CN211127909U

CN211127909U - 一种基于mipi协议的图像传输电路

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Publication number: CN211127909U
Application number: CN202020015702.8U
Authority: CN
Inventors: 李向阳; 刘富春
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2030-01-06

Abstract

本实用新型公开了一种基于MIPI协议的图像传输电路，该电路包括：摄像头接口电路和主机接口电路，摄像头接口和主机接口电路连接；主机接口电路包括主处理器、主机多芯航空插座；主处理器与主机多芯航空插座连接，主处理器与主机多芯航空插座连接；摄像头接口电路包括图像传感器、LVDS发送器和摄像头多芯航空插座；图像传感器与LVDS发送器连接，LVDS发送器与摄像头多芯航空插座连接，图像传感器与摄像头多芯航空插座连接。本实用新型能适应较长传输距离的高速数据传输，能高速数据并解码数据字节，同时支持MIPI上层协议进行自动调整通信速率的优化控制，实现高速和高可靠的图像传输。

Description

一种基于MIPI协议的图像传输电路

技术领域

本实用新型涉及图像传输处理技术领域，具体涉及一种基于MIPI协议的图像传输电路。

背景技术

目前，MIPI标准成为图像传感器图像输出的主要标准；MIPI的全称是MobileIndustry Processor Interface，初衷是为了把手机内部的摄像头、显示器、射频基带和处理器之间的接口标准化，满足大容量图像传输需求，目前广泛应用的MIPI的物理层C-PHY和D-PHY的传输距离短。由于图像传感器在医疗电子(如内窥镜)和汽车电子(如倒车影像)等领域的广泛应用，MIPI接口也将这些领域和更多需要较长距离的其它领域被大量使用，这些场合的通信距离将达到5米，远大于手机内部的通信距离，因此不能简单直接采用，延长基于MIPI协议的视频通信距离已经成为具有MIPI协议摄像头推广的一个瓶颈问题。针对目前5米的高速图像的MIPI通信应用，其它可以的解决方案还有，方案一：图像数据不进行编解码，通过光电转换直接采用光纤通信传输；方案二采用处理器进行协议转换和压缩图像后采用以太网或者超高速USB等方式传输，接收端再应用处理器进行协议转换和解压图像数据。这两种方案都需要在接收端和发送端进行较大规模的改造，增加高速光电转换设备或者高速图像编解码处理器，显著增加了设备成本和功耗，以及摄像头体积。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本实用新型提供一种基于MIPI协议的图像传输电路，本实用新型针对具有MIPI接口的图像传感器设计简单的发送和接收电路，对MIPI的D-PHY的电气传输进行简单改造，使其能适应5米传输距离的高速数据传输，对接收端的物理层进行改造，使其能高速接收串行位流数据并解码出MIPI通信帧的数据字节，同时支持MIPI上层协议进行自动调整通信速率的优化控制，实现高速和高可靠的图像传输，本实用新型不显著增加设备成本、功耗和体积，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供一种基于MIPI协议的图像传输电路，包括：摄像头接口电路和主机接口电路，所述摄像头接口和主机接口电路连接；

所述主机接口电路包括主处理器、主机多芯航空插座；

所述主处理器设有LVDS接口和SCCB接口，所述主机多芯航空插座设有主机LVDS差分信号接口和主机SCCB传输接口，所述主处理器的LVDS接口与主机多芯航空插座的主机LVDS差分信号接口连接，所述主处理器的SCCB接口与主机多芯航空插座的主机SCCB传输接口连接；

所述摄像头接口电路包括图像传感器、LVDS发送器和摄像头多芯航空插座；

所述图像传感器设有图像传感器电源输入端、SLVS差分信号输出端和SCCB传输信号输出端；

所述LVDS发送器设有LVDS发送器电源输入端、SLVS差分信号接收端和LVDS信号输出端；

所述摄像头多芯航空插座设有摄像头电源接口、摄像头LVDS差分信号接口和摄像头SCCB传输接口；

所述图像传感器的SLVS差分信号输出端与LVDS发送器的SLVS差分信号接收端连接，所述LVDS发送器的LVDS信号输出端与摄像头多芯航空插座的摄像头LVDS差分信号接口连接，所述图像传感器的SCCB传输信号输出端与摄像头多芯航空插座的摄像头SCCB传输接口连接。

