Einleitung

Die digitalen Kameramodule der phyCAM – Serien ermöglichen eine einfache und effiziente Ausstattung von Microcontrollerdesigns mit Bildverarbeitungstechnologie.

Kameramodule mit phyCAM - Interface können direkt mit dem digitalen Kamerainterface der PHYTEC- Microcontrollermodule ver­bun­den werden. Dies ermöglicht die einfache Integration von Kamera­technologie in kompakte, kundenspezifisch gestaltete Produkte. Viele BSPs (Board-Support-Packages) der PHYTEC-Microcontrollermodule beinhalten bereits die entsprechenden Softwaretreiber für die phyCAM – Module.

Durch die offene Schnittstellendefinition können phyCAM-Module auch zusammen mit anderen Microcontrollern bzw. Hardware-Designs eingesetzt werden, die eine entsprechende Kameraschnittstelle besitzen.

Die Schnittstellen der phyCAM – Produkte sind innerhalb der jeweiligen Produktserien identisch. Dies ermöglicht es, verschiedene Kameramodule mit der gleichen Applikationsschaltung zu verbinden. Damit ist eine Skalierbarkeit während der Designphase und in zukünftigen Designvarianten möglich.

Um eine optimale Anpassung an die jeweiligen Anforderung der konkreten Applikation zu ermöglichen, gibt es vier grundsätzliche Schnittstellen-Systeme: phyCAM-P, phyCAM-S, phyCAM-M und phyCAM-L. Diese werden im Folgenden ausführlich vorgestellt.

Das phyCAM – Interface wird von verschiedenen, leistungsfähigen 32 Bit-Controllern unterstützt, beispielsweise den NXP i.MX – Controllern. Zusammen mit den verschiedenen Varianten der Kameramodule entsteht ein Baukasten-System, aus dem der Produktentwickler die optimale Kombination auswählen kann.

Jede Kamera ist wahlweise als reine Platinenversion oder mit Objektivhaltern für C/CS-Mount oder M12-Objektive erhältlich. So kann die Anpassung an die optischen Anforderungen der Applikation ebenfalls auf einfache Weise erfolgen.

phyCAM-Schnittstellenkonzepte

Das phyCAM – Konzept umfasst drei grundlegende Schnittstellenmodelle:

• phyCAM-P– parallele Datenverbindung
• phyCAM-S– serielle LVDS-Datenverbindung
• phyCAM-M– MIPI CSI-2 Datenverbindung
• phyCAM-L– FPD-Link III Datenverbindung

Die Eigenschaften der Datenverbindung haben Einfluss auf bestimmte Merkmale des Gerätedesigns.

Entsprechend den Anforderungen der Systemarchitektur sollte daher zunächst die passende Variante - phyCAM-P, phyCAM-S, phyCAM-M oder phyCAM-L ausgewählt werden.

phyCAM-P (links), phyCAM-S, phyCAM-M, phyCAM-L (rechts) Schnittstellen

Unabhängig von der elektrischen Ausführung der Schnittstelle transportieren die phyCAM-Schnittstellen jeweils die folgenden Signale zwischen Kamera und Applikationsboard:

• Stromversorgung der Kamera
• Taktversorgung zur Kamera
• Bilddaten von der Kamera
• Steuerdatenbus (I²C) für die Kamerakonfiguration
• eventuell Zusatzfunktionen

Im Folgenden sind die wichtigsten Merkmale der Schnittstellen-Varianten aufgeführt:

phyCAM-P

Die parallele Variante der phyCAM-Schnittstelle bietet einen äußerst einfachen und kostengünstigen Weg zur Integration der Kamera in ein System.

Die Daten- und Steuersignale werden parallel über ein 33 poliges FFC-Kabel übertragen. Dies reduziert den Interface-Aufwand auf ein Minimum und ermöglicht dennoch eine Kompatibilität der Kameratypen. Reservierte Pins erlauben den Zugriff auf spezielle Funktionen wie z.B. Triggereingang oder Lichtsteuerung.

Bilddaten können mit bis zu 12 Bit Graustufenauflösung bzw. Farbtiefe übertragen werden (Farbtiefe pro Kanal).

phyCAM-P eignet sich besonders für die geräteinterne Installation von Kameras. Die Leitungslänge kann bis zu 30 cm betragen.

Das phyCAM-P – Interface ist unter anderem auf den PHYTEC SBCs (Single-Board-Computer) phyBOARD i.MX 6UL Segin und phyBOARD i.MX 6 Nunki ausgebaut.

phyCAM-S

Beim phyCAM-S Interface erfolgt die Datenübertragung über ein serielles LVDS-Interface. Inklusive Spannungsversorgung und Steuersignalen benötigt phyCAM-S nur 8 Adern.

Dies bringt drei wesentliche Vorteile mit sich:

• Der Gerätedesigner erhält mehr Freiheitsgrade; das Kabel ist einfacher zu verlegen. Innerhalb eines Gerätes kann die Kabelverbindung über verhältnismäßig dünne und flexible Leitungen erfolgen, bei denen die LVDS-Paare verdrillt sind (Twisted Pair). Die Kameramodule besitzen kompakte Hirose-Steckverbinder, die sich optimal in ein geräteinternes Verkabelungskonzept integrieren lassen. Aufgrund der differentiellen Datenübertragung sind günstige EMV-Eigenschaften, besonders bei längeren Leitungen, gegeben.
• Die Leitungslänge kann bis zu 5 Metern betragen. Dies ermöglicht bei Bedarf eine Trennung von Kamerakopf und Hauptgerät. (Die maximal mögliche Leitungslänge ist von verschiedenen Parametern wie Kabeltyp und Taktfrequenz abhängig).
• Bei phyCAM-S sind die Pegel der Daten­verbindung normiert. Dies vereinfacht Designs, die eine Austauschbarkeit von verschiedenen Kameratypen erlauben.

An den PHYTEC SBCs phyBOARD i.MX 6 Mira und phyBOARD i.MX 6 Nunki können phyCAM-S – Kameramodule betrieben werden.

phyCAM-M

Das phyCAM-M-Interface basiert auf dem CSI-2 MIPI Standard und definiert darüber hinaus einen Steckerverbinder für professionelle Anwendungen. phyCAM-M bietet eine hohe Kompatibilität verschiedener Kameramodule um eine einfache Austauschbarkeit in allen Phasen eines Projekts zu ermöglichen. Die geräteinterne Leitungsführung kann bis zu 15 cm betragen und flexibel geplant werden.

Neben in dem CSI-2 Standard vorgesehenen Daten- und Clockleitungspaaren steht ein I²C-Bus als Konfigurationsschnittstelle zur Verfügung. Die phyCAM‑M Kameramodule verfügen darüber hinaus über bis zu vier Steuerleitungen (3,3 V I/O) um die jeweiligen Sonderfunktionen der verschiedenen Kamerasensoren nutzen zu können.

Auf phyCAM-M Kameramodulen ist immer ein 2 kB EEPROM bestückt um individuelle Konfigurationen oder Merkmale eines Kameramoduls oder des Objektivs zu speichern.

An dem PHYTEC SBC phyBOARD i.MX 6 Nunki können Kameramodule mit phyCAM-M Schnittstelle betrieben werden.

phyCAM-L

Bei phyCAM-L wird die Datenverbindung mittels des FPD-Link III erzeugt. Als Kabel wird eine relativ dünne und flexible Coax Verbindung gewählt. Über diese werden Bilddaten, Steuersignale und die Spannungsversorgung (PoC) zur Verfügung gestellt.

phyCAM-L ist wie auch phyCAM-S für längere Leitungswege konzipiert. Statt den üblichen 15 cm bei phyCAM-M sind hierbei bis zu 15 Meter möglich. 

phyCAM-L Kameramodule besitzen einen Expansion Connector, welcher es ermöglicht am abgesetzten Kamerakopf weitere Features wie Belichtung, Autofocus usw. zu realisieren. Die Versorung kann hierbei ebenfalls über PoC zur Verfügung gestellt werden.

Überblick über die Merkmale

Die wichtigsten Auswahlkriterien für die Wahl des geeigneten Schnittstellenkonzepts gegenüber^[1]:

Auswahlkriterien phyCAM-P / phyCAM-S / phyCAM-M / phyCAM-L

Grundsätzlich kann mit phyCAM-P Kameramodulen ein sehr einfaches Schaltungsdesign realisiert werden, welches mit wenigen Bauelementen auf Prozessorseite auskommt. Es kann eine Anpassung an genau ein bestimmtes Board erfolgen. Dadurch ist der Schaltungsaufwand sehr kostenoptimiert.

