楼宇对讲系统门口机的摄像头抑制电磁干扰的设计

楼宇对讲系统门口机的摄像头可分为数字摄像头和模拟摄像头两大类,本产品采用的是数字摄像头,将视频采集设备产生的模拟视频信号转换为数字信号,进而通过CSI(相机串行接口)传送给主CPU处理,其传输速率高达84MHz。本章节将对摄像头进行较深入的电磁干扰分析,并提出相应的抑制方法。

      1. 摄像头原理及电气连接

摄像头主要有镜头、CCD图像传感器、预中放、AGC、A/D、同步信号发生器、CCD驱动器、图像信号形成电路、D/A转换电路和电源的电路构成。本文摄像头芯片采用OV公司的OV5640,该芯片已经把CCD图像传感器、预中放、AGC、A/D、同步信号发生器、CCD驱动器、图像信号形成电路、D/A转换电路和电源的电路都集成到单颗芯片中,只需外接几个分立电容和镜头,线路板如下图所示。
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摄像头与CPU通讯采用CSI接口,电气连接框图如下图所示,其中电源由主板3.3V经过磁珠滤波后,由LDO降压得到2.8V和1.8V两组电压,供给摄像头芯片。

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        2. 摄像头的电磁干扰来源

由于摄像头芯片OV5640集成度很高,外围只需要若干电容,所以摄像头最主要的电磁干扰,是该芯片与CPU之间的相机串行接口CSI,该接口由20根信号线组成,时钟速率高达84MHz,且受结构的影响,还需要用连接线连接摄像头和主板。

在这高速信号传输过程中,当电流从驱动端流入接收端的时候,由于摄像头与主板用连接线相连接,所构成一个闭合的环路,且这个环路很大,每个环路都等效于一个天线,所以引起的电磁干扰也很强。

还有,电源虽然由主板提供,但经过连接线传输后,受信号线的电磁干扰空间辐射耦合,也带有电磁干扰,进而影响到摄像头。


       3. 抑制摄像头电磁干扰的设计

为了消除由摄像头产生的干扰,保证摄像头质量符合设计标准,需要添加抑制摄像头电磁干扰的方法。

        3.1电源电磁干扰分析

受传输距离的影响,主板和摄像头两端的电源都需要添加电磁干扰抑制措施,需要设置电源滤波器,门口机电源属于低频电源,因此采用低通滤波器,滤波器形式选为π型,以吸收电磁干扰。

π型滤波器包含两个电容器和一个电感器,它的输入和输出都呈低阻抗,结构如下图所示。
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3.2 高速信号整形处理


信号完整性是指信号在传输路径上的质量,良好的信号完整性是指当在需要的时候,具有所必须达到的电压电平数值,当高速信号的完整性被破坏时,除了数据会出错外,还会产生较大的电磁干扰,然后通过导线辐射出去,而且还会传导到下一级敏感器件,所以要保证高速信号的完整性,如下图所示信号完整性遭到破坏。

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       造成信号变形的真正起因是不断缩减的信号上升与下降时间,解决该问题主要有电路设计、合理布局。在电路设计中,通常采用在传输线上接无源元件(如电阻、电容等),以实现传输线与负载间的阻抗匹配。布线要科学合理,尽量缩短距离和避免过孔,远离辐射干扰源。

       在高速信号线上串联一个小电阻,可改善匹配情况,减少反射,避免振荡,也可减少信号边沿的陡峭程度,从而减少高频噪声以及过冲。下图是信号线上有串加33欧电阻和未串电阻的波形区别。


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                                a)信号线未串联33欧电阻                       b)信号线串联33欧电阻

         由此可以看出,在信号线CPU输出端串联一个33欧电阻,对波形改善效果很明显,起到整形的作用。

       3.3 展频技术降低时钟辐射能量

        在CSI接口20根线中,由于MCLK时钟线一直处于周期性上升和下降过程,所以它所产生的电磁干扰是最大最主要的,现如今最为先进有效的抑制时钟电磁干扰的方法是展频技术,原理是将单根频率点的能量分散开至某一个展频范围内的能量,从而降低单点的峰值能量[3]

本文采用韬略厂家的SSDCI3128AF展频芯片,串联在MCLK时钟线上,靠近CPU放置,以下图为连接图

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       单独对摄像头进行电磁干扰测试,如下图对比所示,用展频技术处理过的辐射,效果明显,整体下降10-15dB,并且越到高频效果越好,在230M以上的点几乎完全下降了。

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                                                                 MCLK时钟信号未添加展频芯片产生的电磁干扰

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                                               MCLK时钟信号添加展频芯片的电磁干扰

        3.4 连接线的屏蔽效能

          由于摄像头与主板距离较远,需要用导线进行连接,如果单纯的用扁平线(无屏蔽)连接,那电磁干扰会通过该连接线辐射出去,所以针对连接线,还需要进行屏蔽处理,如下图所示,降低电磁干扰辐射。
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