作为优选的技术方案，所述图像传感器电源输入端连接有第一电压转换器和第二电压转换器，所述第一电压转换器将输入电源电压转换为图像传感器I/O端口和模拟电路电源；

所述第二电压转换器将输入电源电压转换为图像传感器的内核电源。

作为优选的技术方案，所述LVDS发送器电源输入端连接有第三电压转换器，所述第三电压转换器将输入电源电压转换为LVDS发送器输入电源。

作为优选的技术方案，所述LVDS发送器内设有终端电阻。

作为优选的技术方案，所述主机接口电路还设有同步降压转换器和LVDS接收器，所述同步降压转换器用于转换电源给主机多芯航空插座提供电源，所述同步降压转换器与主机多芯航空插座连接，所述主机多芯航空插座与LVDS接收器连接，所述LVDS接收器与主处理器连接。

作为优选的技术方案，所述主机接口电路还设有主处理器稳压电源，所述主处理器稳压电源输入端的与外设电源连接，所述主处理器稳压电源输出端与所述主处理器连接。

作为优选的技术方案，所述主处理器内设有第一逻辑电平转换器、第二逻辑电平转换器、第一计数器、第二计数器、测量状态机、接收状态机和RX解串器和解码器；

所述测量控制器的输出端分别与第一计数器和第二计数器连接，所述第一逻辑电平转换器的输出端分别与第二计数器、接收状态机和RX解串器和解码器连接，所述第二逻辑电平转换器的输出端与RX解串器和解码器连接；

所述第一计数器用于参考时钟信号计数，所述第二计数器用于同步通信时钟信号计数；

所述第一逻辑电平转换器用于将LVDS差分时钟信号转换为同步通信时钟信号；所述第二逻辑电平转换器用于将LVDS差分信号转化为串行位流数据RxDataBit；

所述接收状态机的输入端用于接收同步通信时钟信号、停止时间计数信号和参考时钟信号，所述接收状态机的输出端用于输出同步通信状态信号、沉默空闲状态信号、BybeReset复位信号和停止时间最大计数信号；

所述接收状态机设有停止时间计数器，所述停止时间计数器复位端与通信同步时钟信号端连接；

所述测量控制器用于接收同步通信状态信号，输出测量同步信号，所述第一计数器和第二计数器接收测量同步信号；

所述RX解串器和解码器用于接收同步通信时钟信号、BybeReset复位信号和串行位流数据RxDataBit，输出字节流信号和字节同步时钟信号。

作为优选的技术方案，所述摄像头多芯航空插座与主机连接采用连接电缆，所述连接电缆设有八对双绞线，分别设为第一双绞线、第二双绞线、第三双绞线、第四双绞线、第五双绞线、第六双绞线、第七双绞线和第八双绞线；

所述第一双绞线设有电源线和地线，所述第二双绞线设有串行摄像头控制总线的时钟线和地线，所述第三双绞线设有串行摄像头控制总线的数据线和地线，所述第四双绞线设有正、负端差分时钟线，所述第五双绞线设有第一组差分数据线，所述第六双绞线设有第二组差分数据线，所述第七双绞线设有第三组差分数据线，所述第八双绞线设有第四组差分数据线。

作为优选的技术方案，所述主处理器采用FPGA芯片，所述图像传感器采用OV10823型号图像传感器，所述LVDS发送器采用DS25BR440型号LVDS发送器。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本实用新型将MIPI协议和LVDS视频传输相结合，图像传感器的视频信号经过电平转换得到LVDS差分信号后直接通过通信电缆传输到主机，保证5米的通信距离。