Je nach eingesetzter Kamera und Prozessor sind im einfachsten Fall nur Leitungsverbindungen zwischen Steckverbinder und Kamerainterface des Controllermoduls zu ziehen. Gegebenenfalls sind Levelshifter erforderlich, falls Kamera und Controllerschnittstelle unterschiedliche Pegel besitzen. Soll schließlich der Anschluss verschiedener Kameramodule möglich sein, ist eine variable Pegelanpassung vorzusehen.

Das Schaltungsdesign des Basisboards kann bei phyCAM-P also individuell auf die Anforderungen der Applikation angepasst und variiert werden. Entsprechende Schaltungsvorschläge finden Sie in Design-In Guide.

Frei konfigurierbare Steuerleitungen ermöglichen beim phyCAM-P – Interface die Beschaltung bestimmter, individueller Zusatzfunktionen der Kamera. Dies können beispielsweise Trigger- und Strobesignale sein oder die dynamische Auswahl der Kamera-Adresse auf dem I²C – Bus. Manche Kameramodule lassen über Jumper unterschiedliche Funktionen dieser Steuerleitungen zu. PHYTEC bietet bei Serienstückzahlen die Lieferung der Kameramodule mit kundenspezifischer Konfiguration an.

phyCAM-P erlaubt also die Verwendung von zusätzlichen interessanten Features des jeweiligen Kameramoduls. Da die verschiedenen Kameras unterschiedliche Features bieten, ist es wichtig, beim Schaltungsdesign auf Kompatibilität zu achten, falls die Verwendung mehrere Kameramodule vorgesehen ist.

Ergänzend bietet phyCAM-M eine größere Datenwortbreite, sowie die Vorteile der differentiellen Datenübertragung mit bis zu 6 Gb/s. Außerdem stehen bis zu vier Steuerleitungen für Zusatzfunktionen der Kamera zur Verfügung. Gleichzeitig ist dank der durchdachten Schnittstellenbelegung die Austauschbarkeit verschiedener Kameramodule wesentlich einfacher als bei phyCAM-P.

Da bei phyCAM-M aufgrund der Spezifikation von MIPI CSI-2 nur eine limitierte Kabellänge realisierbar ist, wird mit phyCAM-L eine Übertragung von bis 15 Meter ermöglicht.

phyCAM-S bietet ein elektrisch vollständig standardisierte Schnittstelle. Neben der Pinbelegung sind die Pegel der Leitungen fest definiert. Wird ein anderes Kameramodul angesteckt sind lediglich die entsprechenden Softwaretreiber zu laden.

Eventuelle Zusatzfunktionen der Kamera werden nicht über das Schnittstellenkabel übertragen. Sie sind gegebenenfalls direkt am Kameramodul über einen weiteren Steckverbinder verfügbar.

Da für die LVDS-Übertragung und die Pegelanpassung der Signale und die Spannungsversorgung sowohl auf der Kamera als auch auf dem Applikationsboard zusätzliche Komponenten benötigt werden, ist ein phyCAM-S – Design insgesamt etwas aufwändiger, bietet aber darüber hinaus die oben beschrieben Vorteile bezüglich Leitungslänge und – Flexibilität sowie EMV-Eigenschaften.

Mechanik und optischer Anschluss

Da die mechanische und optische Integration der Kamera in ein Gerät von verschiedenen Faktoren abhängig ist, bietet das phyCAM-Konzept ein modulares System, welches verschiedene Szenarien abdecken kann:

• Alle Kameramodule der phyCAM-Serie besitzen identische Befestigungsmöglichkeiten.Das Sensorboard besitzt sechs Befestigungspunkte - vier an den Außenkanten der Kamera und zwei in der Mitte neben dem Sensor. Letztere können optisch abgedeckt geliefert werden.
• Die mechanischen Abmessungen sind kompatibel, so dass sich die Kameramodule untereinander austauschen lassen. Maßzeichnungen der Kameraplatinen finden Sie im Spezifikation phyCAM-M Interface.
• Der optische Anschluss ist ein weiteres wichtiges Kriterium. Das phyCAM-System deckt unterschiedliche Anforderungen an Größe der Kamera einerseits und Qualität und Ausführung des Objektivs andererseits ab.

Jede Kameraplatine ist in folgenden Bauformen erhältlich:

• M12 - Objektivhalterung

  In dieser Variante wird das Kameramodul mit einem Halter für M12-Objektive (auch als D-Mount bezeichnet) geliefert. Diese Ausführung ist auch in den Embedded-Video-Kits enthalten.
  M12-Objektive sind ein guter Kompromiss zwischen Baugröße und Objektiveigenschaften. Sie sind in vielen Brennweiten- und Blendenvarianten erhältlich.
  Zur Befestigung des Kamera-Moduls können die vier Bohrungen am Platinenrand genutzt werden.
  
  

• C/CS-Mount - Halterung

  Diese Objektivhalterung ist eine Lösung für Applikationen, die hohe und höchste Ansprüche an die Qualität der Bildwiedergabe stellen.
  Die Halterung besteht aus Kunststoff mit einem Metall-Gewindeeinsatz, der auch die Verstellung des Auflagemaßes ermöglicht. Über einen optionalen Zwischenring erfolgt eine Anpassung des Auflagemaßes zwischen C- und CS-Mount – Objektiven. Das Kameramodul ist mit vier Schrauben an der Halterung befestigt.
  C/CS-Mount Objektive bieten nicht nur hervorragende Bildqualität, sondern auch Optionen wie einstellbare Blende, Zoom-Funktion oder sind in telezentrischer Ausführung erhältlich.
  
  

• Platinenversion

  Diese Option gibt dem Entwickler völlige Freiheit im Gerätedesign. Die Kameraplatine ist zusammen mit Sonderobjektivhaltern einsetzbar oder kann direkt in Gehäusehalterungen integriert werden. Sie eignet sich in dieser Form auch für spezielle Anwendungen, z.B. in der Lasertechnik.
  Alle sechs Befestigungspunkte können für das Mechanikkonzept genutzt werden. Optional kann die Platine mit lichtdicht abgedeckten Innenlöchern geliefert werden.

Gehäusevarianten: M12, C/CS-Mount, Platine (Beispielobjektive)

Typischer Design-Ablauf

PHYTEC Embedded Imaging bietet mit phyCAM und den PHYTEC Microcontrollermodulen ein Baukastensystem zum Design von kundenspezifischen Geräten.

Die standardisierten phyCAM-Schnittstellen ermöglicht die Kombination derjenigen Komponenten, die optimal zu den gegebenen Systemanforderungen passen.

Die Entwicklung eines individuellen Gerätes mit Kamerafunktionalität läuft dadurch in nur sechs einfachen und leicht zu managenden Schritten ab:

Typischer Design-Flow

1. Auswahl der passenden Controller-Plattform
   PHYTEC bietet eine breite Auswahl an Controllermodulen, die viele unterschiedliche Features besitzen.
   
   
2. Auswahl des Kameramoduls

   Die PHYTEC Produktpalette umfasst Monochrom- und Color-Sensoren unterschiedlicher Auflösungen und Farbformate.
   Jedes Kameramodul ist in drei mechanischen Varianten erhältlich. Entsprechend den mechanischen und optischen Gegebenheiten kann zwischen dem reinen Kameramodul und Modulen mit fertig montiertem M12- oder C/CS-Mount-Objektivhalter gewählt werden.
   Auch für die Integration analoger Videosignale und Wärmebildanwendungen sind fertige Lösungen vorhanden.
   
   

3. Projektstart mit einem PHYTEC Single Board Computer

   Im Lieferumfang des SBC-Kits sind Controllermodul, Kamera und das SBC, sowie alle benötigten Kabel enthalten, um ein lauffähiges System aufzubauen.
   Das mitgelieferte Board-Support-Package (BSP) und die Cross-Compiler Buildumgebung beinhaltet unter anderem die Softwaretreiber für die verschieden Kameramodule und Bildverabreitungsbiblioteken, wie OpenCV, so dass auch softwareseitig alle notwendigen Voraussetzungen erfüllt sind, um an dem Projekt zu arbeiten. So kann bereits Software entwickelt werden, bevor die eigentliche Applikationshardware vorliegt.
   
