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ラズパイカメラ向け ケーブル延長基板・ハウジングの開発

K.Masaki
November 20, 2024

ラズパイカメラ向け ケーブル延長基板・ハウジングの開発

ラズパイカメラのカメラモジュールをHDMIケーブルで延長可能なハウジングの開発についての発表です。
最新のAIカメラモジュールにも対応しています

AkarengaLT vol.28(2024-11-16)
福岡市エンジニアカフェ(赤煉瓦文化館内)
https://engineercafe.connpass.com/event/336130/

第18回オープンエッジデバイス研究会
ソニークリエイティブラウンジ(ソニー 本社内)
https://openedgedevice.connpass.com/event/333848/

K.Masaki

November 20, 2024
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Transcript

  1. ラズパイカメラ向け ケーブル延⾧基板・ハウジングの開発 http://b-and-b-lab.jp/ 株式会社 B&B Lab. 代表 真崎 康平 [email protected]

    2024.11.16 AkarengaLT vol.28@エンジニアカフェ(福岡) 2024.11.20 第18回オープンエッジデバイス研究会 @ソニークリエイティブラウンジ(SONY 品川)
  2. 〇概要 ・設立 2018年1月 ・資本金 300万円 ・主な業務 IoT機器の開発 http://b-and-b-lab.jp/ 〇代表取締役 眞崎

    康平(まさき こうへい) :ハードウェア開発担当 業務キャリア ・SONY半導体(鹿児島、熊本、福岡)で10年弱、イメージセンサ開発に従事 対応領域 画像処理ソフトウェア開発、ハードウェア制御(Visual C++, VBA) 製品評価手法開発(CCD/CMOSイメージセンサ) ハードウェア開発(アナログ、デジタル) ・風力発電パワーコンディショナ開発(4年) 九州大学 応用力学研究所との産学協働プロジェクトにて レンズ風車向けパワーコンディショナ(制御器)開発 大電力、高電圧回路設計 ・その他 医療ベンチャーetc. 〇共同設立者 中村 真理(なかむら しんり):クラウド、ファームウェア担当 業務キャリア ・バーテンダー ・診療放射線技師 ・ハイパーメディアクリエーター(自称) LINE API Expert
  3. 開発の技術的背景( 2/3 ) 150mm でも、これ短くね? 基板むき出しだし、、 Inter face 誌 2018年

    3月号より引用 3m伸ばせると検証記事があるが 安定してないし、 基板むき出し。 使い物になるの??
  4. https://datasheets.raspberrypi.com/camera/camera-module-2-schematics.pdf Raspberry Pi Camera V2.1 回路図 〇ラズパイ側のカメラモジュールのケーブルのピン配置を調べてみる HDMIケーブルでのラズパイカメラの延⾧ (1/5) 1

    15 この部分 ※12番ピンは SONY製イメージセンサ採用前の カメラモジュールで使用。 SONYセンサ版では未使用 MIPI CSI2 2 Lane 構成 クロック+データ線2組 3.3V電源 センサ設定用 I2C制御ライ ン Enable信号 ピン配置の構成 ・MIPI CSI 2 2レーン構成 ・I2C 制御ライン ・3.3V / GND ・Enable信号
  5. https://www.pcb-noah.com/asp/wical/ical.aspx HDMIケーブルでのラズパイカメラの延⾧ (3/5) 何故、ラズパイのカメラを伸ばすのにHDMIケーブルが使えるのか? Interface誌 2016年 9月号より抜粋 映像信号は超高速で 本来素人サンが扱える ものではない

    ノイズに強い差動伝送が使われている点と 特性インピーダンスという指標さえ管理すればカメラの配線は比較的容易 HDMIとMIPIの特性差動インピーダンスは 100Ωと同じ規格である。 理論は難しいがツールを使えば 設計値(線幅等)は計算できる。
  6. HDMIケーブルでのラズパイカメラの延⾧ (4/5) HDMIケーブルのピン配置を調べてみた HEAC対応 ピン# TMDS Data2+ 1 TMDS Data2

    シールド 2 TMDS Data2- 3 TMDS Data1+ 4 TMDS Data1 シールド 5 TMDS Data1- 6 TMDS Data0+ 7 TMDS Data0 シールド 8 TMDS Data0- 9 TMDS Clock+ 10 TMDS Clock シールド 11 TMDS Clock- 12 CEC 13 Utility, HEAC+ 14 SCL 15 SDA 16 DDC,CEC グラウンド, HEAC シールド 17 +5V 18 HPD, HEAC- 19 ・差動信号ライン 5ペア+シールド ・+5V電源ライン ・I2C 信号ライン(SDA/SCL) ・CEC信号線 CEC(Consumer Electronics Control): HDMIの機器間の信号線 ラズパイのカメラ信号(MIPI CSI-2 2Lane) の信号が通せるどころか、フルスペックの 4 Lane が通せる可能性? HDMI-NAVI.com HDMIコネクターのピンアサイン(ピン配列) http://www.hdmi-navi.com/pin_assignment_of_hdmi_connectors/
  7. HDMIケーブルでのラズパイカメラの延⾧ (5/5) そこでピン配置考えてみた 概要: 〇5対の差動信号線を以下に割り当てる ・MIPI クロック CK(+/-) ・MIPI データ線

