2013年8月22日 星期四

手机Camera相关介绍

來源: Southcamel的專欄

1、分辨率(Resolution)

所谓分辨率就是指画面的解析度,由多少象素构成的数值越大,图像也就越清晰。分辨率不仅与显示尺寸有关,还会受到显像管点距、视频带宽等因素的影响。我们通常所看到的分辨率都以乘法形式表现的,比如1024*768,其中的1024表示屏幕上水平方向显示的点数,768表示垂直方向的点数。

QXGA (2048 X 1536)又称300万像素
UXGA (1600X 1200)又称200万像素
SXGA(1280 x1024)又称130万像素
XGA(1024 x768)又称80万像素
SVGA(800 x600)又称50万像素
VGA(640x480)又称30万像素(35万是指648X488)
CIF(352x288) 又称10万像素
SIF/QVGA(320x240)
QCIF(176x144)
QSIF/QQVGA(160x120)

2、Mipi接口介绍:

MIPI,即移动产业处理器接口(Mobile Industry Processor Interface 简称MIPI)联盟, 是类似SMIA的一个LVDS的一种接口,主要用在手机Camera Module上居多。

就CameraModule而言,现在Micorn和OV(omni vision)均推出支持MIPI接口的Sensor如Micorn的MT9D112,MT9T111和OV的OV2650等,对于低像素的Sensor似乎MIPI的优势不是很明显哦,但是在3MP以上就可能有些优势了。

优势-1,Camera的布线大大减少。并口的数据接口,如果是YUV输出至少为8个数据Bit、2个Clock(MCLK和PCLK)、I2C两个、同步信号2个,再加地和电源等,如果换成MIPI的串口,可以减少2个同步信号,8个数据Bit变为DOUT_P、DOUT_N、CLK_P、CLK_N,PCLK也可以不要,卓实少了很多,布线自然方便许多。

优势-2,Noise的减少。走线越多被干扰的可能就越多,走线少了于是干扰就少了,同时MIPI信号是DOUT_N和DOUT_P成对走线,需要考虑impedance,两根线从波形看是成反相,所以有外部干扰过来,就会被抵消很大部分,同时MIPI的信号属于LVDS(Low Voltage Differential Signaling:低压差分信号传输)底到MV的等级,于是他本身对于外部的干扰也是很小的。

优势-3,传输速度极快,从并口到串口,当然要足够大的速度,MIPI的理论上的速度可以到80MB/s-1GB/s,实际也在600-800MB/s,而传统的并口再高也不过600MB/s了吧。

优势-4,功耗低。并口的Camera,只要上电,给Clock于是PCLK就有输出,Data也会由输出,抓不到同步就成不了像,但是数据还是输出,于是就要功耗。而MIPI理论上静态是没有功耗的。

3.  V4L2


3.1.  V4L2

Video4linux2(简称V4L2),是linux中关于视频设备的内核驱动。在Linux中,视频设备是设备文件,可以像访问普通文件一样对其进行读写,摄像头在/dev/video0下

3.1.1.   一般操作流程(视频设备):


1.打开设备文件。 int fd=open(”/dev/video0″,O_RDWR);

打开视频设备
在V4L2中,视频设备被看做一个文件。使用open函数打开这个设备:
// 用非阻塞模式打开摄像头设备
int cameraFd;
cameraFd = open(“/dev/video0″, O_RDWR | O_NONBLOCK, 0);
// 如果用阻塞模式打开摄像头设备,上述代码变为:
//cameraFd = open(”/dev/video0″, O_RDWR, 0); 

关于阻塞模式和非阻塞模式
应用程序能够使用阻塞模式或非阻塞模式打开视频设备,如果使用非阻塞模式调用视频设备,即使尚未捕获到信息,驱动依旧会把缓存(DQBUFF)里的东西返回给应用程序。

2.取得设备的capability,看看设备具有什么功能,比如是否具有视频输入,或者音频输入输出等。VIDIOC_QUERYCAP,struct v4l2_capability

3.设置视频的制式和帧格式,制式包括PAL,NTSC,帧的格式个包括宽度和高度等。
VIDIOC_S_STD,VIDIOC_S_FMT,struct v4l2_std_id,struct v4l2_format

4.向驱动申请帧缓冲,一般不超过5个。struct v4l2_requestbuffers

5.将申请到的帧缓冲映射到用户空间,这样就可以直接操作采集到的帧了,而不必去复制。mmap

6.将申请到的帧缓冲全部入队列,以便存放采集到的数据.VIDIOC_QBUF,struct v4l2_buffer

7.开始视频的采集。VIDIOC_STREAMON

8.出队列以取得已采集数据的帧缓冲,取得原始采集数据。VIDIOC_DQBUF

9.将缓冲重新入队列尾,这样可以循环采集。VIDIOC_QBUF

10.停止视频的采集。VIDIOC_STREAMOFF

11.关闭视频设备。close(fd);