   

4. Anpassung der Hardware

   Ausgehend von der im Kit enthaltenen Basisplatine wird die individuelle Applikationsplatine entworfen. Da die komplexen Schaltungsteile auf dem Modul lokalisiert sind, ist das Design dieser Trägerplatine einfach.
   Auf Wunsch unterstützt PHYTEC Sie bei diesem Schritt oder führt die Entwicklung für Sie durch.
   
   

5. Entwicklung der Applikationssoftware

   Dieser Schritt kann parallel zum Hardware-Design erfolgen, da dazu die Hardware des SBC-Kits verwendet werden kann. So wird wertvolle Entwicklungszeit gespart und zusätzliche Designsicherheit gewonnen.
   PHYTEC bietet dazu unter anderem komplexe Bildverarbeitungsbibliotheken an, die auf das Modul-BSPs angepasst sind.
   So können beispielsweise mit der HALCON Embedded – Software, der OpenCV – Bibliothek oder anderen Software-Libraries leistungsstarke Algorithmen in die Anwendung integriert werden.
   
   

6. Im Ergebnis entsteht das fertige Gerät

   Durch die Vorleistungen, fertige Komponenten im Baukastensystem, Kits zur Entwicklungsunterstützung und Parallelisierung der Entwicklungsschritte ist die Entwicklung in kurzer Zeit möglich. Die Designsicherheit ist aufgrund der geringeren Komplexität deutlich höher als bei einer individuellen Geräte-Entwicklung.
   Bei entsprechender Gestaltung des Hard- und Softwaredesigns ist eine Austauschbarkeit der Komponenten zur Skalierung von Kamera- oder Rechnerleistung möglich.

Spezifikation

Spezifikation phyCAM-P Interface

Merkmale der Schnittstelle:

• Daten der Kamera werden parallel zum Interface des Controllers übertragen
• Die Parametrierung der Kamera erfolgt über eine I²C-Schnittstelle
• Steckverbinder: 33 pol. FFC-Verbinder 0,5mm Pitch, 0,3 mm Kabelstärke
• Betriebs- und Signalspannungen sind abhängig vom Kamerasensor. Zur Erkennung der erforderlichen Spannung steht ein Steuerpin (resistiv) zur Verfügung. Die Anpassung erfolgt auf der dem Applikationsboard.
• empfohlene Leitungslänge < 30 cm (Die maximale Länge ist abhängig von der verwendeten Datenrate)

Schnittstellensignale:

• Stromversorgung der Kamera (2,8 V / 3,3 V)
• Masterclock zur Kamera
• Bilddaten und Synchronsignale
• I²C–Bus zur Parametrierung der Kamera und ggf. Sonderfunktionen (abhängig vom Kameramodul)
• Steuerleitungen, optional (Reset, Output-Enable)
• Sondersignale, optional (Trigger, Strobe, I/O-Signale, …)

Steckverbinder

33pol. FFC/FPC, 0,5mm Rastermaß, 0,3mm dick, Kontaktposition unten

FFC-Stecker phyCAM-P (links: top view, rechts: Lötseite – Beispielabb.)

Passende Steckverbinder für Applikationsplatine:

• Hirose FH12-33S-0.5SH(55) (liegend, Flip-Lock, PHYTEC-Bestellnr.: VE350)
• Hirose FH12-33S-0.5SVA(54) (stehend, Flip-Lock, PHYTEC-Bestellnr.: VE162)
• Samtec ZF5S-33-03-T-WT-TR (stehend, Shift-Lock, PHYTEC-Bestellnr.: VE531)

Passende Anschlusskabel:

Pinbelegung des phyCAM-P - Steckverbinders

Steckerbelegung auf Kameraseite:

Pinbelegung der phyCAM-P – Schnittstelle

VCC_SELECT - Widerstand

Pin 31 des Kamera-Steckverbinders ist mit einem Widerstand gegen GND (Betriebsmasse) verbunden.

Der Widerstandswert, der an diesem Pin gegen GND gemessen werden kann, definiert den Spannungspegel für die Betriebsspannung und die Datenleitungen des Kameramoduls.Auf diese Weise kann sich das Applikationsboard an den notwendigen Pegel anpassen.

Die folgende Tabelle zeigt den Widerstandswert für die entsprechenden Betriebs- und Signalspannungen:

Werte für VCC_SELECT – Widerstand

elektrische Spezifikation phyCAM-P Interface

Die nachfolgende Tabelle gibt die allgemeine Spezifikation der phyCAM-P – Schnittstelle auf der Empfängerseite (Basisplatine) an. Explizite Angaben zu den einzelnen Kameramodulen finden Sie in den jeweiligen Hardware-Manuals.

allgemeine elektrische Spezifikation phyCAM-P Interface

Spezifikation phyCAM-S/S+ Interface

Merkmale der Schnittstelle:

• Daten- und Taktsignale der Kamera werden über eine serielle LVDS-Verbindung zum Interface des Controllers übertragen
• Die Parametrierung der Kamera erfolgt über eine I²C-Schnittstelle
• Steckverbinder: 8 pol. 1,25 mm Miniaturstecker für Crimp-Verbindung
• Betriebs- und Signalspannungspegel der I²C-Schnittstelle: 3,3 V
• empfohlene maximale Leitungslänge: bis 5 m (Die maximale Länge ist abhängig von der Kabelausführung und der maximalen Taktfrequenz)

Schnittstellensignale:

• Stromversorgung (3,3 V)
• Masterclock zum Kameramodul (LVDS)
• Bilddaten und Synchronsignale (LVDS)
• I²C–Bus zur Parametrierung der Kamera und ggf. Sonderfunktionen (abhängig vom Kameramodul)

Steckverbinder

8 poliger Miniaturstecker Hirose, Rastermaß 1,25mm für Crimp-Kabelverbindung.

Steckverbinder phyCAM-S/S+

Passende Steckverbinder für Applikationsplatine:

• Hirose DF13A-8P-1.25H (liegend, PHYTEC-Bestellnr.: VM205)
• Hirose DF13C-8P-1.25V (stehend, PHYTEC-Bestellnr.: VM273)

Passende Anschlusskabel:

Passendes Steckergehäuse für Kabelmontage:

• Hirose DF13-8S-1.25C (Kontaktgehäuse)
• Hirose DF13-2630SCFA (Kontakte für AWG 30 ... 26)

Steckergehäuse phyCAM-S/S+

Bei den Kabeln sind die entsprechenden differentiellen Leitungspaare zumindest zu verdrillen. Die Impedanz der Kabel sollte 100 W betragen.

Für die geräteexterne Verkabelung und in den PHYTEC Entwicklungskits werden CAT-5 bzw. CAT-7 Kabel oder Kabeltypen mit USB 3.0-Qualität verwendet. Diese sind kameraseitig mit Hirose-Steckern ausgestattet und können auf der Seite der Basis- bzw. Applikationsplatine auch mit RJ-45 (8P8C) – Steckern versehen werden.

Pinbelegung des phyCAM-S/S+ - Stechverbinders

Steckerbelegung auf Kameraseite:

Pinbelegung der phyCAM-S/S+ – Schnittstelle (Hirose-Verbinder)

PHYTEC Basisplatinen verwenden teilweise eine RJ-45 Buchse für den Anschluss von phyCAM-S – Kameramodulen. Die Belegung der RJ45 Buchse ist identisch zum Hirose-Verbinder.

Format der LVDS-Kameradaten

Die Bilddaten werden von der Kamera als 12 Bit breiter Datenstrom geliefert, wobei 8 Bit die Pixeldaten darstellen, 2 Bit die Synchronsignale Line Valid und Frame Valid liefern und weiter 2 Bit als Synchronsignale für den LVDS-Deserializer verwendet werden.

Zuordnung LVDS-Datenbits phyCAM-S/S+

elektrische Spezifikation phyCAM-S/S+ Interface

Die nachfolgende Tabelle gibt die allgemeine Spezifikation der phyCAM-S/S+ – Schnittstelle auf der Empfängerseite (Basisplatine) an. Explizite Angaben zu den einzelnen Kameramodulen finden Sie in den jeweiligen Hardware-Manuals.

elektrische Spezifikation phyCAM-S Interface

Kompatibilität phyCAM-S und phyCAM-S+

Das phyCAM-S+ Interface stellt eine Weiterentwicklung des phyCAM-S Interfaces in Bezug auf die mögliche Taktfrequenz dar. Das phyCAM-S+ Interface kann Kamerasignale mit einem Pixeltakt (f_PCLK) bis zu 80 MHz übertragen. Es ist weitgehend kompatibel zum phyCAM-S Interface.

phyCAM-S Kameras können an ein Microcontrollermodul mit phyCAM-S+ Interface angeschlossen werden, sofern der minimale Pixeltakt (f_PCLK) 20 MHz nicht unterschritten wird.