(2)本实用新型基于LVDS的接收和发射电路简单，不需要采用光缆和视频编解码，显著降低了设备成本、功耗和体积。

(3)本实用新型所设计的物理层支持其上层协议进行手动和自动调节图像分辨率和帧率，充分发挥电缆的通信能力。

附图说明

图1为本实施例基于MIPI协议的图像传输电路的摄像头与主机连接示意图；

图2为本实施例基于MIPI协议的图像传输电路的摄像头接口电路示意图；

图3为本实施例基于MIPI协议的图像传输电路的主机接口电路示意图；

图4为本实施例基于MIPI协议物理层的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种基于MIPI协议的图像传输电路，包括：摄像头接口电路和主机接口电路，摄像头接口和主机接口电路连接，摄像头与主机之间采用16芯航空插座连接，连接电缆为8对双绞线，双绞线由两根六类CAT6双绞线组成。第1对双绞线是电源线，+4V和地线GND；第2对双绞线是SCCB总线的时钟线SCL和地线GND，第3对双绞线是SCCB总线的数据线SDA和地线GND，把SCCB总线的时钟线和数据线分别与地线在一对双绞线上传输减少了电磁干扰，提高了通信可靠性；第4对双绞线是基于LVDS的MIPI物理层的差分时钟线CLOCK LANE+和CLOCK LANE-，第5对～第8对双绞线是基于LVDS的MIPI物理层的差分数据线DATA LANE1+和DATA LANE1-,DATA LANE2+和DATA LANE2-,DATA LANE3+和DATA LANE3-,DATA LANE4+和DATA LANE4-，为了保证传输的时钟信号和数据信号的同步，要求CLOCKLANE和DATA LANE采用相同参数双绞线(或者同轴电缆)，且电缆长度误差2厘米以内，LVDS差分传输延长了通信距离、保证了通信的可靠性。

如图2所示，摄像头接口电路主要由电源电路和LVDS转换电路组成。电源电路包括第一电压转换器、第二电压转换器和第三电压转换器，主要由TP5912-3.0、TPS73533两片LDO电源芯片和DC/DC降压电源芯片TPS62262及其外围电路组成，第一电压转换器采用LP5912-3.0电源芯片，将通过插座从主机获得的4V电源电压变为3.0V，作为图像传感器OV10823的I/O端口和模拟部分的电源；第二电压转换器采用TPS62262芯片，给图像传感器的内核提供1.2V电源；第三电压转换器采用TPS73533芯片，把4V电源电压变为3.3V，作为LVDS转换和线驱动芯片DS25BR440电源。LVDS发送器采用DS25BR440芯片，把图像传感器MIPI物理层的SLVS差分信号转换为LVDS差分信号，DS25BR440芯片配置成接收均衡(Equalization)失能、发送预加重(Pre-Empasis)使能，延长通信距离，可实现单Data Lane线达3Gbps的传输速率，DS25BR440芯片内含终端电阻，减少了电路板PCB面积。图像传感器的SCCB信号直接连接通信电缆。因此摄像头的电路简单、体积小、方便安装，同时也降低了成本。

如图3所示，主机接口电路采用5V电源给系统供电，同步降压转换器采用TPS82150芯片给主机多芯航空插座提供4V电源，主处理器稳压电源采用TPS73533芯片给主处理器提供3.3V电源，5V电源还通过其它芯片向主机其它电路(如FPGA的2.5V、1.2V等)提供电源。主机采用2片DS25BR440作为主机LVDS接收器，接收摄像头发来的图像数据，该芯片配置成接收均衡(Equalization)使能、发送预加重(Pre-Empasis)失能，与摄像头的DS25BR440配置更好相反。主机系统采用FPGA作为主处理器，型号为MPF200T-FCG484E，可以直接连接LVDS和SCCB接口(含上拉电阻)，主机的图像处理功能也通过该FPGA芯片完成。

在本实施例中，采用了LVDS电气信号进行视频图像传输，延长了通信距离，但是原来MIPI CSI-2D-PHY物理层协议中通过单端逻辑电平(非差分信号传输电平)表示的低功耗传输模式不存在了，原有MIPI协议中依赖低功耗模式的不同信号组合进行接收状态机的状态转移也就不能实现了，必须对基于LVDS的MIPI协议的物理层设计新的接收器和接收状态机，同时尽量减少对MIPI上层协议的修改，上层协议通过简单配置即可兼容该物理层，充分发挥MIPI协议高速和标准化的优点。

如图4所示，本实施例基于LVDS的MIPI物理层全部在FPGA芯片内部实现，从插座来的SCCB信号经过隔离后接FPGA芯片的普通I/O，通过通用FPGA芯片的IP核实现SCCB协议；从插座来的LVDS信号经过隔离后接FPGA芯片的高速差分I/O，由本实施例的接收电路和接收状态机实现。