3.1.2.   在进行V4L2开发中,一般会用到以下的命令标志符:

1 VIDIOC_REQBUFS:分配内存
2 VIDIOC_QUERYBUF:把VIDIOC_REQBUFS中分配的数据缓存转换成物理地址
3 VIDIOC_QUERYCAP:查询驱动功能
4 VIDIOC_ENUM_FMT:获取当前驱动支持的视频格式
5 VIDIOC_S_FMT:设置当前驱动的频捕获格式
6 VIDIOC_G_FMT:读取当前驱动的频捕获格式
7 VIDIOC_TRY_FMT:验证当前驱动的显示格式
8 VIDIOC_CROPCAP:查询驱动的修剪能力
9 VIDIOC_S_CROP:设置视频信号的边框
10 VIDIOC_G_CROP:读取视频信号的边框
11 VIDIOC_QBUF:把数据从缓存中读取出来
12 VIDIOC_DQBUF:把数据放回缓存队列
13 VIDIOC_STREAMON:开始视频显示函数
14 VIDIOC_STREAMOFF:结束视频显示函数
15 VIDIOC_QUERYSTD:检查当前视频设备支持的标准,例如PAL或NTSC。
这些IO调用,有些是必须的,有些是可选择的。

Sensor信号输出YUV、RGB、RAW DATA、JPEG 4种方式区别

來源: Southcamel的專欄

简单来说,

YUV: luma (Y) + chroma (UV) 格式, 一般情况下sensor支持YUV422格式,即数据格式是按Y-U-Y-V次序输出的

RGB: 传统的红绿蓝格式,比如RGB565,其16-bit数据格式为5-bit R + 6-bit G + 5-bit B。G多一位,原因是人眼对绿色比较敏感。

RAW RGB: sensor的每一像素对应一个彩色滤光片,滤光片按Bayer pattern分布。将每一个像素的数据直接输出,即RAW RGB data

JPEG: 有些sensor,特别是低分辨率的,其自带JPEG engine,可以直接输出压缩后的jpg格式的数据

对于这几种输出格式,几个疑问:
1、 有些手机基带芯片只能支持2M以下的YUV sensor,3M以上只能使用JPEG sensor,这里说明YUV输出格式对基带芯片有一定的要求, 那么到底YUV sensor对基带芯片有怎样的要求呢?
2、 如果直接输出RGB,对于LCD的显示是最方便的,那么为何大多数基带芯片都是要求输出为YUV格式的数据再进行处理呢?

