基于Hi3516D 的低功耗图像采集系统的设计

2021-08-02甄国涌陈建军贾兴中

电子技术应用 2021年7期

甄国涌，曹飞，陈建军，贾兴中

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051）

0 引言

随着电子产业的快速发展以及航空航天实验条件的不断严苛，搭载设备的小型化、集成化也在不断提升要求。图像数据作为直观的数据来源，扮演了越来越重要的数据支撑角色。对于航空航天设备，一般都具有空间受限、能耗珍贵、带宽有限的特点[1-2]，所以搭载的图像采集系统必须要在保证图像质量的前提下，尽量降低功耗，期望可以长时间工作，并尽量降低码率，期望可以节省存储空间、降低带宽使用率。例如某遥测设备，遥测带宽一般为2 Mb/s～5 Mb/s，工作时长可能长达数小时，需要实时获取设备运行状况图像[3-4]，对于大部分的可行方案，有些采用普通ARM 处理器架构可以做到实时传输，但是图像分辨率较低；有些采用FPGA 采集、Flash存储、DDR 读取设计框架，可以做到高分辨率[5-6]，但是实时性和码率要求不达标。

基于以上实际需求，采用国产化海思主控芯片Hi3516D，设计了一种低功耗、低码率、高质量的图像采集系统。

1 总体方案设计

嵌入式系统设备的小型化、芯片的高集成度，使得芯片的功耗明显增大。据资料显示，芯片稳定工作后温升10 ℃，其可靠性将会降低近一半。其中包含电迁移、连线阻抗增大、线延时增加等问题，最终导致时延故障率增大[7]。

所以基于降低功耗的设计思想，系统设计方案如图1所示，整体分为5 个模块：图像采集模块、主控模块、存储模块、RS422 通信模块、电源模块。

图1 总体方案设计

图像采集模块采用高动态低功耗AR0230CS 传感器，通过SLVS 接口将图像数据送至主控模块。其拥有96 dB的高动态范围、41 dB 的高信噪比，最大输出能力为1080P@60fps，此时线性模式下典型功耗为386 mW。芯片内部采样一个R/G/B 分量只使用一个晶体管，然后利用插值计算得到每个Piexl，在芯片设计层就降低了功耗[8]。

主控模块采用国产海思公司的Hi3516D 芯片，通过MIPI 管理器接收来自CMOS 图像采集模块的数据，并进行优化处理、H264 编码压缩，通过UART 接口输出至RS422通信模块，本UART 支持的最大码率为3 Mb/s。芯片设计从先进的低功耗工艺和低功耗架构出发，同时采用ARM Cortex A7 的内核，最大输出能力为1080P@60fps，此时典型功耗为1.1 W[9]。

存储模块使用4 Gb 的DDR3 和256 Mb 的Flash，型号分别为K4B4G1646E、MX25L25635F，其中DDR3 在离线模式下处理主控模块的图像数据，而Flash 则用于存储Linux 运行镜像系统。该DDR3 最高支持600 MHz 的工作频率，可设置Power Down、Self Refresh 等低功耗模式，使能自动低功耗后，系统处于空闲状态，自动控制DDR3进入到普通低功耗模式；当系统需要进入到待机模式时，控制DDR3 进入到自刷新低功耗模式，该模式下可以将DDR3 的功耗降至最低，同时保持DDR3 中的数据。

通信模块采用RS422 接口，芯片选用ADM2682E，接收主控芯片Hi3516D 输出的图像数据并通过RS422 接口发送出去。该芯片集成了一个5 kV rms 隔离DC/DC电源，不需要外部DC/DC 隔离模块，节省了PCB 布局资源，也节省了额外的芯片供电功耗。本设计在开始图像采集后使能发送器、禁止接收器，一直处于单向发送数据的状态，以降低功耗。

电源模块主要采用MP2122、TPS82084 等高效率DC/DC。线性电源发热量大、效率低、在输出功率较大的情况下（如2 A 以上）需要加装体积庞大的散热片，针对于目前空间有限、期望低功耗的系统显然不适合。经过电流评估，着重考虑两路较关键、功耗较大的电源，分别为Hi3516D的内核1.1V电压，平均电流约为900mA，最大电流为1A；AR0230CS的IO引脚1.8V电压，平均电流约为260mA，最大电流为310mA。考虑温度的影响并留有50%以上的设计余量，再综合布局空间、成本、供货周期来选择，选择MP2122提供Hi3516D的内核1.1V电压，TPS82084提供AR0230CS的IO引脚1.8V电压。其中MP2122 的电流能力为2 A，双路PWM 输出，静态电流为45 μA，5 V 输入、1.1 V 输出情况下，负载电流约为900 mA 时，效率高达90%；TPS82084 的电流能力为2 A，静态电流为17 μA，背部集成功率电感，节省了PCB 布局，3.3 V 输入、1.8 V 输出情况下，负载电流约为300 mA时，效率高达92%。

2 硬件设计

2.1 动态调压硬件电路设计

为了进一步降低功耗、发挥Hi3516D 的低功耗架构优势，为主控芯片关键的、功耗较高的电源支路添加AVS（Adaptive Voltage Scaling）支持，使得系统可以根据运行不同业务CPU 占用率来动态调节这两路电压[10-11]。