Kameramodule mit phyCAM-S+ Spezifikation können an ein Microcontrollermodul mit phyCAM-S Interface angeschlossen werden, sofern der maximale Pixeltakt (f_PCLK) von 40 MHz nicht überschritten wird.

Spezifikation phyCAM-M Interface

Merkmale der Schnittstelle:

• MIPI CSI-2 Datenschnittstelle (4 Lanes D-PHY)
• Die Parametrierung der Kamera erfolgt über eine I²C-Schnittstelle
• Steckverbinder: 30 pol. Shielded-FFC-Verbinder 0,5 mm Pitch, 0,3 mm Kabelstärke
• Betriebs- und Signalspannungspegel der I²C-Schnittstelle: 3,3 V
• empfohlene maximale Leitungslänge: bis 15 cm (Die maximale Länge ist abhängig von der verwendeten Datenrate)

Schnittstellensignale:

• Stromversorgung (3,3 V / 5 V)
• MIPI CSI-2 (4 Lanes D-PHY)
• I²C-Bus zur Parametrierung der Kamera und ggf. Sonderfunktionen (abhängig vom Kameramodul)
• Steuerleitungen (Reset, Voltage Select)
• 4 Feature Pins für Sonderfunktionen der Kamera z.B. Trigger und Strobe

Steckverbinder

Steckverbinder: 30 pol. Shielded-FFC-Verbinder 0,5 mm Pitch, 0,3 mm Kabelstärke, Kontaktierung unten.

Steckverbinder phyCAM-M

Passende Steckverbinder für Applikationsplatine:

• Hirose FH48-30S-0.5SV (stehend, PHYTEC-Bestellnr.: VE560)
• Hirose FH41-30S-0.5SH (liegend, PHYTEC-Bestellnr.: VE554)

Passende Anschlusskabel:

phyCAM-M Kabel

Pinbelegung des phyCAM-M  - Steckverbinders

Steckerbelegung auf Kameraseite:

Pinbelegung der phyCAM-M – Schnittstelle (Fort.)

elektrische Spezifikation phyCAM-M Interface

Die nachfolgende Tabelle gibt die allgemeine Spezifikation der phyCAM-M – Schnittstelle auf der Empfängerseite (Basisplatine) an. Explizite Angaben zu den einzelnen Kameramodulen finden Sie in den jeweiligen Hardware-Manuals.

allgemeine elektrische Spezifikation phyCAM-M Interface

Spezifikation phyCAM-L Interface

Merkmale der Schnittstelle:

• FPD-Link III Datenschnittstelle (bis zu 4,16 Gbps über eine koaxiale Verbindung)
• Die Parametrierung der Kamera erfolgt über eine I²C-Schnittstelle, welche transparent mittels FPD-Link III übertragen wird
• Steckverbinder: UMCC Gen. 1
• Power over Coax (PoC)
• empfohlene maximale Leitungslänge: bis 15 m (die maximale Länge ist abhängig vom Kabel und der Last an PoC)

Schnittstellensignale:

• FPD-Link III mit PoC und bidirektionaler Kommunikation

Steckverbinder

Steckverbinder: UMCC Gen. 1 oder kompatibel

Steckverbinder phyCAM-L

Passende Steckverbinder für Applikationsplatine:

• TE 2337019 oder kompatibel (PHYTEC-Bestellnr.: VE611)

Passende Anschlusskabel:

phyCAM-L Kabel

Pinbelegung des phyCAM-L  - Steckverbinders

Steckerbelegung auf Kameraseite:

Pinbelegung der phyCAM-L – Schnittstelle

elektrische Spezifikation phyCAM-L Interface

Die nachfolgende Tabelle gibt die allgemeine Spezifikation der phyCAM-L – Schnittstelle an. Explizite Angaben zu den einzelnen Kameramodulen finden Sie in den jeweiligen Hardware-Manuals.

allgemeine elektrische Spezifikation phyCAM-L Interface

Spezifikation des Trigger-/Strobe-Anschlusses

Hauptmerkmale:

• 3-polige Buchse. Gegenstecker: JST SHR-03V-S-B-B
• Signalspannung an diesem Anschluss ist abhängig vom jeweiligen Kameramodul

Schnittstellensignale:

• Trigger
• Strobe / Sync

Steckverbinder und Kabel

Passende Steckverbinder für Applikationsplatine:

• JST BM03B-SRSS-TB(LF) (SN) (stehend, PHYTEC-Bestellnr.: VM210)
• JST SM03B-SRSS-TB(LF) (SN) (liegend, PHYTEC-Bestellnr.: VM298)

Passende Anschlusskabel:

Passende Steckergehäuse für Kabelmontage:

• JST SHR-03V-S-B (Kontaktgehäuse)
• JST SSH-003T-P0.2 (Kontakte für AWG 32 … 28)

Pinbelegung der Trigger-/Strobe – Schnittstelle (JST-Verbinder)

Mechanische Spezifikation

Toleranzen:

• PCB-Abmessungen: ±0,25 mm
• Bohrungen: ±0,1 mm
• Kunststoffteile: ±0,5 mm

Alle Angaben sind vorbehaltlich Änderungen.

Abmessungen Kameramodul

Abmessungen phyCAM-Leiterplatte

Kabelabgang nach oben in Bezug auf Sensor-Standard-Ausleserichtung.

Um die äußeren Befestigungsbohrungen befindet sich ein runder, metallisierter Bereich mit d = 5 mm, auf dem Schrauben oder Befestigungselemente aufliegen können.

Bei den inneren Bohrungen beträgt dieser Auflagebereich d = 4 mm und ist nicht kontaktiert.

Sollen Befestigungselemente diesen Bereich überragen, sind isolierende Werkstoffe zu verwenden, damit sicher verhindert wird, dass Kurzschlüsse zwischen Leiterbahnen entstehen können. Beachten Sie in diesem Fall auch bitte die Positionen von Bauelementen abhängig von der Modellvariante.

Die inneren Befestigungsbohrungen (2,2 mm bzw 2,6 mm) können lichtdicht abgedeckt geliefert werden. Beachten Sie in diesem Fall, dass die verwendeten Stopfen sensorseitig ca. 3 mm abstehen.

Der Steckverbinder für Strobe/Trigger-Signale hat eine Höhe von 4,9 mm (nur Kameramodule, die Option besitzen).

Abmessungen C/CS-Mount - Objektivhalter

Kameramodul mit Objektivhalter für C/CS-Mount Objektive
Bestelloption: -H

Der Halter besitzt einen verstellbaren Messingeinsatz zur Feinanpassung des Objektiv-Auflagemaßes. Der Einsatz kann mit einer Madenschraube fixiert werden.
Für C-Mount-Objektive wird zusätzlich ein entsprechender Adapterring aufgeschraubt.

Eine Seite des Halters ist mit Gewindelöchern zur Befestigung versehen. Die Befestigung kann mit Schrauben 4 x M2,5 oder mittels eines Fotogewindes 1/4“ erfolgen.

Standardmäßig erfolgt der Kabelabgang in Richtung der Befestigungsbohrungen. Das Sensorboard kann in 90° Schritten gedreht werden, so dass die Befestigung von jeder Seite aus möglich ist.

Gehäusematerial: Polyoxymethylen (POM, Delrin), schwarz
C/CS-Mount-Gewindeeinsatz: Messing

Abmessungen phyCAM mit C/CS-Mount Halter

Abmessung M12-Objektivhalter

Kameramodul mit Objektivhalter für M12 / 0.5 Objektive (S-Mount)
Bestelloption: -M12

Der Halter ist mittels 2 mm-Schrauben auf dem Kameramodul verschraubt (innere 2,2 mm bzw. 2,6 mm Bohrungen).

Abmessungen phyCAM mit M12-Halter

Eine Ausnahme bilden die Kameramodule der VM-012-Serie. Bedingt durch die Sensorgeometrie wird bei dieser Kameras ein anderer Halter und andere Schrauben verwendet. Der Halter wird hierbei mittels 1,8 mm Schrauben mit dem Kameramodul verschraubt (innere 2,2 mm-Bohrungen).

Abmessungen M12-Halter der VM-012-Serie

Alle Kameramodule können über die vier 2,7 mm – Bohrungen der Leiterplatte befestigt werden (passende Schraubengröße 2,5 mm).

