基于UVC協議的4K智能攝像頭

摘要：本文設計了一款基于UVC協議的4K智能攝像頭，主控采用瑞芯微RV1126，傳感器采用思特威 SC8238。攝像頭通過USB接口直連電視，實現4K高清呈現。支持UVC協議，具有行人追蹤功能。

關鍵詞：4K；智能攝像頭；UVC協議；行人追蹤

0 引言

隨著 4K 電視的普及和家庭視頻會議、家庭娛樂健身的需求，本文開發了一款基于 UVC（USB 視頻類， USB Video Class）協議的 4K 智能攝像頭，通過 USB 連 接線直連 4K 電視，即可實現攝像頭到電視端到端的 4K 超清呈現，如圖 1。

圖1 攝像頭應用系統框圖

本文開發的基于 UVC 協議的 4K 智能攝像頭操作簡單，攜帶方便，價格便宜，具有良好的應用與發展前景。本文重點介紹攝像頭硬件主要電路開發和 UVC 協議的實現。

1 硬件設計

系統主控采用瑞芯微 RV1126，傳感器采用思特威 SC8238。攝像頭通過傳感器采集圖像信息，通過 MIPI 信號將采集的圖像信息傳送到主控，主控對圖像進行編解碼后通過 USB 接口將圖像信息發送給電視，電視顯示傳感器采集的圖像信息，從而實現攝像頭到電視端 4K 超清呈現，攝像頭視頻信號流，如圖 2。

1.1 RV1126介紹

RV1126 支持 4K（3 840×2 160）H.265 30 fps 視頻編碼，四核 Arm Cortex-A7 架構，內部集成了 2.0 Tops 的 NPU，NPU 支持 INT8/INT16 混合操作，可以很容易在 TensorFlow、MXNet、PyTorch、Caffe 之間轉換。RV1126 每個核里面都包含一個 32 KB I-cache、32 KB D-cache 和共用二級緩存 512 KB。芯片內容集成了 HDR（高動態 范圍成像，High Dynamic Range Imaging）、3A 功能（AE、 AF、AWB）、LSC、3DNR、2DNR、銳化，dehaze、魚眼校正、gamma 校正、特征點檢測等算法加速器。芯片集成了 MIPI（移動產業處理器接口，Mobile Industry Processor Interface）接口，通過 MIPI 信號和傳感器直連。

1.2 SC8238介紹

思特威 SC8238 最高支持 4K（3 840×2 160）的傳輸速率，是一款業界領先的數字 CMOS（互補金屬氧化物半導體，Complementary Metal Oxide Semiconductor）圖像傳感器，它輸出的是 raw 格式圖像，有效像素為 3 872×2 180，可以通過標準的 I²C（集成電路互連通信電路，Inter-Integrated Circuit）接口讀寫寄存器。它采用了 1.5 μm 背照式像素技能，在相同產品中靈敏度在 1 160 mV/Lux·s 時功耗最低。

1.3 硬件設計

硬件電路主要包括電源模塊、時鐘復位電路、主控、傳感器、USB（通用串行總線，Universal Serial Bus）、DDR（雙倍速率，Double Data Rate）和 Flash 等，硬件電路框圖如圖 3。

其中，整個系統的電源是通過 USB 提供的，時鐘和復位保證系統正常工作，Flash 是用來存儲程序的，DDR 是隨機存儲器，系統通過思特威傳感器芯片 SC8238 采集圖像數據，用瑞芯微 RV1126 芯片對圖像數據進行編解碼，最后通過 USB2.0 發送圖像數據到電視端。

RV1126 時鐘電路由內部的反饋電路和外置的 24 MHz 晶體振蕩電路構成；系統時鐘使用有源晶體時，時鐘的幅度是 1.8 V±10%。芯片復位引腳低電平大于 4 μs 時芯片復位，芯片復位引腳并聯放一個 100 nF 電容，增強 RV1126 的抗干擾能力，防止誤觸發導致系統復位。DDR采用T型設計，DQ和DQS雙向信號直接連接即可，差分時鐘信號末端串聯一個 49.9 Ω 的端接電阻；DDR4 組內的不同信號線之間的間距、組間兩相鄰信號線之間的間距均要使用“3W”原則；單線特征阻抗控制在 50 Ω±10%，差分對阻抗控制 100 Ω±10%。PLL 電源包括 PLL_AVDD_0V8 和 PLL_AVDD_1V8 兩個，必須單獨供電，并分別使用 1 個耦合電容放在相對應的管腳 靠近，這樣在 DDR 工作在高頻時，可以提高系統的穩定性。內核電源電壓是 0.8 V，必須使用單獨的 DC-DC 供電，且供電能力不能小于 1 A。NPU 電源電壓是 0.8 V， 必須使用單獨的 DC-DC 供電，且供電能力不能小于 2 A。芯片USB控制器使用200 Ω精度為1%的參考電阻，這個電阻影響 USB 眼圖質量，因本設計是使用 USB 傳 輸視頻流的，所以這個電阻非常關鍵；USB 的信號線上要分別放一個靜電防護器件，該器件的寄生電容要不大于 1 pF,ESD PCB 布局時器件要盡可能靠近 USB。

思特威傳感器芯片 SC8238 包括 DOVDD（1.8 V）、 AVDD（2.8 V）和 DVDD（1.2 V）三路電源，濾波電容必須靠近引腳放置；在 4K 幀率時，DVDD 必須設計 成 1.2 V 電壓。芯片的 VREFN、VREFN2、VREFH 和 TXVDD 通過電容到地，可以濾除電源紋波的高頻部分和低頻部分。MIPI 信號差分線阻抗控控制在 100 Ω，誤差小于 ±10%；MIPI信號不能直走線，會發生信號反射，影響視頻高速傳輸性能，且 MIPI 信號下必須有完整的地參考層，不能分割。

2 UVC協議

UVC 即 USB 視頻類是 USB Video Class 的簡稱，它是微軟與其它廠商聯合推出的為 USB 視頻捕獲設備定義的協議標準。UVC 設備包括一個視頻控制接口（VC Interface）和一個視頻流接口（VS Interface）；視頻控制接口主要用于配置操作，讓 UVC 設備進入不同的功能狀態，視頻流接口負責 UVC 設備的視頻數據流傳輸。 UVC 的拓撲結構包括視頻流輸入 / 輸出、攝像頭視頻流傳輸控制、圖像數據采集源的切換和選擇控制，以及圖像相關參數的處理等。

3 結語

本文設計的基于 UVC 協議的 4K 智能攝像頭，通過 USB 接口直連電視，給用戶 4K 超高清完美呈現。此攝像頭簡單易用，經濟實惠，視頻效果好，可廣泛使用在家庭視頻會議和家庭娛樂健身。

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(注：本文轉載自《電子產品世界》2022年7月期)