图2 是MP2122 的动态调压硬件电路图，包含一路AVS调压电路AVS-Core，一路内核电压输出CPU_DDR_VDD_Core。MP2122 输出电压计算公式为：

图2 MP2122 动态调压硬件电路

MP2122 为DC/DC 开关电源，DC/DC 电路是一个负反馈运算放大电路，PWM 信号相当于对反馈信号做补偿。由Hi3516D 输出的PWM 波形经过RC 低通滤波器后会输出0～3.3 V 不同电压的直流电平，叠加到反馈引脚FB 上，经过内部负反馈运算放大电路计算，从而控制Vout的输出电压[12]，其中添加AVS 支持的CPU_DDR_VDD_Core的供电范围为[0.8，1.3]V。

2.2 动态调压电路参数计算

根据运放的虚短、虚断特性以及基尔霍夫定律，可以得到如下关系（R2 用于调试环路稳定性，以下关系式忽略R2）：

综合以上计算可得：

可以得出，当Vpwm取得最大值时，Vout取得最小值；当Vpwm取得最小值时，Vout取得最大值。最后求得关系式：

先评估调压范围，Vref是MP2122 的参考电压0.608 V，MP2122 输出的电压范围为Vout（max）=1.3 V，Vout（min）=0.8 V，故R1/R3=0.986，R1/（R4+R5+R6）=0.152；优先选定R5=1 kΩ，C5=2.2 μF，调压时间2.2RC=4.84 ms；优先选定R3=12.7 kΩ，计算出反馈管脚的上分压电阻值R1=12.7 kΩ、R4=499 Ω、R6=80.6kΩ；FB1管脚前预留一个电阻R2，用于调节MP2122 的环路稳定性，计算方法如下：

其中，等式右边的200 kΩ 是一个工程经验值。根据计算得R2=103.5 kΩ，取标称值102 kΩ。

调压时间约束在15 ms 以内，C5 选择2.2 μF，C5 若选择太小，芯片的IC 管脚一般有1～10 pF 的输入电容，芯片的负载电容对滤波电路影响较大；C5 若选择太大，影响滤波电路的高频特性。权衡电源质量和PWM 的调节步长，选定PWM 频率为100 kHz。

3 软件设计

3.1 低功耗模块设计

对于Hi3516D 芯片，应用了多电压域设计，初始有4个电源域，分别供应不同的逻辑模块（CORE、DDR、MEDIA、CPU）电压，互不影响。本设计中，从功耗、结构等因素考虑，采用CPU@600M 低频场景，2 路电源供电，一路将CORE、DDR、CPU合并为CPU_DDR_VDD_Core和单独一路MEDIA_Core。

低功耗模块使用AVS 功能，由于制造工艺中伴随的各种情况导致芯片存在片上的PVT（Process、Voltage、Temperature）偏差，这种偏差为AVS 技术提供了依据。AVS 可以根据运行场景的不同，动态设置不同的频率和电压水平来满足当前的电路时序和性能要求[13-15]。

如图3 所示，处理器经过BOOT 初始化、内核引导和系统文件挂载，启动sample_venc 图像采集程序后，Hi3516D 根据应用程序需求，调用PLL（Phase Locked Loop）单元提供相应的运行频率、调用HPC（Hardware Power Controller）提供相应的工作电压。其中HPC 根据预先设定的AVS 算法，依据Speed Monitor、Performance Monitor 和T-Sensor 的反馈数据，通过PMU（Power Management Unit）Interface 控制外部DC-DC，动态调节CPU_DDR_VDD_Core 和MEDIA_Core 的电压，从而达到降低整芯片平均功耗的效果。

图3 AVS 工作流程图

3.2 低功耗模块配置

低功耗模块的设计涉及uboot 表格寄存器的配置以及低功耗调节内核模块（Hi3516D_pm.ko）的配置。

uboot 表格寄存器的配置分为划分电源域以及配置最高电压和CPU 默认工作频率。寄存器参数设置见表1。

表1 uboot 表格寄存器的配置

表1 中,系统控制寄存器的基地址为0x2005_0000，偏移地址015C 为系统启动专用寄存器11；CRG（Clock and Reset Generator 时钟模块）寄存器的基地址为0x2003_0000，偏移地址0000 为系统APLL 配置寄存器0，0004为系统APLL 配置寄存器1。

Hi3516D_pm.ko 是低功耗调节内核模块，由于本设计采用2 路电源域，故此内核模块包含两个方面的功耗调节。模块参数设置见表2。

表2 低功耗调节内核模块参数设置

4 结果分析及验证

4.1 功耗测试

本测试选取了4 种典型分辨率、帧频25 f/s、采集画面为激烈打斗的漫威视频。计系统开始运行为t=0 时刻，分别取t={5、10、15、20、25}min 的状态，计算其平均值，结果如表3 所示。

表3 功耗测试及SDK 在线测试

由表3 可知，采用AVS 后，CPU 频率平均在550～590 MHz，相比无AVS 时恒定的600 MHz 降幅约为2%～8%；无AVS 时，5 V 供电情况下电流约为0.45 A，功耗约为2.5 W，采用AVS 后，CPU_DDR_VDD_Core 的功耗在200～220 mW，MEDIA_Core 功耗500～520 mW，整体功耗在2.1～2.3 W，降幅约为8%～16%。