Für die Mini Varianten kommt ein 20 mm M12 Objektivhalter zum Einsatz. Der Halter wird hierbei mittels M2 Schrauben mit dem Kameramodul verschraubt (innere 2,2 mm-Bohrungen).

Abmessungen M12-Halter der Mini-Serie

Design-In Guide

phyCAM-P

Designentwurf

Das phyCAM-P – Interface ist auf einen möglichst einfachen Schnittstellenentwurf hin ausgelegt. Es bietet daher dem Entwickler die Freiheit, die Anbindung an den Microcontroller entweder in Hinsicht auf Kosten oder auf Kompatibilität und Skalierbarkeit hin zu optimieren. Der jeweilige Grad der Optimierung kann dabei selbst bestimmt werden.

Zu berücksichtigen sind im Wesentlichen folgende Aspekte:

Übersicht Designentwurf phyCAM-P

1. Spannungsversorgung

   Die Versorgungsspannung V_CAM kann bei verschiedenen Kameramodulen unterschiedlich sein (siehe Einzelbeschreibung der Kameramodule). Auf einem Basisboard, das beliebige phyCAM-Module unterstützt, muss daher eine variable Spannungsversorgung vorhanden sein. Über den Widerstandswert an Pin 31 kann die erforderliche Spannung vom Basisboard erkannt und die Spannungsquelle automatisch eingestellt werden (siehe Bild phyCAM-P Referenzschaltplan für höchste Kompatibilität).
   Wird lediglich ein bestimmtes Kameramodul berücksichtigt, kann ggf. ein separater Regler entfallen und die Kamera aus einer bereits vorhandenen Spannungsquelle gespeist werden.

2. Spannung der Daten-, Steuerleitungen und I2C-Bus

   Die Spannung dieser Signale entspricht der Versorgungsspannung (V_CAM). In einem universellen Schaltungsentwurf müssen diese Signale daher immer über Levelshifter geführt werden, welche die Pegel kameraseitig auf den Spannungswert von V_CAM übersetzen.
   Wird die Basisplatine dagegen für ein bestimmtes Kameramodul entworfen, ist eine Spannungsanpassung durch einen Levelshifter nur dann erforderlich, wenn die Spannung von Controller (bzw. übriger Schaltung des Basisboards) und der Kamera unterschiedlich sind.

3. Feature-Pins (CAM_CTRL1 / CAM_CTRL2)

   Die verschiedenen Kameramodule der phyCAM-P – Serie bieten unterschiedliche Zusatzfunktionen. Entweder auf dem Kameramodul selbst oder über die CAM_CTRLx‑Pins des phyCAM-P – Steckverbinders. Diese Funktionen können sich von Kamera zu Kamera unterscheiden. Entsprechend ändert sich auch die Funktion der CAM_CTRLx‑Pins. Bei Festlegung auf ein bestimmtes Kameramodul können alle Sonderfunktionen der Kamera ausgeschöpft werden. Für ein flexibles Design empfehlen wir, möglichst wenige Sonderfunktionen zu verwenden. So minimieren Sie das Risiko, dass spätere Kameramodule eine von Ihnen verwendete Funktion nicht aufweisen und somit an Ihrem Applikationsboard nicht funktionieren. Gegebenenfalls können Polarität oder Qualifizierung eines Signals unterschiedlich sein (flanken-/zustandsgesteuert). Wir empfehlen, die CAM_CTRLx‑Pins über (Löt‑)Jumper an Ihr Design anzubinden. Wenn Sie die Pins nicht benötigen, sollten Sie folgende Jumper vorsehen:

   • CAM_CTRL_1: Jumper gegen GND/V_CAM
   • CAM_CTRL_2: Jumper gegen GND

   Beachten Sie, dass Sie gegebenenfalls Ihre Software an verschiedene Kamerafunktionen anpassen.

Kompatibilität der einzelnen phyCAM-P Module mit ihrer jeweiligen Standardbestückung:

Kompatibilität zwischen phyCAM-P Modulen (Standardbestückung)

Power-Cycle

Komplexe Integrierte Schaltkreise, wie sie in Bildsensoren vorliegen, benötigen stets ein definiertes Power-On und Power-Off Sequencing. Die Versorgungsspannung muss beim Einschalten des Kameramoduls monoton ansteigen.

phyCAM-P Power-Cycle

phyCAM-P Power-Cycle Timing Merkmale

Allgemeine Designanforderungen

An den Spannungsversorgungspins (V_CAM) muss eine Kapazität von ≈ 100 µF platziert werden. Außerdem sind 2x 100 nF und 2x 100 pF vorzusehen. Allgemein sollten die Kondensatoren mit niedriger Kapazität so gewählt werden, dass die Resonanzfrequenzen der Arbeitsfrequenzen des Kameramoduls entsprechen.

Ripple und hochfrequente Störungen auf der Ausgangsspannung können im aufgenommen Bild sichtbar werden. Ein Ferrit kann dazu beitragen diese Störungen für die Versorgungsspannung des Kameramoduls zu blockieren.

Je nach verwendetem Kabel ist es möglich, das die Pinbelegung des phyCAM-P Steckverbinders im Schaltplan gespiegelt werden muss. Dies ist dann der Fall, wenn ein gleichseitig kontaktierendes Kabel verwendet wird.

Beispieldesign phyCAM-P für geringste BOM-Kosten

Dieser Abschnitt stellt einen Designentwurf für geringste BOM-Kosten vor.

Die Spannungsversorgung des Kameramoduls (VCC_CAM0_P) erfolgt in diesem Beispiel aus der Spannungsquelle der restlichen Logik der Applikationsplatine (VCC_LOGIC). Eine Anpassung der Signalspannungen entfällt hierdurch.

Die Freigabe es Reset erfolgt über eine feste Verzögerung mittels RC-Glied (R57, C116). Der Reset kann alternativ auch über ein globales Reset-Signal der Applikationsplatine angesteuert werden.

Die Steuerleitungen CAM_CTRL1 und CAM_CTRL2 sind so ausgeführt das diese als Ground, Trigger-, Strobe- oder Daten-Signal verwendet werden können. Abhängig von der Bestückung des Kameramoduls müssen dann J7 und J8 bestückt oder offen gelassen werden und die CAM_CTRL1 bzw. CAM_CTRL2 Leitungen an den Controller geführt werden.

Die Pullup-Widerstände für den I²C Bus sind auf der Applikationsplatine vorzusehen.

phyCAM-P Referenzschaltplan für geringe BOM-Kosten

Beispieldesign phyCAM-P für höchste Kompatibilität

Dieser Abschnitt stellt einen Designentwurf vor, der eine hohe Kompatibilität zwischen verschiedenen phyCAM-P – Modulen gewährleistet. Die Spannungen VCC_CAM0_P und VCC_LOGIC können in diesem Beispiel gleich oder unterschiedlich groß sein.

Bild phyCAM-P Referenzschaltplan für höchste Kompatibilität zeigt das Schaltbild des Referenzdesigns.

Die Spannungsversorgung basiert auf einem Step-Down-Spannungsregler (U11) mit konfigurierbarer Ausgangsspannung. Dabei ist der Fußpunkt des Feedback-Zweiges an den VCC_SELECT – Widerstand des Kameramoduls geführt. Die Beschaltung des Feedbackzweigs ist für Ausgangsspannungen (V_CAM) von 2,8 V bis 3,3 V bei einer Feedback-Referenzspannung von 800 mV ausgelegt. Durch Anpassung der Widerstände R50-52 kann die Schaltung auch an einen Spannungsregler mit abweichender Feedback-Spannung angepasst werden.

Bei Dimensionierung und Layout des Schaltreglers ist das Datenblatt des Herstellers zu beachten. Ripple und hochfrequente Störungen auf der Ausgangsspannung können im aufgenommen Bild sichtbar werden. Ferrite (L19, L21, L22) können dazu betragen diese Störungen für die Versorgungsspannung des Kameramoduls zu blockieren.

Die Levelshifter U10, U12 und U13 dienen zur Spannungsanpassung der Signale zwischen dem Controllerinterface (VCC_LOGIC) und dem Kameramodul (VCC_CAM0_P).

Eine Serienterminierung (RN7-9, R54-56) der Ausgangssignale ist sinnvoll um eine gute Signalintegrität zu gewährleisten. Die Aufteilung der Serienterminierung in einzelne Widerstände und Widerstandnetzwerke wurde aus Layoutgründen vorgenommen.

