Fase di Progettazione - Assemblaggio del Coperchio Parte Elettronica 1

Lukas Henkel
|  Creato: dicembre 20, 2023  |  Aggiornato: ottobre 10, 2024
LAE Parte 1

Pietra miliare

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Concept Phase – Initial CAD Design
| Created: June 16, 2023
3
Concept Phase – Cooling and Airflow Part 1
| Created: September 19, 2023
4
Concept Phase – Lid Assembly Design Part 1
| Created: September 19, 2023
5
Concept Phase – Lid Assembly Design Part 2
| Created: September 26, 2023
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7
Design Phase – Lid Assembly Mechanics Part 2
| Created: November 16, 2023
8
Design Phase – Lid Assembly Mechanics Part 3
| Created: November 23, 2023
9
Design Phase – Lid Assembly Electronics Part 1
| Created: December 20, 2023
10
11
More Milestones
| Coming soon

Bentornati alla serie di progetti su laptop open-source! Nell'aggiornamento precedente, abbiamo discusso di come integrare i vari sensori e l'assemblaggio elettronico stesso nella cornice del display del laptop.

Abbiamo deciso quale tecnologia PCB vorremmo utilizzare e com'è fatto il hardware di montaggio per il PCB della webcam. In questo aggiornamento, concentreremo la nostra attenzione sul design elettronico e PCB del modulo della webcam.

Fully assembled webcam/sensor PCB

PCB della webcam/sensori completamente assemblato

Interfaccia della scheda madre

Iniziamo capendo come il PCB della webcam/sensori dovrebbe interfacciarsi con la scheda madre del sistema. Abbiamo quattro connessioni logiche che devono essere stabilite con la scheda madre:

1. Interfaccia del sensore di immagine

L'interfaccia della webcam, o del sensore di immagine, è la prima. Il sensore di immagine che utilizzeremo è un Omnivision OV2740. Questo sensore fornisce un'immagine ad alta definizione 1080p a 60 fotogrammi al secondo. Il flusso di dati dell'immagine viene trasmesso tramite un'interfaccia MIPI-CSI2. Un'interfaccia seriale standard SCCB è utilizzata per controllare il sensore. Sono necessarie anche alcune linee di controllo globali accanto a questa interfaccia.

Solitamente, sia le webcam interne che quelle esterne sono collegate tramite un'interfaccia USB che supporta il protocollo UVC. La specifica UVC, acronimo di USB Video Device Class, permette ai dispositivi di streaming video di essere utilizzati senza un driver specifico per l'hardware. Questo consente l'operazione plug-and-play delle webcam esterne. Un altro vantaggio dell'utilizzo dell'interfaccia USB è che è necessario solo un paio di dati oltre a una connessione di alimentazione e terra per interfacciarsi con il dispositivo. Ciò minimizza la quantità di segnali che devono essere instradati all'interno del sistema, riducendo la complessità dei connettori e aumentando l'affidabilità dell'intero sistema. Un altro vantaggio di un dispositivo o modulo USB UVC è che può essere sostituito con qualsiasi altro dispositivo conforme a USB UVC, che nel caso del nostro design per laptop consentirebbe di aggiornare facilmente la scheda della webcam a una versione più recente.

C'è però un problema associato all'uso di un dispositivo conforme a USB UVC in un design open-source: per convertire l'uscita CSI del sensore di immagine in un'interfaccia conforme a USB UVC è necessario un ASIC con un firmware personalizzato e un ISP. Esistono diverse soluzioni integrate disponibili da grandi fornitori di IC come Realtek o SONIX Technology. Tuttavia, la documentazione per questi IC non è liberamente disponibile e quindi non rappresenta la scelta giusta per un laptop open-source.

