Фаза проектирования – Электроника крышки сборки Часть 1

Добро пожаловать обратно в серию проектов открытого ноутбука! В предыдущем обновлении мы обсуждали, как интегрировать различные датчики и саму электронную сборку в рамку дисплея ноутбука.

Мы решили, какую технологию печатных плат мы хотели бы использовать, и как будет выглядеть крепежная аппаратура для печатной платы веб-камеры. В этом обновлении мы сосредоточим наше внимание на электронике и дизайне печатной платы модуля веб-камеры.

Полностью собранная печатная плата веб-камеры/датчика

Интерфейс основной платы

Давайте начнем с того, как печатная плата веб-камеры/датчика должна быть подключена к основной плате системы. У нас есть четыре логических соединения, которые должны быть установлены с материнской платой:

1. Интерфейс датчика изображения

Первым идет интерфейс веб-камеры или датчика изображения. Датчик изображения, который мы будем использовать, - это Omnivision OV2740. Этот датчик обеспечивает высокое разрешение 1080p при 60 кадрах в секунду. Поток данных изображения передается через интерфейс MIPI-CSI2. Для управления датчиком используется стандартный последовательный интерфейс SCCB. Вдобавок к этому интерфейсу необходимо несколько глобальных управляющих линий.

Обычно как внутренние, так и внешние веб-камеры подключаются через интерфейс USB, поддерживающий протокол UVC. Спецификация UVC, что означает USB Video Device Class, позволяет использовать устройства видеостриминга без специфических драйверов для аппаратуры. Это обеспечивает возможность подключения и использования внешних веб-камер в режиме plug-and-play. Другое преимущество использования интерфейса USB заключается в том, что для подключения устройства требуется только одна пара данных, а также подключение питания и земли. Это минимизирует количество сигналов, которые необходимо маршрутизировать внутри системы, что снижает сложность разъемов и повышает надежность всей системы. Еще одно преимущество устройства или модуля USB UVC заключается в том, что его можно заменить на любое другое устройство, совместимое с USB UVC, что в случае нашего дизайна ноутбука позволит легко обновить плату веб-камеры до более новой версии.

Однако существует проблема, связанная с использованием устройства, совместимого с USB UVC, в открытом дизайне: для преобразования выхода CSI сенсора изображения в интерфейс, совместимый с USB UVC, требуется ASIC с пользовательской прошивкой и ISP. Существует немало интегрированных решений от крупных производителей интегральных схем, таких как Realtek или SONIX Technology. Однако документация для этих микросхем не доступна бесплатно, поэтому они не подходят для открытого дизайна ноутбука.

Исключение составляет контроллер камеры EZ-USB™ CX3 MIPI CSI2 в USB 5 Gbps от Infineon. Этот микросхема поставляется с доступной документацией, а также с SDK для разработки пользовательского программного обеспечения для датчика изображения. Однако EZ-USB™ CX3 предназначен для приложений USB3.0 с датчиками изображения высокого разрешения или высокой частоты кадров. С ценником более 10€ за микросхему в больших объемах этот компонент был бы слишком избыточным для нашего приложения. Поскольку эта микросхема имеет размер 10мм X 10мм и 121 вывод в корпусе BGA, мы не смогли бы установить ее на плату веб-камеры.

Так что пока мы будем направлять весь интерфейс CSI2, предоставляемый датчиком изображения, непосредственно на материнскую плату. У нас есть два варианта: либо использовать доступное пространство для реализации собственного преобразователя USB UVC, либо напрямую соединить датчик изображения с CPU/PCH и обрабатывать сигнал изображения через прошивку в центральном процессоре хоста. На данный момент первый вариант кажется более вероятным. Мы рассмотрим это более подробно в последующем обновлении.

Другие интерфейсы, которые нам нужно вывести на материнскую плату, следующие:

2. Интерфейс микрофона

Мы используем два микрофона MEMS для записи стерео аудио. Эти микрофоны MEMS обеспечивают выход PWM (модуляция плотности импульсов), который может быть считан PCH или встроенным контроллером на материнской плате.

3. Датчик окружающего света

Датчик окружающего света предоставляет интерфейс I2C, который также необходимо подключить к встроенному контроллеру на материнской плате.

4. Выходы сенсорных клавиш

Наконец, мы должны подключить выходы сенсорных клавиш к встроенному контроллеру. Эти выходы сообщают встроенному контроллеру о том, были ли интерфейсы WiFi или камеры отключены на аппаратном уровне.