Der T-Filter (R53, C110, L17) am Ausgang von U13 sollte an die verwendete Masterclock-Frequenz angepasst werden. Viele phyCAM Module bieten darüber hinaus die Möglichkeit einen Oszillator zu bestücken, so dass U13 mit seiner Beschaltung vollständig entfallen kann.

Bei der Dimensionierung der I²C-Pullup-Widerstände (R46, R47) ist der maximal zulässige Strom (Output LOW current) zu beachten. Die Pullup-Widerstände auf Seite des Controllers müssen entsprechend den Erfordernissen der Applikationplatine gewählt werden.

Die Ferrite L20, L23 und L24 können abhängig vom Spannungskonzept der Applikationsplatine entfallen.

phyCAM-P Referenzschaltplan für höchste Kompatibilität

phyCAM-S/S+

Designentwurf

Da das phyCAM-S/S+ Interface auf eine hohe Kompatibilität der Kameramodule untereinander ausgelegt ist, entfällt hier die beim phyCAM-P Design notwendige Beachtung unterschiedlicher Signalspannungen auf der Schnittstellenseite.

Es sind zwei typische phyCAM-S Einsatzszenarien zu unterscheiden:

• Gehäuseinterne Kamera: Eine u. U. bewegliche Kamera wird in einem abgeschlossenen Gehäuse verbaut.
• Abgesetzter Kamerakopf: Kameramodul und Applikationsplatine sind räumlich getrennt.

Entsprechend der Einbausituation sind verschiedene Aspekte zu berücksichtigen:

Übersicht Designentwurf phyCAM-S/S+

1. Spannungsversorgung

   Die Versorgungsspannung von phyCAM-S/S+ beträgt 3,3 V. Mit dieser Spannung wird auch die I²C Schnittstelle betrieben.
   Wird das Kameramodul als abgesetzter Kamerakopf eingesetzt muss zusätzlich der Spannungsabfall über dem verwendeten Kabel berücksichtigt werden. Um die Funktionssicherheit bei einem solchen Systementwurf zu gewährleisten, kann außerdem eine kurzschlussfeste Spannungsquelle vorgesehen werden.
   
   

2. Schirmungskonzept

   Allgemein gültige Aussagen zum idealen Schirmungskonzept eines Systems sind nur schwer möglich. Grundsätzlich hängt der betriebene Aufwand von der anzuwendenden Norm ab. Bei geräteinternen Komponenten entfällt i.d.R. die leitungsgebundene Störeinkopplung und ESD Entladungsprüfung. Der Kabelschirm sollte dann auf Betriebsmasse gelegt werden.
   Bei abgesetzten Kameramodulen muss verstärkt beim Designentwurf berücksichtigt werden, wie eingebrachten Störungen abgeleitet werden können ohne das es zu Störungen oder gar dem Ausfall des Systems kommt.

Power-Cycle

Komplexe Integrierte Schaltkreise, wie sie in Bildsensoren vorliegen, benötigen stets ein definiertes Power-On und Power-Off Sequencing. Die Versorgungsspannung muss beim Einschalten des Kameramoduls monoton ansteigen.

phyCAM-S/S+ Power-Cycle

phyCAM-S/S+ Power-Cycle Timing Characteristics

Mittels dieses Power-Cycles wird der On-Board-Reset eines phyCAM-S Kameramoduls gesteuert, so dass ohne einen korrekten Power-Cycle einzelen Komponenten nicht resetet werden.

Allgemeine Designanforderungen

An den Spannungsversorgungspins (V_CAM) muss eine Kapazität von ≈ 100 µF platziert werden. Außerdem sind mindesten 1x 100 nF und 1x 100 pF vorzusehen. Allgemein sollten die Kondensatoren mit niedriger Kapazität so gewählt werden, dass die Resonanzfrequenzen der Arbeitsfrequenzen des Kameramoduls entsprechen.

Ripple und hochfrequente Störungen auf der Ausgangsspannung können im aufgenommen Bild sichtbar werden. Ferrite (L19, L21, L22) können dazu betragen diese Störungen für die Versorgungsspannung des Kameramoduls zu blockieren.

Auf vielen Kameramodulen kann ein Oszillator bestückt werden, so dass ein notwendiger LVDS-Treiber (siehe z.B. Bild 16) mit seiner Beschaltung vollständig entfallen kann. Wird diese Bestückungsoption verwendet, sollten die Leitungen auf Betriebsmasse gezogen und nicht hochohmig oder offen belassen werden.

Die LVDS Signalleitungen sollten symmetrisch (Line-Skew ≤ 127 µm) und mit Ground als Bezugsplane (Z₀ = 50 Ω, Z_DIFF = 100 Ω) geroutet werden. Durchkontaktierungen (Via) sind zu vermeiden.

Beispieldesign für gehäuseinterne ühyCAM-S/S+ Kameramodule

Dieser Abschnitt zeigt einen Designentwurf für den gehäuseinternen Einsatz eines Kameramoduls.

Für ein vollständiges phyCAM-S/S+ Interface werden drei aktive Bauelemente (U1, U3, U6) benötigt.

Fast alle Controllermodule der phyCARD- und phyFLEX- Serien besitzen bereits ein Kamerainterface mit LVDS-Schnittstelle, so dass der LVDS-Deserializer (U1) mit seiner Beschaltung entfallen kann. Bei Controllermodulen der phyCORE-Serie ist U1 dagegen grundsätzlich vorzusehen.

U6 wandelt den vom Controllermodul erzeugten Masterclock (MCLK) in ein LVDS-Signal. Die Filterschaltungen des LVDS-MCLK-Signals (R24, R25, R37, R38 und C67) sperrt Oberwellen des MCLK-Signals.

L14 und L8 symmetrisiert das LVDS-Signal zusätzlich, was sich günstig auf die Signalintegrität auswirkt und Gleichtaktstörungen unterdrückt. Diese Common Mode Chokes sollten immer so dicht wie möglich am phyCAM-S Connector platziert werden.

Wird ein Oszillator auf dem Kameramodul bestück, entfällt U6 mit seiner gesamten Beschaltung.

U3 entkoppelt die kapazitive Buslast zwischen Kameramodul /-kabel und der Applikationsplatine. Je nach der im System vorhandenen Buskapazität kann U3 entfallen.

Als Spannungsversorgung der Kamera genügt eine 3,3 V Spannungsquelle. Die Strombelastbarkeit sollte ≥ 500 mA betragen. Ein Ferrit (L11) kann dazu betragen Störungen für die Versorgungsspannung des Kameramoduls zu blockieren. Die Ferrite L26-28 können abhängig vom Spannungskonzept der Applikationsplatine entfallen.

Wir empfehlen die Verwendung von Überspannungsschutzdioden (D1, D4) in den Signalleitungen der Kamera. Die Schutzdioden für die LVDS-Signale sollten eine Kontaktkapazität von ≤ 600fF besitzen, um die LVDS-Signale nicht zu beeinflussen.

Die passende Kabelqualität hängt von der Leitungslänge, der verwendeten Taktfrequenz des Pixelclock (f_PCLK) und den Anforderungen der Applikation ab. Es können z.B. Kabel vom Typ CAT-5e, CAT-7 („Ethernetkabel“) oder Kabel mit Spezifikation für USB 3.0 verwendet werden. Insbesondere bei hohen Übertragungsfrequenzen können Kabel günstig sein, welche mit einer integrierten Drain-Wire pro LVDS-Adernpaar ausgestattet ist.

Die Drain-Ader hilft, die Abstrahlung von Gleichtaktstörungen zu reduzieren. Dazu ist sie am jeweiligen Kabelende mit dem Schirm / Massesystem zu verbinden.

Abschließend sollte das Design des Übertragungswegs und die Signalqualität verifiziert werden:

• Aufnahme und Überprüfung der Augendiagramme von LVDS Daten- und LVDS MCLK-Signal
• Messung der Signalintegrität des unsymmetrischen (TTL-) MCLK Signals am LVDS Wandlerbaustein. Gegebenenfalls ist eine Optimierung des Signals durch Leitungsabschluss vorzunehmen.

phyCAM-S/S+ Referenzschaltplan für ein gehäuseinternes Kameramodul

Beispieldesign für abgesetzte phyCAM-S/S+ Kameramodule

Dieser Anwendungsfall ähnelt dem im letzten Abschnitt beschriebenen Szenario, jedoch soll hier die Kamera nicht im Gerätegehäuse platziert werden, sondern extern über ein Kabel verbunden werden können.

