Telecamera per impieghi automotive: note di progettazione

La telecamera posteriore, in grado di semplificare e aumentare il grado di sicurezza durante le manovre di parcheggio o quando si innesta la retromarcia, è oggi un dispositivo disponibile su molti modelli di autovetture, anche quelle di classe più economica. In questo articolo presenteremo una soluzione semplice e compatta, basata sull'utilizzo di una telecamera da 1,3 Megapixel con una connessione in grado di trasferire, su un unico cavo coassiale, il segnale video digitale, l'alimentazione, e i segnali di controllo e diagnostici per la telecamera.

Introduzione

I sistemi avanzati di assistenza alla guida (indicati anche con il termine ADAS, acronimo di Advanced Driver Assistance Systems), stanno acquisendo un ruolo sempre più importante nel settore automotive. Spesso questi sistemi ricorrono all'impiego di alcune telecamere per implementare diverse funzionalità, quali ad esempio:

  • telecamera per la visione durante la retromarcia e per il parcheggio assistito
  • sistemi di visione esterna, con copertura fino a 360°
  • sistemi di visione ADAS di tipo evoluto

Requisito fondamentale per tutti questi tipi di applicazione è naturalmente l'impiego di una telecamera di dimensioni compatte, dotata di una risoluzione sufficientemente elevata, e in grado di integrarsi agevolmente con gli altri dispositivi elettronici presenti a bordo del veicolo, quali ad esempio l'ECU.

Texas Instruments ha proposto una soluzione basata sull'impiego della telecamera OV10640 da 1,3 Megapixel prodotta da OmniVision, un serializzatore da 1,4 Gbit/s e tutti i circuiti in grado di fornire l'alimentazione richiesta. Tutte queste funzionalità sono racchiuse all'interno di una scheda di soli 20 mm x 20 mm (si osservi la Figura 1), in grado di interfacciarsi con il resto del sistema tramite un singolo cavo coassiale da 50 Ohm.

Figura 1: le dimensioni estremamente compatte del modulo telecamera

Tra i principali vantaggi offerti da questa soluzione, ricordiamo:

  • progetto con dimensioni ottimizzate del PCB, pari a soli 20x20 mm;
  • alimentazione ottimizzata per le dimensioni ridotte e per garantire un basso rumore;
  • funzionalità diagnostica e Built In Self Test (BIST) integrato;
  • singolo connettore coassiale di tipo Rosenberger Fakra, adatto per gestire segnali video digitali, segnali di alimentazione, controllo, e diagnostica;
  • sensore di immagine HDR OV10640 da 1,3 Mpixel, in grado di fornire un'immagine raw con risoluzione su 12 bit;
  • aletta per l'installazione sul telaio inclusa nel design;
  • alimentazione su cavo coassiale compresa tra 4V e 17V.

Lo schema a blocchi

In Figura 2 possiamo osservare lo schema a blocchi della soluzione proposta.

Figura 2: schema a blocchi del progetto

Il punto di ingresso alla scheda è rappresentato dal cavo coassiale, di tipo FAKRA, che include sia i segnali per l'alimentazione continua che i canali dati e controllo previsti dal collegamento FPD-Link III. Il filtro visibile nelle immediate vicinanze del connettore coassiale serve a bloccare tutte le componenti ad elevata velocità del segnale (senza introdurre un'attenuazione significativa), permettendo alla componente relativa al segnale di alimentazione in continua di oltrepassare indisturbato il filtro stesso. Il segnale di alimentazione in continua può quindi raggiungere l'ingresso del convertitore buck da 3,3 V, visibile nello schema in basso a destra. Le altre due linee di alimentazione richieste dal serializzatore  e dalla fotocamera sono realizzate tramite due regolatori a basso dropout (LDO), con tensioni di uscita pari a 1,8 V e 1,5 V, rispettivamente.

La componente del segnale ad elevata frequenza è collegata direttamente al serializzatore: questo è il cammino percorso dal segnale video e dal canale di controllo tra il serializzatore (presente sulla scheda) e il deserializzatore (presente all'esterno, su un'altra board che si interfaccia tipicamente con una MCU o con l'ECU stessa).

