Phase de conception - Assemblage du couvercle Électronique Partie 1

Bienvenue de retour dans la série de projets d'ordinateur portable open-source ! Dans la mise à jour précédente, nous avons discuté de l'intégration des différents capteurs et de l'assemblage électronique lui-même dans le cadre de l'écran de l'ordinateur portable.

Nous avons décidé de la technologie PCB que nous souhaitions utiliser, et à quoi ressemblerait le matériel de montage pour le PCB de la webcam. Dans cette mise à jour, nous allons concentrer notre attention sur l'électronique et la conception du PCB du module de la webcam.

PCB de la webcam/capteur entièrement assemblé

Interface de la carte mère

Commençons par déterminer comment le PCB de la webcam/capteur devrait être interfacé avec la carte mère du système. Nous avons quatre connexions logiques qui doivent être établies avec la carte mère :

1. Interface du capteur d'image

L'interface de la webcam, ou capteur d'image, vient en premier. Le capteur d'image que nous utiliserons est un Omnivision OV2740. Ce capteur fournit une image haute définition 1080p à 60 images par seconde. Le flux de données d'image est transmis via une interface MIPI-CSI2. Une interface série standard SCCB est utilisée pour contrôler le capteur. Quelques lignes de contrôle globales sont également nécessaires à côté de cette interface.

Habituellement, les webcams internes et externes sont connectées via une interface USB qui prend en charge le protocole UVC. La spécification UVC, abréviation de USB Video Device Class, permet aux dispositifs de streaming vidéo d'être utilisés sans pilote spécifique au matériel. Cela permet l'opération plug-and-play des webcams externes. Un autre avantage de l'utilisation de l'interface USB est que seulement une paire de données ainsi qu'une connexion d'alimentation et de masse sont nécessaires pour interfacer avec le dispositif. Cela minimise le nombre de signaux qui doivent être routés à l'intérieur du système, ce qui réduit la complexité des connecteurs et augmente la fiabilité de l'ensemble du système. Un autre avantage d'un dispositif ou module USB UVC est qu'il peut être échangé avec tout autre dispositif conforme à l'USB UVC, ce qui dans le cas de notre conception de laptop permettrait de mettre à niveau facilement la carte de la webcam vers une version plus récente.

Il existe cependant un problème associé à l'utilisation d'un dispositif conforme à l'USB UVC dans une conception open-source : Pour convertir la sortie CSI du capteur d'image en une interface conforme à l'USB UVC, un ASIC avec un firmware personnalisé et un ISP est nécessaire. Il existe pas mal de solutions intégrées disponibles auprès de grands fournisseurs de CI tels que Realtek ou SONIX Technology. La documentation pour ces CI, cependant, n'est pas librement disponible et donc pas le bon choix pour un laptop open-source.

Une exception est le contrôleur de caméra EZ-USB™ CX3 MIPI CSI2 vers USB 5 Gbps d'Infineon. Ce circuit intégré est fourni avec une documentation accessible ainsi qu'un SDK pour concevoir un firmware personnalisé pour le capteur d'image. Cependant, l'EZ-USB™ CX3 est destiné aux applications USB3.0 pour des capteurs d'image à plus haute résolution ou à taux de trame plus élevé. Avec un prix supérieur à 10€ par circuit intégré en volume, ce composant serait largement surdimensionné pour notre application. Étant donné que ce circuit intégré est dans un boîtier BGA de 10mm X 10mm à 121 broches, nous ne pourrions de toute façon pas le monter sur la carte de la webcam.

Pour l'instant, nous allons donc router l'ensemble de l'interface CSI2 fournie par le capteur d'image directement vers la carte mère. Nous avons deux options ; soit utiliser l'espace disponible pour implémenter notre propre convertisseur USB UVC, soit interfacer le capteur d'image directement avec le CPU/PCH et gérer le traitement du signal d'image via le firmware dans le CPU hôte. À ce stade, la première option est plus susceptible d'être mise en œuvre. Nous explorerons cela plus en détail dans une mise à jour ultérieure.

Les autres interfaces que nous devons router vers la carte mère sont les suivantes :

2. Interface Microphone

Nous utilisons deux microphones MEMS afin d'enregistrer de l'audio stéréo. Ces microphones MEMS fournissent une sortie en modulation de densité d'impulsions (MDI ou PWM en anglais) qui peut être lue par le PCH ou le contrôleur embarqué sur la carte mère.

3. Capteur de lumière ambiante

Le capteur de lumière ambiante offre une interface I2C qui doit également être routée vers le contrôleur embarqué sur la carte mère.

4. Sorties des touches tactiles

Enfin, nous devons router la sortie des touches tactiles vers le contrôleur embarqué. Ces sorties indiquent au contrôleur embarqué si l'interface WiFi ou caméra a été désactivée matériellement.