Der Steckverbinder verfügt jetzt über zwei zusätzliche Anschlüsse. Ein Anschluss ist auf Betriebsmasse (GND) aufgelegt, der zweite Verbindet SHIELD_CAM0 mit GND über eine RC-Kombination (R63, C155). Der (äußere) Schirm des Kabels kann, wie in diesem Beispiel, als „Pigtail“ ausgeführt. Als alternative kann auch ein vollständig geschirmter Steckerverbinder z.B. RJ45 eingesetzt werden, oder der Schirm auf mehrere Anschlüsse aufgeteilt werden.

Bild phyCAM-S/S+ Referenzschaltplan für ein abgesetztes Kameramodul  zeigt ein entsprechend erweitertes Schaltungsdesign. Die grundlegende Schaltung aus Bild phyCAM-S/S+ Referenzschaltplan für ein gehäuseinternes Kameramodul muss nur geringfügig abgeändert werden.

phyCAM-S/S+ Referenzschaltplan für ein abgesetztes Kameramodul

phyCAM-M

Designentwurf

Das phyCAM‑M – Interface ist, ähnlich phyCAM‑P, auf einen möglichst einfachen Schnittstellenentwurf hin ausgelegt, dabei aber ähnlich stark standardisiert wie phyCAM‑S. Es bietet daher dem Entwickler derzeit die größtmögliche Freiheit, die Anbindung an den Microcontroller hinsichtlich BOM-Kosten zu optimieren oder auf Kompatibilität und Skalierbarkeit zu bewahren. Der jeweilige Grad der Optimierung kann dabei selbst bestimmt werden.

Zu berücksichtigen sind im Wesentlichen folgende Aspekte:

Übersicht Designentwurf phyCAM-M

1. Spannungsversorgung

   Die Versorgungsspannung V_CAM kann bei verschiedenen Kameramodulen unterschiedlich sein (siehe Einzelbeschreibung der Kameramodule). Auf einem Basisboard, das beliebige phyCAM-Module unterstützt, muss daher eine umschaltbare Spannungsversorgung vorhanden sein. Über den Zustand von Pin 5 (hochohmig oder Ground) kann die erforderliche Spannung vom Basisboard erkannt und die Spannungsquelle automatisch umgeschaltet werden (siehe Bild phyCAM-M Referenzschaltplan).
   Wird lediglich ein bestimmtes Kameramodul berücksichtigt, kann die Kamera direkt aus einer vorhandenen Spannungsquelle gespeist werden.
   
   

2. Multipurpose-Pins (CTRLx)

   Die verschiedenen Kameramodule der phyCAM-M – Serie bieten unterschiedliche Zusatzfunktionen entweder auf dem Kameramodul selbst oder über die CTRLx‑Pins des phyCAM-M – Steckverbinders. Diese Funktionen können sich von Kamera zu Kamera unterscheiden. Entsprechend ändert sich auch die Funktion der CTRLx‑Pins. Bei Festlegung auf ein bestimmtes Kameramodul können alle Sonderfunktionen der Kamera ausgeschöpft werden. Für ein flexibles Design empfehlen wir, möglichst wenige Sonderfunktionen zu verwenden. So minimieren Sie das Risiko, dass spätere Kameramodule eine von Ihnen verwendete Funktion nicht aufweisen und somit an Ihrem Applikationsboard nicht funktionieren. Gegebenenfalls können Polarität oder Qualifizierung eines Signals unterschiedlich sein (flanken-/zustandsgesteuert). Wir empfehlen, die CTRLx‑Pins über Pullup-Widerstände an GPIOs Ihres Designs anzubinden. Wenn Sie die Pins nicht benötigen, können die Anschlüsse auch unbeschaltet bleiben. 
   Beachten Sie, dass Sie gegebenenfalls Ihre Software an verschiedene Kamerafunktionen anpassen.

Kompatibilität der einzelnen phyCAM-M Module mit ihrer jeweiligen Standardbestückung:

Kompatibilität zwischen phyCAM-M Modulen (Standardbestückung)

Power-Cycle

Komplexe Integrierte Schaltkreise, wie sie in Bildsensoren vorliegen, benötigen stets ein definiertes Power-On und Power-Off Sequencing. Die Versorgungsspannung muss beim Einschalten des Kameramoduls monoton ansteigen.

phyCAM-M Power-Cycle

phyCAM-M Power-Cycle Timing-Merkmale

Allgemeine Designanforderungen

An den Spannungsversorgungspins (V_CAM) muss eine Kapazität von ≈ 100 µF platziert werden. Außerdem sind 1x 100 nF und 1x 100 pF vorzusehen. Allgemein sollten die Kondensatoren mit niedriger Kapazität so gewählt werden, dass die Resonanzfrequenzen der Arbeitsfrequenzen des Kameramoduls entsprechen.

Ripple und hochfrequente Störungen auf der Ausgangsspannung können im aufgenommen Bild sichtbar werden. Ein Ferrit kann dazu betragen diese Störungen für die Versorgungsspannung des Kameramoduls zu blockieren.

Je nach verwendetem Kabel ist es möglich, das die Pinbelegung des phyCAM-M Steckverbinders im Schaltplan gespiegelt werden muss. Dies ist dann der Fall, wenn ein gleichseitig kontaktierendes Kabel verwendet wird.

Die differentiellen CSI-2 Signalleitungen sollten symmetrisch (Line-Skew ≤ 150 µm) und mit Ground als Bezugsplane (Z₀ = 50 Ω, Z_DIFF = 100 Ω) geroutet werden. Der Data-to-Clock-Line-Skew sollte ≤ 1500 µm betragen. Durchkontaktierungen (Via) sind zu vermeiden.

Zu beachten ist, dass bereits auf dem Controller und dem Kameramodul ca. je ein Drittel dieser Längendifferenzen aufgebraucht wurden. Bitte schauen Sie im Hardwaremanual des zugehöriogen Moduls nach der dort angegeben Leitungslänge und Skew.

Die maximale Leitungslänge des Busses sollte bei ca. 30 cm liegen. Die Längen auf dem Controller- und Kamera-Modul sind zu beachten.

Bespieldesign phyCAM-M

Dieser Abschnitt stellt den typischen Designentwurf für die phyCAM-M Schnittstelle vor.

Die Spannungsversorgung des Kameramoduls (VCC_CAM_M) erfolgt, gesteuert durch VCC_SELECT aus zwei umschaltbaren Spannungsquellen (U17, U18). Für ein definiertes Power-Sequencing wird die Schaltung um einen Entladezweig der Kameraversorgungsspannung (Q2, R81) ergänzt. In diesem Beispiel wird zunächst VCC_3V3 aktiviert und gesteuert über PWRGOOD_VCC_3V3 die übrigen Spannungsnetze der Applikationsplatine zugeschaltet. Solange PWRGOOD_VCC_3V3 auf LOW gehalten wird, wird VCC_CAM_M über Q2 und R81 entladen.

CAM_nRESET wird fest über eine RC Kombination (R84, C160, C163) gesteuert. D7 dient dem Entladen des Netzes im Falle eines Power-Cycle. Alternativ kann auch ein globales Reset-Signal der Applikationsplatine verwendet werden.

Die Pullup-Widerstände für den I²C Bus müssen auf der Applikationsplatine platziert werden. Eine Anpassung der Signalspannung ist nur dann notwendig, wenn die Versorgungsspannung der Logik (VCC_LOGIC) von 3,3 V abweicht.

An den Multipurposepins CTRLx sind Pullup-Widerstände vorgesehen da diese wenn sie auf dem Kameramodul als Ausgange vorgesehen sind, immer als Open-Drain ausgebaut sind. Dies erlaubt eine sehr einfache Adaptierung der Signalspannung an die Versorgungsspannung der Logik auf der Applikationsplatine.

Die Widerstandnetzwerke (RN13-17) dienen als Platzhalter für eventuell benötigte Common-Mode-Chokes. In der Regel ist es ausreichend auf die symmetrische und impedanzkontrollierte Leiterbahnführung mit Ground als Referenzlage zu achten. 

phyCAM-M Referenzschaltplan

phyCAM-L

Designentwurf

Das phyCAM‑L – Interface basiert auf der SerDes Kombination DS90UB953 und DS90UB954. Bitte beachten Sie die Layoutrichtlinien von Texas Instruments, wenn Sie solch ein System auf Ihrem Basisboard eindesignen.