L'uscita del sensore fotocamera (CMOS imager) è invece collegata al serializzatore tramite un'interfaccia DVP (Digital Video Port). L'uscita video, che può avere una risoluzione su 10-bit oppure su 12-bit e include anche due segnali di sincronismo, viene convertita in un singolo flusso dati seriale ad alta velocità (stream) che viene trasmesso tramite il cavo coassiale al deserializzatore presente all'altro capo del cavo stesso. Sullo stesso cavo coassiale viaggiano poi i segnali relativi ai canali di controllo, bidirezionali, separati e a bassa latenza. Questi segnali sono utilizzati dal microprocessore che governa il sistema per configurare e controllare le funzionalità e i parametri del modulo fotocamera.

I componenti del circuito

Dopo questa rapida panoramica del circuito, vediamo di analizzare i componenti principali dello stesso, tutti visibili nello schema a blocchi di Figura 2.

DS90UB913A-Q1

Si tratta del modulo serializzatore, in grado di offrire un'interfaccia di tipo FPD-Link III con un canale dati ad alta velocità e un canale di controllo bidirezionale per la trasmissione su un singolo cavo coassiale o su una coppia di fili differenziale. Il chipset include la segnalazione differenziale sia sul canale dati ad elevata velocità che sul canale di controllo bidirezionale.

Come già anticipato in precedenza, il chipset serializzatore (e il suo omologo deserializzatore) sono stati espressamente progettati per la comunicazione tra il modulo fotocamera (imager) e il processore video, solitamente residente nell'ECU (Electronic Control Unit).

L'immagine di Figura 3 ben evidenzia il collegamento serializzatore/deserializzatore tramite interfaccia FPD-Link III, molto diffusa nel settore automotive soprattutto per le applicazioni di image processing.

Figura 3: collegamento tra serializzatore e deserializzatore

L'utilizzo di un serializzatore per aggregare su un unico cavo coassiale (o su una coppia di fili) il segnale video a 12-bit con il segnale di controllo bidirezionale consente di semplificare notevolmente la complessità del sistema, riducendo i cablaggi e i costi complessivi. L'ingresso video parallelo del DS90UB913A-Q1 si accoppia perfettamente con l'uscita video parallela a 12-bit del modulo imager OV10640. Aggiungendo un opportuno filtro, il segnale di alimentazione (detto anche Power Over Coax, o semplicemente POC), il segnale video, i segnali di controllo per l'interfaccia I2C e per la diagnostica, possono essere tutti trasmessi su un unico ed economico cavo coassiale, coprendo senza problemi distanze fino a 15 metri.

TPS62170-Q1

Questo componente è un convertitore DC di tipo step-down, adatto ad impieghi automotive, ottimizzato per le applicazioni con elevata densità di potenza.  L'elevata frequenza di switching utilizzata (il valore tipico è pari a 2,25 MHz) consente l'utilizzo di induttanze di valore molto piccolo, e fornisce una riposta al transitorio molto rapida.

Al fine di mantenere le dimensioni complessive della fotocamera più piccole possibili, anche l'alimentazione deve presentare ingombri molto limitati. Inoltre, essa deve avere un elevato grado di efficienza, senza introdurre del rumore addizionale che può degradare la qualità dell'immagine proveniente dal sensore. Spesso, questi due requisiti sono in contrapposizione tra loro. Un alimentatore switching è più efficiente di un regolatore lineare, ma può introdurre del rumore nel sistema. I circuiti relativi al sensore fotocamera [...]

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7 Commenti

  1. santelectronic santelectronic 3 febbraio 2020
  2. Alessandro Alessandro 3 febbraio 2020
    • Stefano Lovati Stefano Lovati 3 febbraio 2020
  3. ZOPDAR ZOPDAR 3 febbraio 2020
    • Stefano Lovati Stefano Lovati 3 febbraio 2020
  4. Iacopo Banchini Iacopo Banchini 3 febbraio 2020
  5. tattolilm tattolilm 10 febbraio 2020

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