Соединитель плата-к-плате

Теперь, когда мы знаем, сколько контактов нам нужно выделить для интерфейса между платой веб-камеры и основной платой, мы можем выбрать подходящий соединитель плата-к-плате. Чтобы место, необходимое для соединителя, было как можно меньше, мы будем использовать соединитель с мелким шагом.

Для этой версии платы веб-камеры мы будем использовать соединитель Molex SlimStack 505550 с 40 контактами и шагом 0.4 мм.

Molex SlimStack соединитель

Мы будем использовать двухслойный FPC для передачи сигнала с печатной платы веб-камеры на основную плату. Хотя разъем SlimStack является решением, экономящим пространство, тестирование показало, что отсоединение этого разъема очень сложно, когда панель дисплея находится сверху на FPC.

FPC соединен с установленной сверху панелью дисплея

Чтобы облегчить замену платы веб-камеры с установленной панелью дисплея, мы заменим этот разъем платы на разъем с прямым подключением FPC. Интересным кандидатом для такого разъема может быть серия Hirose FH35C, которая отличается очень высокой плотностью контактов, а также хорошей удерживающей силой.

Датчики сенсорного прикосновения

Датчики сенсорного прикосновения TTP232-CA6, используемые на плате веб-камеры, являются двухканальными сенсорными ИС от Tontek. Поскольку один чип обеспечивает два канала, каждая ИС обрабатывает как активацию, так и деактивацию кнопок для функций веб-камеры, WiFi и микрофона.

На каждом входе сенсорных ИС устанавливается опциональный конденсатор в корпусе 0201. Чувствительность сенсорного ИС может быть настроена с помощью этих опциональных конденсаторов.

После датчиков IC используется защелка для сохранения последнего нажатия кнопки. В текущей реализации защелки устройство запускается с деактивированными функциями камеры, WiFi и микрофона при перезагрузке. Особенно для функционала WiFi такое поведение может быть нежелательным, поэтому начальное состояние этого канала может быть изменено позже.

Канал сенсорного управления для функционала WiFi

Микрофон и датчик окружающего света

Микрофоны и датчики окружающего света, которые мы выбрали в предыдущем обновлении проекта, были реализованы в соответствии с техническим описанием. Оба датчика питаются от отдельного 3,3В LDO, который обеспечивает напряжение питания, генерируемое от входного напряжения 5В, которое подается на плату веб-камеры.

Датчик окружающего света расположен на небольшой дополнительной плате, которая содержит развязывающий конденсатор и подтягивающие резисторы шины I2C.

Микрофон и датчик окружающего света

Датчик изображения веб-камеры

Датчик изображения веб-камеры реализован следующим образом. Линии питания для датчика генерируются локально тремя небольшими LDO. Серия LDO TLV740P является очень компактным и экономичным решением. Используемый корпус - 1мм X 1мм X2SON, что обеспечивает очень малый общий размер решения.

Потребляемая мощность датчика изображения настолько низка, что каждую линию питания можно получить, понизив глобальную 5В линию с помощью линейных регуляторов.

Схема датчика изображения веб-камеры

Схема платы веб-камеры

Завершенный черновик схемы печатной платы веб-камеры можно увидеть в просмотрщике Altium 365:

Помимо сенсорных клавиш и датчиков, печатная плата веб-камеры также содержит RGB светодиод для каждого выхода канала сенсора. RGB светодиоды были выбраны для того, чтобы можно было точно настроить цвет подсветки иконок, изменяя значение резистора для каждого отдельного цвета.

Маленький логический N-канальный MOSFET в корпусе SOT-883 используется для глобального PWM затемнения всех светодиодов на плате веб-камеры. Тот же сигнал PWM, который будет использоваться для изменения яркости экрана, может быть использован также для управления светодиодами подсветки иконок в рамке экрана. Таким образом, иконки не будут отвлекать, если была выбрана низкая яркость экрана.

Со схемой завершенной, мы теперь можем передать всю информацию в редактор печатных плат и начать трассировку платы.

Оставайтесь с нами, чтобы не пропустить следующее обновление, в котором мы предоставим ценные сведения о компоновке печатной платы веб-камеры. Не упустите возможность узнать последние детали, которые расширят ваше понимание дизайна и функциональности!