Übersicht Designentwurf phyCAM-L

1. Spannungsversorgung
   1. Die Versorgungsspannung V_PoC kann zwischen 4,5 und 13,2 Volt gewählt werden. Je nach Leistungsaufnahme der angeschlossenen Kamera darf die Versorgungsspannung nicht zu niedrig gewählt werden, da ein Stromfluss von 750 mA nicht überschitten werden darf (siehe hierzu Einzelbeschreibung der Kameramodule). Insbesondere muss die Spannung höher ausgelegt werden, wenn am Kamerakopf weitere Leistung benötigt wird, um z.B. eine Beleuchtung zu verwenden. Auf einem Basisboard, das beliebige phyCAM-Module unterstützt, empfehlen wir deswegen, eine Spannung von 12 Volt zu wählen.
2. Bilddaten
   1. Das phyCAM-L Interface wird mittels des DS90UB954 auf ein MIPI CSI-2 Interface umgesetzt. Die Anzahl der Lanes kann hierbei frei gewählt werden. Der Datendurchsatz des verwendeten Kameramoduls muss beachtet werden. Für ein vollständiges phyCAM-L Interface werden 4 Lanes und eine Clock Lane benötigt.
3. Referenz Clock
   1. Der Referenz Clock darf zwischen 23 und 26 MHz gewählt werden. Es ist zu beachten, dass sich durch Variation der Clock alle daraus abgeleiteten Taktraten verstellen. Hierzu gehört in der Regel auch der Master Clock des verwendeten Kameramoduls.
4. Control Signale / GPIOs
   1. Für eine vollständige phyCAM-L - Kompatibilität werden vier Control Signale benötigt. Je nach Kameramodul oder benötigtem Funktionsumfang können diese entfallen. Die GPIOs müssen vor Verwendung korrekt konfiguriert werden (siehe Datenblatt DS90UB954/DS90UB953).

      1. Name	GPIO# DS90UB954	GPIO# DS90UB953	Bevorzugte Funktion
         CTRL1	GPIO0 (Output)	GPIO0 (Input)	Strobe
         CTRL2	GPIO2 (Input)	GPIO2 (Output)	Trigger
         CTRL3	GPIO1 (Output)	GPIO1 (Input)	Shutter
         CTRL4	GPIO3 (Input)	GPIO3 (Output)	Zurücksetzen des Kameramoduls

5. I²C
   1. Der I²C - Bus wird zum Konfigurieren des DS90UB954 benötigt. Sobald dieser korrekt konfiguriert wurde, wird der I²C Bus bidirektional transparent zum Kameramodul übertragen. Die effektive Datenbandbreite ist aber um ca. 60% reduziert. Hierauf sollte bei einer starken Auslastung des Busses geachtet werden. Nähere Details entnehmen Sie bitte dem Datenblatt DS90UB954.
6. Optionale Signale
   1. Das LOCK und PASS Signal können gemonitort werden und im Fehlerfall direkt einen Interrupt auslösen. Alternativ kann der Status auch per I²C abgefragt werden. Nähere Details entnehmen Sie bitte dem Datenblatt DS90UB954.
7. CLK_OUT / Master Clock (MCLK) für den Sensor
   1. Der MCLK für den Bildsensor wird vom Serializer (DS90UB953) erzeugt. Hierbei muss die interne PLL vor der Freigabe des Sensor Resets (GPIO3) korrekt konfiguriert werden. Nähere Informationen entnehmen Sie bitte dem Datenblatt das DS90UB953.

CTRL-Kompatibilität der einzelnen phyCAM-L Module mit ihrer jeweiligen Standardbestückung:

Kompatibilität zwischen phyCAM-L Modulen (Standardbestückung)

Power-Cycle

Komplexe integrierte Schaltkreise, wie sie in Bildsensoren vorliegen, benötigen stets ein definiertes Power-On - und Power-Off - Sequencing. Die Versorgungsspannung muss beim Einschalten des Kameramoduls monoton ansteigen.

phyCAM-L Power-Cycle Timing-Merkmale

phyCAM-L Timing and Power-Cycle

Allgemeine Designanforderungen

Für die PoC-Spannungsversorgung muss eine ausreichend starke Entkopplung vorgesehen werden (siehe Datenblatt DS90UB954). Die Stromtragfähigkeit muss bei mindestens 750 mA liegen. Desweiteren ist auf einen geringen DCR der verwendeten Ferrite und Drosseln zu achten, damit die Spannungsschwankungen möglichts gering ausfallen. Einen entscheidenden Faktor spielt hierbei auch das verwendete Kabel. Durch die verwendeten DC-Entkopplungskondensatoren wird das Nutzsignal des Links von der DC-Spannungsversorgung (PoC) entkoppelt. Fallen die Spannungsschwankungen (Ripple/Noise) mit ausreichendem Pegel in den Frequenzbereich der Nutzdaten, kommt es zu Störungen auf dem Link. Es wird empfohlen, einen maximalen Hub der Schwankungen von 1,0 V (Peak-to-Peak) nicht zu überschreiten. Dabei muss die maximale Flankensteilheit, im Bezug auf 1,0 Volt, größer 200µs betragen. Die PoC-Spannung kann hierbei am Expansion Connector des Kameramoduls gemessen werden. Der entsprechende DCR des Kameramoduls muss beachtet werden. Bei zusätzlicher Last am Kameramodul muss dieser in die Berechnung der minimalen Versorgungsspannung mit einbezogen werden.

Das verwendete Koaxialkabel benötigt eine Impedanz von 50 Ohm. Je nach verwendetem Kabel kann die Länge auch deutlich unterschiedlich ausfallen. Die maximale Einfügedämpfung der Übertragungsstecke soll laut Texas Instruments 20 dB bei einer Frequenz von 2,1 GHz nicht übersteigen. Als Richtwert kann ein RG1.37 Kabel mit 2,54 dB/m und ein RG58 mit 0,64 dB/m angenommen werden. Connectoren mit 0,3 dB/m. Genaue Werte entnehmen Sie bitte dem Datenblatt des verwendeten Kabels. Die Rückflussdämpfung muss laut Texas Instruments mindestens -10 dB betragen.

Der differentielle MIPI CSI-2 Bus muss symmetrisch (Line-Skew ≤ 150 µm) und mit Ground als Bezugsplane (Z₀ = 50 Ω, Z_DIFF = 100 Ω) geroutet werden. Der Data-to-Clock-Line-Skew muss ≤ 1500 µm betragen. Durchkontaktierungen (Vias) sind zu vermeiden. Zu beachten ist, dass bereits auf dem Controller- und dem Kameramodul ca. je ein Drittel dieser Längendifferenzen aufgebraucht wurden. Bitte schauen Sie im Hardwaremanual des zugehöriogen Moduls nach der dort angegeben Leitungslänge und Skew.

Die maximale Leitungslänge des MIPI CSI-2 Busses sollte bei ca. 30 cm liegen. Die Längen auf dem Controllermodul ist zu beachten.

Beispieldesign phyCAM-L

Dieser Abschnitt stellt den typischen Designentwurf für die phyCAM-L Schnittstelle vor.

Die Spannungsversorgung des Kameramoduls wird über VCC_POC generiert. Die Kapazitäten, Spule und Ferrite entkoppeln die Nutzdaten von der Spannungsversorgung.

Für ein definiertes Power-Sequencing muss die Schaltung um einen Entladezweig erweitert werden (siehe phyCAM-M). In diesem Beispiel wird zunächst +3V3 und +1V8 aktiviert. VCC_POC wird anschließend hochgefahren.

Kann nicht sichergestellt werden, dass die Resetfreigabe nach dem stabilen Anliegen der +1V8 erfolgt, kann z.B. CAM_nRESET_3V3 über eine RC-Kombination (R3, C25) zusätzlich verzögert werden. D2 dient dem schnellen Entladen des Netzes im Falle eines Power-Cycle.

Die SerDes Kombination arbeitet im "synchronous Mode". Hierzu wird die Beschaltung um R6, R7 und R11 benötigt.

Die Default - I2C Adresse wird mittels R4 konfiguriert. Durch R5, R12 und Q1 ist es möglich, eine alternative Adresse zu konfigurieren. Das Konfigurieren muss vor der Resetfreigabe erfolgen. Alternativ kann die I2C Adresse per Software konfiguriert werden.

Die AC-Koppelkondensatoren C38, C37, C36 und C35 müssen vom Typ X7R sein und eine Nennkapazität von 33nF bzw. 15 nF aufweisen. Als Spannungsfestigkeit wird 50 V empfohlen.

phyCAM-L Referenzschaltplan

Revisionshistorie