如图4所示，本实施例同步通信时钟Commclock由CLOCK LANE+和CLOCK LANE-的LVDS差分信号经过FPGA芯片的I/O电平转换电路得到；差分数据线DATAx LANE+和DATAxLANE-(x＝1,2,3,4共四路)LVDS差分信号经过FPGA芯片的I/O电平转换电路得到串行位流数据RxDataBit，串行位流数据RxDataBit经过RX解串器和解码器RX Deserializer andDecoder在同步通信时钟Commclock的控制下，得到字节流RxDataByte信号和字节同步时钟RxDataByteClock。上层协议根据字节流RxDataByte和字节同步时钟RxDataByteClock两个信号获得MIPI协议中数据帧的字节流，上层协议根据这些字节的语义和接收状态机RXState Machine的工作状态组装成数据帧。同时，RX解串器和解码器RX Deserializer andDecoder还完成10/8Bit解码为字节数据。当接收状态机RX State Machine处于沉默空闲状态SilenceIdleState时，向RX解串器和解码器RX Deserializer and Decoder发送BybeReset复位信号，对其进行复位，下一个字节的接收从下一个同步通信时钟CommClock开始接收位流，实现了数据帧的同步，保证了通信的可靠性。

摄像头的图像传感器的视频输出分辨率和帧率由主机通过SCCB总线来设置，设置后的视频传输的时钟频率或者周期的范围是已知的，但是为了适应不同的摄像头和故障诊断，必须对通信过程的时钟频率或者周期进行测量，同步通信时钟周期还作为接收状态机判断状态转移的基本参数。本实施例设计两个计数器来测量MIPI时钟信号的周期，两32位计数器第一计数器和第二计数器分别对参考时钟SysClock和同步通信时钟CommClock进行计数，由测量同步信号MeasureSync同时控制两个计数器的启停，测量同步信号MeasureSync经过一个启停时间段(如10微秒)之后，主机分别读取第一计数器和第二计数器的计数值Nsys和Ncomm，参考时钟SysClock的周期已知为PeriodRef(如参考时钟选为1250MHz，则其周期为800pS)，则可以根据下面公式算出同步通信时钟周期。

测量同步信号MeasureSync由测量控制器MeasureController产生。当同步通信状态SyncCommState和周期测量PeriodMeasureEn两信号同时高电平时，测量控制器MeasureController把测量同步信号MeasureSync置为高电平，同时其内部的计数器开始从零对参考时钟SysClock进行计数，当计数器达到设定值MeasureCycle时，测量同步信号MeasureSync置为低电平，周期测量完成信号PeriodMeaureFinished置高电平，表示本次同步时钟周期测量结束，主机从第一计数器和第二计数器读出相应计数值，并根据公式(1)计算出同步时钟周期。下一次测量时，主机先把周期测量PeriodMeasureEn置为低电平，测量控制器MeasureController复位，周期测量完成信号PeriodMeaureFinished置低电平，把其内部计数器清零，然后主机再把周期测量PeriodMeasureEn置为高电平，等待接收状态机的同步通信状态SyncCommState变为高电平后，开始再次测量。测量同步信号MeasureSync的数值设为图像传感器输出一行像素所需时间的一半，如像素为1920×1080像素和30FPS帧率、系统时钟周期为1250MHz时，MeasureCycle设为12500。

接收状态机RX State Machine确定MIPI的物理层接收器所处的工作状态，有两种工作状态，同步通信状态SyncCommState和沉默空闲状态SilenceIdleState。接收状态机RXState Machine有两个时钟输入，通信同步时钟CommClock和主机的参考时钟SysClock。接收状态机RX State Machine内部含有一个以参考时钟SysClock作为计数输入的32位计数器StopTimer，通信同步时钟CommClock连接StopTimer的复位端。当通信同步时钟CommClock有上升沿时，接收状态机RX State Machine置为同步通信状态SyncCommState，即同步通信状态SyncCommState为高电平，而沉默空闲状态SilenceIdleState为低电平，同时通信同步时钟CommClock的上升沿把计数器StopTimer清零，其计数值StopTimerNum＝0。当没有通信同步时钟CommClock之后，计数器StopTimer没有清零脉冲，计数器StopTimer对参考时钟SysClock进行计数，当该计数值大于设定的停止时间计数StopTimerNumSet时，接收状态机RX State Machine状态转移为沉默空闲状态SilenceIdleState，即同步通信状态SyncCommState为低电平，而沉默空闲状态SilenceIdleState为高电平，若StopTimer没有复位脉冲，则仍然继续计数，直到最大值0xFFFFFFFF后停止计数，但是并不清零，直到有通信同步时钟CommClock上升沿才复位清零，而且清零之前把StopTimer的计数值StopTimerNumMax被保存到接收状态机RX State Machine内部的寄存器中，据此计算沉默空闲时间，可以作为故障诊断和修改通信速率之用。StopTimerNumSet根据下式确定：

