基于T31 SoC 的智能看護(hù)臺(tái)燈設(shè)計(jì)

摘要：文章基于北京君正T31NSoC芯片設(shè)計(jì)了一款智能看護(hù)臺(tái)燈，融合了視頻處理、觸摸、紅外和智能調(diào)光等多種技術(shù)。利用Linux系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈、亮度及色溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以及手動(dòng)調(diào)節(jié)、一鍵呼叫等功能。通過(guò)App可實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控、語(yǔ)音對(duì)講、水平視角控制、模式設(shè)置、視頻回放等功能。該產(chǎn)品使家長(zhǎng)能夠遠(yuǎn)程與孩子溝通、進(jìn)行作業(yè)輔導(dǎo)、實(shí)施坐姿矯正，有助于增進(jìn)親子關(guān)系。

關(guān)鍵詞：君正T31；攝像頭；調(diào)光技術(shù)；觸摸按鍵；電機(jī)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP301文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）35-0092-03開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

0引言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前視頻監(jiān)控和照明是兩個(gè)巨大的市場(chǎng)，產(chǎn)品種類(lèi)豐富多樣，但大都局限于各自領(lǐng)域內(nèi)的產(chǎn)品，如各種攝像頭或是各種照明燈具，跨領(lǐng)域的組合產(chǎn)品較為少見(jiàn)。隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)產(chǎn)品的需求也在持續(xù)提升。因此，一款融合視頻監(jiān)控和照明技術(shù)的智能產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。目前市面上雖也有同類(lèi)產(chǎn)品，其基本功能有：1）不可調(diào)節(jié)色溫的照明燈；2）可手動(dòng)調(diào)節(jié)水平角度的攝像頭；3）方案上采用的是主控加單片機(jī)的方案；4）沒(méi)有自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈功能。而本文中的智能看護(hù)臺(tái)燈功能更加豐富，設(shè)計(jì)更具創(chuàng)新性[1]。其主要特點(diǎn)包括：1）支持燈光的色溫調(diào)節(jié)；2）支持?jǐn)z像頭水平方向的遠(yuǎn)程控制；3）采用主控芯片結(jié)合觸摸芯片的方案，替代傳統(tǒng)的主控加單片機(jī)方案，降低成本并提高生產(chǎn)效率；4）采用紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈；5）采用北京君正先進(jìn)的SoC芯片作為主控，獲取更清晰的圖像。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)上采用北京君正T31系列芯片，并結(jié)合了觸摸芯片、圖像傳感器、雙頻Wi-Fi模塊、紅外對(duì)管、達(dá)林頓管、音頻功放芯片、調(diào)光芯片和電源組成整個(gè)系統(tǒng)。其中圖像傳感器板采用20PSHD1.0mm連接線，實(shí)現(xiàn)高清200萬(wàn)像素的傳輸。照明部分通過(guò)5P排線與主控板連接。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。軟件部分則根據(jù)硬件方案分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)和應(yīng)用層設(shè)計(jì)以及App開(kāi)發(fā)。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1核心主控芯片設(shè)計(jì)

核心主控芯片采用君正T31N（標(biāo)準(zhǔn)版），主頻最高可達(dá)1.5GHz，DDR2運(yùn)行內(nèi)存為64Mbit，支持最高500萬(wàn)像素，支持智能算法。接口包括：DVP、MIPICSI-2、SIDO、USB2.0、MAC、I2C、UART、SPI、AudioCo?dec、ADC、SmartLCD等，芯片封裝為QFN88。

主芯片需要配置一顆24MHz的無(wú)源晶振和一顆16Mbit的SPIFlash（程序內(nèi)存），以及三路不同的電源：0.8V的核心電壓、1.8VDDR2電壓及3.3V的IO口電壓。根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，分別使用了圖像采集的MIPI和I2C0接口、Flash存儲(chǔ)器SPI接口、Wi-Fi連接的USB2.0接口、圖像存儲(chǔ)的SDIO內(nèi)存卡接口、音頻接口、光敏采集ADC口、觸摸按鍵的I2C1口、調(diào)光電路的PWM和普通GPIO口。

2.2觸摸按鍵電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)需求共8個(gè)觸摸按鍵，采用湖南品騰公司的PT8020S16替代MCU方案，該芯片支持10通道觸摸輸入，具備高速I(mǎi)IC接口。電路設(shè)計(jì)如圖2所示：工作電壓為3.3V，與主控電平匹配。觸摸彈簧通過(guò)1K電阻連接到芯片的觸摸輸入管腳，通過(guò)I2C總線與主控T31連接，INT腳在按鍵狀態(tài)改變時(shí)會(huì)輸出低電平脈沖，通知主芯片讀取鍵值，隨后根據(jù)不同的鍵值執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能。通過(guò)改變C5的容值可調(diào)整按鍵的靈敏度。PCB布局時(shí)，為提高靈敏度，觸摸輸入線須與地網(wǎng)絡(luò)間隔20mil以上，觸摸彈簧底下需要去除銅箔。

2.3圖像傳感器電路設(shè)計(jì)