Un'eccezione è il Controller per fotocamera EZ-USB™ CX3 MIPI CSI2 a USB 5 Gbps di Infineon. Questo IC è accompagnato da documentazione accessibile e da un SDK per progettare un firmware personalizzato per il sensore di immagini. Tuttavia, l'EZ-USB™ CX3 è destinato a applicazioni USB3.0 per sensori di immagini ad alta risoluzione o ad alto frame rate. Con un prezzo superiore ai 10€ per IC in volumi, questo componente sarebbe eccessivamente sovradimensionato per la nostra applicazione. Dato che questo IC è disponibile in un package BGA da 10mm X 10mm con 121 pin, non saremmo comunque in grado di montarlo sulla scheda della webcam.

Quindi, per ora, instraderemo l'intera interfaccia CSI2 fornita dal sensore di immagini direttamente alla scheda madre. Abbiamo due opzioni: o utilizzare lo spazio disponibile per implementare il nostro convertitore USB UVC oppure interfacciare direttamente il sensore di immagini con la CPU/PCH e gestire l'elaborazione del segnale di immagine tramite firmware nella CPU host. Al momento, la prima opzione è quella che probabilmente sarà implementata. Esploreremo questa possibilità più approfonditamente in un aggiornamento successivo.

Le altre interfacce che dobbiamo instradare alla scheda madre sono le seguenti:

2. Interfaccia Microfono

Stiamo utilizzando due microfoni MEMS per registrare audio stereo. Questi microfoni MEMS forniscono un'uscita PWM (modulazione di densità di impulsi) che può essere letta dal PCH o dal controller integrato sulla scheda madre.

3. Sensore di luce ambientale

Il sensore di luce ambientale offre un'interfaccia I2C che deve essere collegata anche al controller integrato sulla scheda madre.

4. Uscite dei tasti touch

Ultimo ma non meno importante, dobbiamo instradare l'uscita dei tasti touch al controller integrato. Queste uscite indicano al controller integrato se l'interfaccia WiFi o della fotocamera è stata disattivata a livello hardware.

Connettore da scheda a scheda

Ora che sappiamo quanti pin dobbiamo allocare per l'interfaccia tra la scheda PCB della webcam e la scheda principale, possiamo scegliere un connettore da scheda a scheda adatto. Al fine di mantenere lo spazio necessario per il connettore il più piccolo possibile, utilizzeremo un connettore a passo fine.

Per questa versione della scheda della webcam, utilizzeremo un connettore Molex SlimStack 505550 con 40 pin a passo di 0,4mm.

Molex SlimStack connector

Connettore Molex SlimStack

Utilizzeremo un FPC a doppio strato per instradare il segnale dalla PCB della webcam alla scheda madre. Sebbene il connettore SlimStack sia una soluzione che consente di risparmiare spazio, i test hanno dimostrato che scollegare questo connettore è molto difficile quando il pannello del display è posizionato sopra l'FPC.

FPC connected with display panel installed on top

FPC collegato con pannello del display installato sopra

Per facilitare la sostituzione della PCB della webcam con il pannello del display installato, sostituiremo questo connettore da scheda a scheda con un connettore FPC diretto. Un candidato interessante per tale connettore potrebbe essere la serie Hirose FH35C, che presenta una densità di pin molto alta così come una buona forza di ritenzione.

Sensori Tattili Capacitivi

I sensori tattili capacitivi TTP232-CA6 utilizzati sulla scheda della webcam sono IC di rilevamento a doppio canale di Tontek. Poiché un chip fornisce due canali, ogni IC gestisce il rilevamento sia del pulsante di attivazione che di disattivazione per le funzionalità della Webcam, WiFi e Microfono.

Su ogni ingresso degli IC di rilevamento è posizionato un condensatore opzionale con impronta 0201. La sensibilità dell'IC tattile può essere regolata con questi condensatori opzionali.

Dopo i circuiti integrati di rilevamento, viene utilizzato un blocco di memoria per conservare l'ultima pressione del pulsante. Nell'attuale implementazione del blocco di memoria, il dispositivo si avvia con la fotocamera, il WiFi e la funzionalità del microfono disattivati al riavvio. In particolare per la funzionalità WiFi, questo comportamento potrebbe essere indesiderato, motivo per cui lo stato predefinito per questo canale potrebbe essere invertito in seguito.