当物理层把接收到的数据字节组装成数据帧之后，MIPI上层协议可以根据数据帧中的校验码可以计算误码率，结合沉默空闲时间长度来调整图像传感器的分辨率和帧率，保证高速可靠通信。

在本实施例中，视频发送电路和视频接收电路之间采用LVDS差分信号实现高速视频传输，主机FPGA芯片对摄像头的参数配置通过串行摄像头控制总线(SCCB)(类似I²C)完成，主机对图像传感器的通信速率的手动控制和自动控制也是通过串行摄像头控制总线来实现。MIPI的数据帧与帧之间的标志和间隔采用无高速通信时钟信号的沉默空闲状态来确定的；MIPI物理层以上协议可以根据沉默空闲状态持续时间和视频数据帧误码率来动态自适应调整通信速率和帧率。

在本实施例中，摄像头中的图像传感器(选用OV10823)的视频输出接口为MIPI，控制总线为SCCB，MIPI的物理层电平转换和发送电路采用2片DS25BR440，采用两根CAT6电缆实现的5米长共8对差分线组成的复合电缆，8对差分分别为MIPI数据线Data Lane1～DataLane4共4对、时钟线Clock Lane共1对、SCCB和电源线共2对，主机中的接收电路采用SCCB电气隔离电路ADuM2250和3片ADN4654进行LVDS电气隔离之后，再连接FPGA芯片的I/O引脚。

在本实施例中，FPGA芯片根据接收到Clock Lane时钟信号的有无来判断通信过程处于同步通信状态或者沉默空闲状态，沉默空闲状态的长度为两个数据帧之间间隔；所设计的物理层包括同步通信时钟周期测量、接收状态机、串并转换和解码功能，支持其上层协议进行手动和自动调节图像分辨率和帧率，FPGA芯片通过数据帧的校验码来统计通信过程的出错率或者误码率，当误码率大于设定数值时(如1％)时，FPGA芯片通过SCCB总线更新图像传感器的帧率或者分辨率来降低实际通信速率，保证在现有通信条件下，得到最大的通信能力。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于MIPI协议的图像传输电路，其特征在于，包括：摄像头接口电路和主机接口电路，所述摄像头接口和主机接口电路连接；

所述主机接口电路包括主处理器、主机多芯航空插座；

2.根据权利要求1所述的基于MIPI协议的图像传输电路，其特征在于，所述图像传感器电源输入端连接有第一电压转换器和第二电压转换器，所述第一电压转换器将输入电源电压转换为图像传感器I/O端口和模拟电路电源；

3.根据权利要求1所述的基于MIPI协议的图像传输电路，其特征在于，所述LVDS发送器电源输入端连接有第三电压转换器，所述第三电压转换器将输入电源电压转换为LVDS发送器输入电源。

4.根据权利要求1或3所述的基于MIPI协议的图像传输电路，其特征在于，所述LVDS发送器内设有终端电阻。

5.根据权利要求1所述的基于MIPI协议的图像传输电路，其特征在于，所述主机接口电路还设有同步降压转换器和LVDS接收器，所述同步降压转换器用于转换电源给主机多芯航空插座提供电源，所述同步降压转换器与主机多芯航空插座连接，所述主机多芯航空插座与LVDS接收器连接，所述LVDS接收器与主处理器连接。

6.根据权利要求1所述的基于MIPI协议的图像传输电路，其特征在于，所述主机接口电路还设有主处理器稳压电源，所述主处理器稳压电源输入端的与外设电源连接，所述主处理器稳压电源输出端与所述主处理器连接。

7.根据权利要求1所述的基于MIPI协议的图像传输电路，其特征在于，所述主处理器内设有第一逻辑电平转换器、第二逻辑电平转换器、第一计数器、第二计数器、测量控制器、接收状态机和RX解串器和解码器；

8.根据权利要求1所述的基于MIPI协议的图像传输电路，其特征在于，所述摄像头多芯航空插座与主机连接采用连接电缆，所述连接电缆设有八对双绞线，分别设为第一双绞线、第二双绞线、第三双绞线、第四双绞线、第五双绞线、第六双绞线、第七双绞线和第八双绞线；

9.根据权利要求1所述的基于MIPI协议的图像传输电路，其特征在于，所述主处理器采用FPGA芯片，所述图像传感器采用OV10823型号图像传感器，所述LVDS发送器采用DS25BR440型号LVDS发送器。