圖像傳感器采用晶相光電的JX-F38P，CSP51封裝，200萬(wàn)有效像素。本設(shè)計(jì)采用MIPI接口，使用一個(gè)獨(dú)立的尺寸為29mm×29mm的傳感器小板，通過(guò)20Pin的SHD1.0連接線連接至主板上，同時(shí)使用導(dǎo)電布包裹并兩端接地，防止輻射超標(biāo)并提升圖像傳輸?shù)姆€(wěn)定性。主要信號(hào)包括MIPI主時(shí)鐘、1對(duì)差時(shí)鐘、2對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)線、1個(gè)I2C接口用于初始化圖像傳感器，以及復(fù)位信號(hào)、休眠信號(hào)和電源等。PCB布局時(shí)，主時(shí)鐘需要有完整參考地平面及兩側(cè)包地，差分信號(hào)需要完整的參考地平面和差分等長(zhǎng)，阻抗為100Ω的差分布線。

2.4步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)

為了能擴(kuò)大視角和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，設(shè)計(jì)采用一個(gè)四相五線制減速步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)控制。電路上采用五路達(dá)林頓管ULN2002D來(lái)驅(qū)動(dòng)。主控端使用4個(gè)GPIO依次輪流輸出脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。一個(gè)高脈沖即為導(dǎo)通一相。按照通電時(shí)序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍：每次只有一個(gè)相通電，通電順序?yàn)锳B-C-D-A，這種方式下電機(jī)的步距角較大，但轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較小，穩(wěn)定性差。雙四拍：每次有兩個(gè)相同時(shí)通電，通電順序?yàn)锳B-BC-CD-DA-AB，這種方式下電機(jī)的步距角較小，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較大，振動(dòng)較小。八拍：每次有一個(gè)相與兩個(gè)相交替通電，通電順序?yàn)锳-AB-B-BCC-CD-D-DA-A，這種方式下電機(jī)的步距角最小，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，運(yùn)轉(zhuǎn)平滑，穩(wěn)定性好。本設(shè)計(jì)采用八拍的方式，可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。改變導(dǎo)通的順序即可改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

2.5調(diào)光電路設(shè)計(jì)

調(diào)光電路是系統(tǒng)的重要組成部分，使用一個(gè)獨(dú)立的調(diào)光電路板，與主控板之間使用排線連接。電路采用可調(diào)光LED恒流驅(qū)動(dòng)器PT4115，輸入可達(dá)DC30V，輸出電流最高1.2A，效率達(dá)97%。PT4115可以通過(guò)直流電壓實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光和通過(guò)PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)光。后者通過(guò)在DIM管腳加入可變占空比的PWM信號(hào)調(diào)小輸出電流以實(shí)現(xiàn)調(diào)光，計(jì)算方法如下所示：

Iout=（0.1/Rs）×D，D為占空比0≤D≤100%。設(shè)計(jì)采用PWM調(diào)光方式。主控發(fā)送PWM信號(hào)至DIM腳，根據(jù)公式，可以通過(guò)不同的占空比調(diào)整電流的大小，達(dá)到調(diào)整亮度的作用。

共有兩路相同的調(diào)光電路，主控輸出兩路PWM分別控制不同色溫的LED燈珠，用以調(diào)整色溫和亮度，達(dá)到護(hù)眼效果[2]。電路原理如圖3所示，LED+和LED-接照明燈板的正負(fù)極。

2.6紅外檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)可靠的自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈功能，系統(tǒng)加入了紅外技術(shù)。采用一個(gè)940nm波長(zhǎng)的紅外發(fā)射燈和一個(gè)接收頭。當(dāng)系統(tǒng)工作于自動(dòng)模式時(shí)，軟件驅(qū)動(dòng)層會(huì)以1秒為間隔通過(guò)一個(gè)IO口發(fā)送一定數(shù)量的脈沖信號(hào)，當(dāng)有人在前方時(shí)，脈沖信號(hào)會(huì)被反射至接收頭，接收頭輸出一定寬度（起抗干擾作用）的低電平，軟件據(jù)此判斷前方是否有人，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈[3-4]。

2.7系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：首先使用DC-DC電源芯片SY8120將輸入的12V直流電源降壓至3.3V，再使用兩顆SY8088分別轉(zhuǎn)換至1.8V和0.8V。其中1.8V供給T31的DDR和相關(guān)管腳，0.8V為內(nèi)部核心電壓，而3.3V主要供給IO口和相關(guān)電路。各路電源網(wǎng)絡(luò)在T31芯片的每個(gè)管腳須放置1個(gè)0.1μF的電容，每個(gè)電源網(wǎng)絡(luò)需放置不同容值的電容，以降低阻抗，達(dá)到更好的濾波效果。PCB布局時(shí)需單獨(dú)分配一個(gè)獨(dú)立的電源層，不同電源網(wǎng)絡(luò)以區(qū)域分塊的形式布置。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件部分可分為設(shè)備端軟件和客戶端App軟件。設(shè)備端Linux系統(tǒng)運(yùn)行于T31SoC上，又可分為驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層。驅(qū)動(dòng)層主要負(fù)責(zé)與底層硬件通信，如Wi-Fi模塊的驅(qū)動(dòng)、圖像傳感器驅(qū)動(dòng)、觸摸芯片的驅(qū)動(dòng)及各種接口的操作。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)視頻的傳輸與處理，以及與驅(qū)動(dòng)層通信及云平臺(tái)通信。本系統(tǒng)對(duì)接的是阿里云平臺(tái)。