    D0 ~ D3(+/-) うち通常のラズパイでは D0, D1 を使用し 2Lane で使う 〇5Vの電源ラインは3.3Vの電源を通す 〇SDA/ SCL はセンサ信号線に使用 〇信号 GND は差動ラインのシールド 〇ケーブル外皮、コネクタシェルの フレームGNDはラズパイ側では信号GNDに繋ぎ カメラ側では信号GNDとして使う。 〇さて、CEC 余った?? なんに使おう? カメラの照明ライトのLED用でよくない?? ノイジーなので戻りはケーブル外皮でよくない? あ、、Enable 信号足りないや? そこは3.3Vの電源を直接ブチ切ればいっか!
  8. HDMIケーブルでのラズパイカメラの延⾧ (Appendix) 通常じゃないラズパイってあるの??? →あります! https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/comp ute-module.html Compute Module 4 独自解析

    公式の回路図 実はカメラモジュール自体も 4 Lane 対応 カメラが2個搭載可能で、 片方が MIPI CSI-2 4 レーン対応 4でありながら、M.2のメモリも搭載可能。
  9. LED配置イメージ 制約事項 ・センサーインターフェイス基板と同じ面付けで作るので4層基板 →照明基板としてはオーバースペックだが、それを放熱とノイズ低減に全振り ・LED基板の放熱を重視して銅箔厚 35μm 、全体の厚みは 他の基板と合わせて 1mm とする。

    ・LEDの数は、適当な表面実装タイプの白色パワーLEDの寸法を考慮すると 8個が置ける数の上限である。 ・LEDの電流は、使用するコネクタ(HDMI コネクタ)の上限値0.5Aで設計する。 https://www.molex.com/en-us/products/part-detail/476591102?display=pdf LED照明基板の回路設計(1/2)
  10. LED照明基板の回路設計(2/2) ▪設計した回路 LT3942A 昇降圧型・定電流LEDドライバモジュール (2.8V~8V,最大1A) ▪選定したLEDドライバ ストロベリーリナックス製品情報 https://strawberry-linux.com/catalog/items?code=33942 設計のポイント ・LEDドライバ側で定電流駆動するので電流制限抵抗は設けない

    →基板側での発熱を避けたい、昇圧が必要な点 ・単純に並列にするとLEDの特性や温度不均一で特定のLEDに電流が集中して壊れるので バラスト抵抗を直列に接続。抵抗値は1608の定格 1/10W に発熱が収まるように3.3Ωに設計 使用LED 白色大出力チップLED NSSW157T https://akizukidenshi.com/catalog/g/g116884/ 選定のポイント ・ラズパイから取れる5Vから 白色LEDの駆動に必要な電圧に昇圧できる ・PWM駆動で照明を調整できる
  11. LED照明基板のパターン設計 (1/5) K(カソード) A(アノード) LEDパッケージとは? LEDを形作る材料と構造 https://www.my-craft.jp/html/aboutled/led_package.html K K K

    K K K K K 熱 熱 LEDの発熱は ネジ穴経由で ケースに逃がす 熱 熱 基板表面の熱放射で放熱 設計方針1 ネジ穴はベタGNDに直接接続する 設計方針2 LEDのカソード側の放熱を考慮
  12. LEDの発熱は カソード側から 銅箔に行う K K K K K K K

    K GND LED_VDD K K 熱 熱 LED_VDD LED_VDD LED_VDD Top Layer (銅箔厚 0.35μm) LED照明基板のパターン設計 (2/5)
  13. LED1_K LED3_K LED5_K LED7_K GND LED_VDD ・LEDの各中点 ( LEDn_K n

    = 1,3,5,7 )の ノードの面積を広く取り、基板の絶縁層を 介して熱を逃がす ※絶縁層の熱抵抗は大きいため、向い合う 電極面積は広くしたい。 熱 熱 LED中点 ノード Layer 2 (銅箔厚 0.35μm) ・電源の分配は何れかの層で必要なため パターンによる熱伝導を分断させないこの 層で電源の分配を行う LED照明基板のパターン設計 (3/5)
  14. 告知 開催日時 2024年11月26日(火)~28日(木) 10:00~17:00 会場 東京ビッグサイト 南 2 ホール https://agribiz.maff.go.jp/overview

    アグリビジネス創出フェア2024 出展します。 USCS研究会より共同出展予定 来れる方はよろしくお願いします。 弊社出展案内