Touch sensing channel for the WiFi functionality

Canale di rilevamento touch per la funzionalità WiFi

Microfono e sensore di luce ambientale

I microfoni e i sensori di luce ambientale che abbiamo selezionato in un precedente aggiornamento del progetto sono stati implementati secondo il datasheet. Entrambi i sensori sono alimentati da un LDO separato da 3,3V che fornisce una tensione di alimentazione generata dai 5V di potenza in ingresso che viene indirizzata alla scheda della webcam.

Il sensore di luce ambientale è posizionato su una piccola scheda aggiuntiva che contiene un condensatore di disaccoppiamento e le resistenze di pull-up del bus I2C.

Microphone and ambient light sensor

Microfono e sensore di luce ambientale

Sensore di immagine della webcam

Il sensore di immagine della webcam è implementato come segue. Le linee di alimentazione per il sensore sono tutte generate localmente da tre piccoli LDO. La serie di LDO TLV740P è una soluzione molto compatta ed economica. Il package utilizzato è il 1mm X 1mm X2SON che risulta in una soluzione complessivamente molto piccola.

Il consumo energetico del sensore di immagine è così basso che ogni linea di alimentazione può essere generata abbassando la linea globale di 5V utilizzando regolatori lineari.

Webcam image sensor schematic

Schema del sensore di immagine della webcam

Schema della scheda della webcam

La bozza finita dello schema della PCB della webcam può essere visualizzata nel visualizzatore di Altium 365:

Test of button

Oltre ai tasti touch e ai sensori, la PCB della webcam contiene anche un LED RGB per ogni uscita del canale di rilevamento. I LED RGB sono stati scelti per poter regolare finemente il colore delle icone retroilluminate modificando il valore della resistenza utilizzata per ogni singolo colore.

Un piccolo MOSFET N-Channel a livello logico in un pacchetto SOT-883 è utilizzato per applicare un dimmeraggio PWM globale a tutti i LED sulla scheda della webcam. Lo stesso segnale PWM che verrà utilizzato per cambiare la luminosità dello schermo può essere utilizzato anche per controllare i LED delle icone retroilluminate nella cornice dello schermo. In questo modo le icone non saranno di distrazione nel caso in cui fosse scelta una bassa luminosità dello schermo.

Con lo schema completato, possiamo ora trasferire tutte le informazioni nell'editor PCB e iniziare il routing della scheda.

Restate sintonizzati per il prossimo aggiornamento, dove forniremo preziose informazioni sul layout del PCB della scheda della webcam—non perdere gli ultimi dettagli che arricchiranno la tua comprensione del design e della funzionalità!

Sull'Autore

Sull'Autore

Lukas è un appassionato progettista hardware con più di 10 anni di esperienza nell'industria elettronica. Come co-fondatore della sua azienda di servizi di ingegneria, ha avuto il privilegio di lavorare a molti progetti entusiasmanti, affrontando sfide che vanno dal design analogico di precisione alla disposizione di PCB ad alta velocità e all'elettronica di potenza.

Da forte sostenitore della filosofia open-source, Lukas si è posto l'obiettivo di fornire a chiunque sia interessato una visione approfondita sulla costruzione e il funzionamento dei dispositivi elettronici moderni. Spinto da questo obiettivo, ha fondato l'azienda Open Visions Technology (OV Tech GmbH), che mira a portare sul mercato hardware per consumatori all'avanguardia, altamente riparabile e completamente documentato.

Lukas crede fermamente che, con l'accesso online di oggi a know-how e strumenti, chiunque abbia un'idea, determinazione e passione possa creare cose straordinarie. È ansioso di far parte di una comunità entusiasta ed è emozionato di vedere come le persone danno vita alle loro idee.

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