OUT是數(shù)據(jù).在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，以PCLK的時(shí)鐘為同步信號(hào)，在PCLK的上升沿，產(chǎn)生數(shù)據(jù)跳變，如圖12所示.

DS90UB913Q/914Q芯片組將10位并行圖像RGB數(shù)據(jù)通過(guò)LVDS差分對(duì)信號(hào)的形式進(jìn)行

圖11　I2C總線(xiàn)的波形圖Fig.11　I2C bus oscillogram

圖12　主要輸出信號(hào)波形圖Fig.12　Waveform figure of main output signal

5　結(jié) 論

通過(guò)LVDS的串行數(shù)據(jù)流，DS90UB913Q/ 914Q芯片組支持車(chē)載行車(chē)記錄儀電子系統(tǒng).單差分對(duì)（FPD-Link III）適用于串行器與解串器之間的連接.

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Exploring the program of video coding based on the OV9712 SER/DES

ZHANG Bao-long1，LI Dan1，WANG Jing-yun1，KWOK Hoi-sing2

（1.College of Information and Automation，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300222，China；
2.Center for Display Research，Hong Kong University of Science and Technology，Hong Kong，China）

An OV9712 from Omnivision company was chosen as image sensor for design of automotive camera module.In order to improve the communication speed of high definition image signal，a set of chips from TI，DS90UB913Q and DS90UB914Q as serializer and deserializer was adopted to coding and decoding the LVDS differential signal of high definition image.Finally，the design realizes the function of high-speed and full-duplex communication by LVDS.The experimental result shows that the application of these chipsets improves the image quality of automotive camera module greatly.

OV9712；DS90UB913Q/DS90UB914Q；FPD-Link III；full duplex communication

TP29

A doi:10.3788/YJYXS20153006.0965

1007-2780（2015）06-0965-07

張寶龍（1976-），男，天津人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事集成電路設(shè)計(jì)及半導(dǎo)體制備工藝方向的研究.

李丹（1977-），女，遼寧人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事光電檢測(cè)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)方向的研究.

2015-01-05；

2015-03-15.

天津市科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.13ZCZDGX03000）

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