3.1設(shè)備端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1驅(qū)動(dòng)層軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備端Linux系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)層主要根據(jù)硬件電路，編寫(xiě)和調(diào)試相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，使各硬件模塊能夠正常工作，本系統(tǒng)主要包含以下驅(qū)動(dòng)：1）SPIFlash驅(qū)動(dòng)，使用華邦的W25Q128JVSIQ；2）Sensor驅(qū)動(dòng)，型號(hào)為JXF38P；3）雙頻Wi-Fi模塊BL-8731BU4，廠商提供Linux驅(qū)動(dòng)，需要整合與調(diào)試；4）觸摸芯片的I2C驅(qū)動(dòng)根據(jù)手冊(cè)中的參考例程編寫(xiě)與調(diào)試；5）調(diào)光PWM驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)完成后，進(jìn)行臺(tái)燈功能的邏輯編程，流程圖如圖4所示。

1）類(lèi)LampApplication接收用戶的操作，負(fù)責(zé)具體的業(yè)務(wù)邏輯，并上報(bào)看護(hù)臺(tái)燈的狀態(tài)。

2）類(lèi)LampMsgProcess對(duì)象lamp_msg_process提供消息隊(duì)列機(jī)制，確保按鍵和App點(diǎn)擊的同步邏輯，依次處理消息，調(diào)用場(chǎng)景、模式、燈光調(diào)節(jié)、開(kāi)關(guān)等具體邏輯。

3）類(lèi)LampKeyProcess對(duì)象lamp_key_process負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)觸摸按鍵事件，并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的消息放入隊(duì)列。

4）類(lèi)LedDrvMgt對(duì)象m_led_drv_mgt提供對(duì)燈光的控制。

5）類(lèi)KeyLedCtl對(duì)象m_key_led_Ctl提供對(duì)指示燈的控制。

3.1.2應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備端應(yīng)用層主要包含兩大模塊：IPC攝像頭的所有功能和看護(hù)臺(tái)燈的驅(qū)動(dòng)對(duì)接。攝像頭功能主要包括：音頻、圖像的采集及編碼，視頻的直播和云存儲(chǔ)，本地錄像、語(yǔ)音對(duì)講、SD卡管理等。通過(guò)圖像識(shí)別與分析可實(shí)現(xiàn)人形偵測(cè)和坐姿不良的提醒功能[4-5]。

代碼以T31SDK作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，將攝像頭工程代碼置于其Application下。攝像頭工程基于Linkvisual框架開(kāi)發(fā)。Linkvisual框架數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過(guò)程如下：

1）App客戶端轉(zhuǎn)交用戶請(qǐng)求至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

2）物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建立信令通道，接收用戶請(qǐng)求。

3）轉(zhuǎn)交用戶請(qǐng)求至LinkVisualSDK。

4）建立媒體通道，生成媒體文件的鏈接。

5）通知IPC設(shè)備發(fā)送媒體數(shù)據(jù)。

6）IPC設(shè)備發(fā)送媒體數(shù)據(jù)至LinkVisualSDK。

7）LinkVisualSDK發(fā)送媒體數(shù)據(jù)至物聯(lián)網(wǎng)智能視頻服務(wù)。

8）物聯(lián)網(wǎng)智能視頻服務(wù)將媒體數(shù)據(jù)發(fā)送給App客戶端。

驅(qū)動(dòng)部分包括IO功能配置和臺(tái)燈功能的對(duì)接，如觸摸按鍵、照明燈PWM控制、指示燈控制和步進(jìn)電機(jī)控制。

3.2客戶端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

客戶端軟件以App為主，App連接阿里云端，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信（控制指令、參數(shù)等），通過(guò)視頻服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行視頻傳輸。主界面原型設(shè)計(jì)如圖5所示，主要功能包括：

1）攝像頭相關(guān)功能，如視頻查看、視角調(diào)節(jié)（左右滑動(dòng)視頻窗口）、語(yǔ)音對(duì)講、錄像及拍照、視頻回放等。

2）燈光相關(guān)功能，如亮度、色溫的調(diào)節(jié)、燈光定時(shí)、模式設(shè)置等。此外還包含配網(wǎng)模塊、場(chǎng)景模擬、看護(hù)記錄等。

4結(jié)論

文中的內(nèi)容已完成ID設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路原理設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)，并已完成功能樣機(jī)的制作。功能已按總體設(shè)計(jì)完成開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。后續(xù)只須進(jìn)行可靠性驗(yàn)證與測(cè)試即可完成產(chǎn)品的制造。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)在豐富功能的同時(shí)也考慮了成本控制，例如去除了單片機(jī)，采用一顆觸摸芯片替代，并使用低成本的紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈功能。

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