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/

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 kohei.masaki@b-and-b-lab.jp 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. 自己紹介
3. 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
4. テレビ東京系の日経提供の番組に登場 （矢印側の基板） ソニー株式会社のイメージセンサの撮像サンプル 画像として写真が登場 IMX253LLR/LQR, IMX255LLR/LQR 製品紹介 http://www.sony-semicon.co.jp/products_ja/new_pro/february_2016/imx253_255_j.html 今回関連ありそうな過去のお仕事 俺が設計 （ドヤｗ） 2008年位？ ※もうない 大判イメージセンサ評価基板の開発 ・電源の低ノイズ可、PC経由の精密電源電圧制御
5. 発表の経緯
6. 2024年09月30日 ソニーセミコンダクタソリューションズと英Raspberry Pi Raspberry Pi AIカ メラを発売開始 ～エッジAIソリューション開発を加速～ https://www.sony-semicon.com/ja/news/2024/2024093001.html https://www.switch-science.com/blogs/magazine/sweet-as-ai-pi 最近のラズパイカメラの動向 AIカメラが熱い！
7. 弊社CEO 馬〇社⾧ 転売ヤー に負けずに ゲットだぜ！ 勿論！！！！ このBig Wave に！！！（ry どうにか競り勝って２個 発売日に入手
8. 目的は勿論目立つために！ https://kitto-yakudatsu.com/page-8901 https://openedgedevice.connpass.com/event/333848/ https://ssci.to/10002 10/18 対応 製品リリース 本日は、どこにも負けてたまるか！ で開発したものの発表になります。 ※よくよく調べてみると、カメラの主要寸法変わってないのでAI部分で新規性はない
9. 開発の技術的背景( 1/3 ) ラズパイが画像を用いたエッジコンピューティングの敷居を下げた！ dog 62% IMX500搭載カメラモジュールの認識例 https://www.sony-semicon.com/ja/feature/2022101101.html 世界初、イメージセンサーへのAIエンジン搭載を実現！ 世にないものを生み出す原動力とは 2022.10.11 参考
10. 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？？
11. ノリと勢いで開発に着手 弊社CEO 馬〇社⾧ ... という背景の元... 世界に先駆けて 実用的なAIカメラ向け ケーブル延⾧システム リリースしたら 儲かるんじゃね？ 開発の技術的背景( 3/3 )
12. HDMIケーブルでの ラズパイカメラの延⾧
13. 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
14. HDMIケーブルでのラズパイカメラの延⾧ (2/5) MIPI て何？ 困ったときの wikpedia..... https://ja.wikipedia.org/wiki/Camera_Serial_Interface 簡単に言うと、 カメラモジュールとスマホなどに内蔵されるプロセッサ間の インターフェースの標準規格 スマホ用向けに量産されている安価なカメラモジュールがラズパイで使える
15. 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。
16. 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/
17. 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！
18. 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。
19. ハウジング開発
20. ハウジング開発 (1/2) 設計フロー 届いたその日から ノギス片手に スマホのカメラを併用 しAI カメラモジュールを ３Dモデリング 基板設計とマージ アルミ切削パーツ 設計 JLC PCB に発注
21. ハウジング開発 (2/2) 工夫点 〇市販の30.5mm レンズ枠を取り付け可能にして プロテクターを装着可能に →防塵、簡易防滴 〇ハウジングに安価なアルミパイプを活用可能な設計 40 mm × 40mm t=2.0
22. インターフェイス基板 開発
23. カメラ側 →コネクタ変換、バイパスコンデンサ（ケーブル延⾧の影響緩和） 差動ラインは等⾧配線（４層基板のうち外層裏表） ※ENABLE信号は 3.3Vラインでプルアップ
24. ラズパイ側 ケーブル変換、ENABLE信号で電源制御、ライトの電源入力 差動ラインは等⾧配線（４層基板のうち外層裏表） XHコネクタはLEDライト入力
25. LED照明基板
26. 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）
27. 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
28. 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
29. 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)
30. 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)
31. GND Layer 3 (銅箔厚 0.35μm) ・カメラモジュールにLEDの駆動電源のノイズ （※）を出来るだけ伝搬させないため、 また効率的な放熱を実現するため全面 ベタGNDとしシールド ※昇圧のためスイッチング電源で駆動するため LED照明基板のパターン設計 (4/5)
32. Bottom Layer (銅箔厚 0.35μm) ・カメラモジュールに近接する部分については 銅箔パターンを抜いて、出来るだけLEDの 熱がセンサモジュールに伝わらないように パターンを抜いておく LED照明基板のパターン設計 (5/5) LED基板とカメラモジュールのクリアランスは 0.4mm強あるが熱放射による熱伝導が危惧される ため最善の配慮をする。 LED_VDD GND
33. DEMO
34. 気になる製作に掛かるお値段は？ JLC PCB https://jlcpcb.com/ ※実装部品、実装代別 2024-10-14 発注時の価格 ※アルミ角パイプで安く作れる
35. 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