Connecteur de carte à carte

Maintenant que nous savons combien de broches nous devons allouer pour l'interface entre la carte PCB de la webcam et la carte principale, nous pouvons choisir un connecteur de carte à carte adapté. Afin de minimiser l'espace nécessaire pour le connecteur, nous utiliserons un connecteur à pas fin.

Pour cette version de la carte de la webcam, nous utiliserons un connecteur Molex SlimStack 505550 avec 40 broches à un pas de 0,4 mm.

Connecteur Molex SlimStack

Nous utiliserons un FPC double couche pour router le signal de la carte PCB de la webcam vers la carte mère. Bien que le connecteur SlimStack soit une solution permettant de gagner de l'espace, les tests ont montré qu'il est très difficile de débrancher ce connecteur lorsque le panneau d'affichage est posé sur le FPC.

FPC connecté avec le panneau d'affichage installé dessus

Pour faciliter le remplacement de la carte PCB de la webcam avec le panneau d'affichage installé, nous remplacerons ce connecteur carte-à-carte par un connecteur FPC direct. Un candidat intéressant pour un tel connecteur pourrait être la série Hirose FH35C qui présente une densité de broches très élevée ainsi qu'une bonne force de rétention.

Capteurs Tactiles Capacitifs

Les capteurs tactiles capacitifs TTP232-CA6 utilisés sur la carte de la webcam sont des CI de détection à double canal de Tontek. Puisqu'une puce fournit deux canaux, chaque CI gère la détection des boutons d'activation et de désactivation pour les fonctionnalités Webcam, WiFi et Microphone.

Sur chaque entrée des CI de détection, un condensateur optionnel dans un empreinte 0201 est placé. La sensibilité du CI tactile peut être ajustée avec ces condensateurs optionnels.

Après les circuits intégrés de détection, un verrou est utilisé pour stocker la dernière pression sur un bouton. Dans l'implémentation actuelle du verrou, l'appareil démarre avec les fonctionnalités de caméra, WiFi et microphone désactivées lors du cycle d'alimentation. Surtout pour la fonctionnalité WiFi, ce comportement pourrait être indésirable, c'est pourquoi l'état par défaut pour ce canal pourrait être inversé ultérieurement.

Canal de détection tactile pour la fonctionnalité WiFi

Microphone et capteur de lumière ambiante

Les microphones et capteurs de lumière ambiante que nous avons sélectionnés dans une mise à jour de projet précédente ont été implémentés conformément à la fiche technique. Les deux capteurs sont alimentés par un LDO 3.3V séparé qui fournit une tension d'alimentation générée à partir de l'entrée d'alimentation 5V qui est acheminée vers la carte de la webcam.

Le capteur de lumière ambiante est situé sur une petite carte additionnelle qui contient un condensateur de découplage et les résistances de tirage du bus I2C.

Microphone et capteur de lumière ambiante

Capteur d'image de la webcam

Le capteur d'image de la webcam est implémenté comme suit. Les rails d'alimentation pour le capteur sont tous générés localement par trois petits LDOs. La série de LDO TLV740P est une solution très compacte et économique. Le boîtier utilisé est le 1mm X 1mm X2SON, ce qui résulte en une solution globalement très petite.

La consommation électrique du capteur d'image est suffisamment faible pour que chaque rail d'alimentation puisse être généré en abaissant le rail global de 5V à l'aide de régulateurs linéaires.

Schéma du capteur d'image de la webcam

Schéma de la carte de la webcam

Le brouillon final du schéma du PCB de la webcam peut être vu dans le visualiseur Altium 365 :

En plus des touches tactiles et des capteurs, le PCB de la webcam contient également une LED RGB pour chaque sortie de canal de détection. Les LED RGB ont été choisies afin de pouvoir ajuster finement la couleur des icônes rétroéclairées en modifiant la valeur de la résistance utilisée pour chaque couleur.

Un petit MOSFET N-Canal de niveau logique dans un boîtier SOT-883 est utilisé pour appliquer un atténuation PWM globale à toutes les LED sur la carte de la webcam. Le même signal PWM qui sera utilisé pour changer la luminosité de l'écran peut également être utilisé pour contrôler les LED des icônes rétroéclairées dans le cadre de l'écran. De cette manière, les icônes ne seront pas distrayantes dans le cas où une faible luminosité de l'écran aurait été choisie.

Avec le schéma terminé, nous pouvons maintenant transmettre toutes les informations dans l'éditeur de PCB et commencer le routage de la carte.

Restez à l'écoute pour la prochaine mise à jour, où nous vous fournirons des informations précieuses sur la disposition du circuit imprimé de la carte de la webcam. Ne manquez pas les derniers détails qui enrichiront votre compréhension de la conception et de la fonctionnalité !