基于UVC協(xié)議的4K智能攝像頭

摘要：本文設計了一款基于UVC協(xié)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(guò)USB接口直連電視，實(shí)現4K高清呈現。支持UVC協(xié)議，具有行人追蹤功能。

關(guān)鍵詞：4K；智能攝像頭；UVC協(xié)議；行人追蹤

0 引言

隨著(zhù) 4K 電視的普及和家庭視頻會(huì )議、家庭娛樂(lè )健身的需求，本文開(kāi)發(fā)了一款基于 UVC（USB 視頻類(lèi)， USB Video Class）協(xié)議的 4K 智能攝像頭，通過(guò) USB 連 接線(xiàn)直連 4K 電視，即可實(shí)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(kāi)發(fā)的基于 UVC 協(xié)議的 4K 智能攝像頭操作簡(jiǎn)單，攜帶方便，價(jià)格便宜，具有良好的應用與發(fā)展前景。本文重點(diǎn)介紹攝像頭硬件主要電路開(kāi)發(fā)和 UVC 協(xié)議的實(shí)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(guò)傳感器采集圖像信息，通過(guò) MIPI 信號將采集的圖像信息傳送到主控，主控對圖像進(jìn)行編解碼后通過(guò) USB 接口將圖像信息發(fā)送給電視，電視顯示傳感器采集的圖像信息，從而實(shí)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(gè)核里面都包含一個(gè) 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(dòng)態(tài) 范圍成像，High Dynamic Range Imaging）、3A 功能（AE、 AF、AWB）、LSC、3DNR、2DNR、銳化，dehaze、魚(yú)眼校正、gamma 校正、特征點(diǎn)檢測等算法加速器。芯片集成了 MIPI（移動(dòng)產(chǎn)業(yè)處理器接口，Mobile Industry Processor Interface）接口，通過(guò) 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(yè)界領(lǐng)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(guò)標準的 I²C（集成電路互連通信電路，Inter-Integrated Circuit）接口讀寫(xiě)寄存器。它采用了 1.5 μm 背照式像素技能，在相同產(chǎn)品中靈敏度在 1 160 mV/Lux·s 時(shí)功耗最低。

1.3 硬件設計

硬件電路主要包括電源模塊、時(shí)鐘復位電路、主控、傳感器、USB（通用串行總線(xiàn)，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(gè)系統的電源是通過(guò) USB 提供的，時(shí)鐘和復位保證系統正常工作，Flash 是用來(lái)存儲程序的，DDR 是隨機存儲器，系統通過(guò)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(jìn)行編解碼，最后通過(guò) USB2.0 發(fā)送圖像數據到電視端。

RV1126 時(shí)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(shí)鐘使用有源晶體時(shí)，時(shí)鐘的幅度是 1.8 V±10%。芯片復位引腳低電平大于 4 μs 時(shí)芯片復位，芯片復位引腳并聯(lián)放一個(gè) 100 nF 電容，增強 RV1126 的抗干擾能力，防止誤觸發(fā)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(shí)鐘信號末端串聯(lián)一個(gè) 49.9 Ω 的端接電阻；DDR4 組內的不同信號線(xiàn)之間的間距、組間兩相鄰信號線(xiàn)之間的間距均要使用“3W”原則；單線(xiàn)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(gè)，必須單獨供電，并分別使用 1 個(gè)耦合電容放在相對應的管腳 靠近，這樣在 DDR 工作在高頻時(shí)，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(gè)電阻影響 USB 眼圖質(zhì)量，因本設計是使用 USB 傳 輸視頻流的，所以這個(gè)電阻非常關(guān)鍵；USB 的信號線(xiàn)上要分別放一個(gè)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(shí)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(shí)，DVDD 必須設計 成 1.2 V 電壓。芯片的 VREFN、VREFN2、VREFH 和 TXVDD 通過(guò)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(xiàn)阻抗控控制在 100 Ω，誤差小于 ±10%；MIPI信號不能直走線(xiàn)，會(huì )發(fā)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(xié)議

UVC 即 USB 視頻類(lèi)是 USB Video Class 的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是微軟與其它廠(chǎng)商聯(lián)合推出的為 USB 視頻捕獲設備定義的協(xié)議標準。UVC 設備包括一個(gè)視頻控制接口（VC Interface）和一個(gè)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(jìn)入不同的功能狀態(tài)，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(guān)參數的處理等。

3 結語(yǔ)

本文設計的基于 UVC 協(xié)議的 4K 智能攝像頭，通過(guò) USB 接口直連電視，給用戶(hù) 4K 超高清完美呈現。此攝像頭簡(jiǎn)單易用，經(jīng)濟實(shí)惠，視頻效果好，可廣泛使用在家庭視頻會(huì )議和家庭娛樂(lè )健身。

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(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)