1 YUV一个像素占2B,如果像素太高在高时钟下基带芯片处理不过来,JPEG数据量就要小的多,所以不是YUV对基带芯片有要求而是基带芯片对输出数据速率有要求。

2 RGB565一般用在很低端的基带芯片上,直接往屏上刷。YUV输出亮度信号没有任何损失,而色偏信号人眼并不是特别敏感,RGB565输出格式是R5G3 G3B5会丢掉很多原始信息,所以YUV图像质量和稳定性要比RGB565好的多

3 RAW数据每个像素就1B,数据量要少很多,一般5M以上sensor就只输出RAW数据以保证比较快的输出速度,后端挂一个DSP来处理输出的数据。
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RAW和JPEG的区别
RAW格式文件基本上是一个没有经任何图像处理的源文件, 它能原原本本地记录相机拍摄到的信 息,没有因为图像处理(如锐化、增加色彩对比)和压缩而造成的信息丢失,但需要用特别的软件 来打开这些文件。 另一种常用的格式便是JPEG,相机会先根据使用者的设定来做一定的图像处理,然后经过压缩 (程度因相机内设定的照片质量而定)和保存照片。 为何要拍摄RAW? RAW是一种专业摄影师常用的格式,因为它能原原本本地保存信息,让用户能大幅度对照片进行 后期制作,如调整白平衡、曝光程度、颜色对比等设定,也特别适合新手补救拍摄失败的照片,而 且无论在后期制作上有什么改动,相片也能无损地回复到最初状态,不怕因意外储存而损失照片。 RAW还有一个好处,例如佳能DPP软件可以修正镜头失光、变形等。 JPEG格式有什么优点? JPEG格式为一种非常普及的照片格式,差不多所有现代数码相机都能使用这个格式,绝大部分 的计算机上也能打开JPEG文件,使用者也可以随意设定压缩程度来保留画质(最佳的JPEG画质跟RAW 的非常接近),是一种十分方便的格式。 我该拍摄RAW还是JPEG? 在讨论这个问题之前,让我们看看RAW格式有什么缺点: 1.因为RAW文件需要保留所有细节和信息,所以文件比JPEG大很多,这样储存照片或把照片传输 到计算机的时间便更长更久,需要的储存容量也更大; 2.RAW文件需要使用特别的软件来打开,一旦计算机没有安装软件便没法打开文件; 3.承上,一旦10年后那套特定的软件没法安装,之前拍摄的照片便没有办法打开; 4.软件打开RAW的时间比较长,快的需要8、9s,慢的可能要用上20s也说不定; 5.不同的软件有不同的方式去“演译”RAW文件,所以一个RAW文件在Photoshop 和Nikon Capture NX看可能会有所差别; 6.厂商卖的专用软件价钱不低。(佳能DPP可以免费下载,尼康NX则需另购) 清楚RAW的缺点以后,我们便可以看看哪种情况应该选择RAW或JPEG: 如果你需要拍摄大量的照片,应该考虑使用JPEG,因为其容量需求比较少和可以保留后制及把 照片转换为JPEG的时间; 如果你用作商业拍摄或喜欢后期制作,应该使用RAW,因为后制空间较大; 如果你正进行旅行摄影,可以考虑使用RAW或者RAW+JPEG,因为旅行的地方可能没法常去,使用 RAW让你一旦拍摄失败也有较大的机会补救。 后记 其实现在Photoshop的功能很强大,对于JPEG文件也能通过level或curve来调较曝光、白平衡、 色彩对比等,当然如果需要做大幅度的调整还是RAW文件比较适合的。

摄像头数据格式
摄像头的数据输出格式一般分为CCIR601、CCIR656、RAW RGB等格式,此处说的RGB格式应该就是CCIR601或CCIR656格式。而RAW RGB格式与一般的RGB格式是有区别的。
我们知道,Sensor的感光原理是通过一个一个的感光点对光进行采样和量化,但,在Sensor中,每一个感光点只能感光RGB中的一种颜色。所以,通常所说的30万像素或130万像素等,指的是有30万或130万个感光点。每一个感光点只能感光一种颜色。

但是,要还原一个真正图像,需要每一个点都有RGB三种颜色,所以,对于CCIR601或656的格式,在Sensor模组的内部会有一个ISP模块,会将Sensor采集到的数据进行插值和特效处理,例如:如果一个感光点感应的颜色是R,那么,ISP模块就会根据这个感光点周围的G、B感光点的数值来计算出此点的G、B值,那么,这一点的RGB值就被还原了,然后在编码成601或656的格式传送给Host。

而RAW RGB格式的Sensor则是将没个感光点感应到的RGB数值直接传送给Host,由Host来进行插值和特效处理。

Raw RGB 每个像素只有一种颜色(R、G、B中的一种);
RGB 每个像素都有三种颜色,每一个的值在0~255之间; 

在手机摄像头的测试过程中,由sensor输出的数据就是Raw data(Raw RGB),经过彩色插值就变成RGB

 sensor输出的数据格式,主要分两种:YUV(比较流行),RGB,这就是sonsor的数据输出;这其中的GRB就是Raw RGB,是sensor的bayer阵列获取的数据(每种传感器获得对应的颜色亮度); 

但是输出的数据不等于就是图像的实际数据,模组测试时,就要写一个软件,完成数据采集(获得Raw data)->彩色插值(目的是获得RGB格式,便于图像显示)->图像显示; 

这样就可以发现整个模组是否正常,有无坏点,脏点的等,检测出不良品;(软件的处理过程当中,为了获得更好的图像质量,还需要白平衡,gamma校正,彩色校正) 

而在手机的应用中,手机根据相机模组的数据格式,提供一个ISP(主要用于RGB格式的),配合软件,使照相功能得到应用;

对于SENSOR来说,Bayer RGB和RGB Raw两者的图象结构都是BG/GR的(Bayer pattern说的是COLOR FILTER的结构,分为两种:STD Bayer pattern 与Pair pattern,其中STD Bayer pattern的结构是BG/GR的,而Pair Pattern顾名思义是指BGBG/GRGR的结构,即以四行为一个单位,前两行是BG的结构,后两行是GR的结构,这种结构是美光专门为此申请了专利的,主要是在输出TV模式(NTSC/PAL制)时用到),

由于后端应用时,对RAW DATA图像的 解码是按默认的结构来 解码的 ,如BG/GR,因此 Bayer RGB和RGB Raw两者的图象结构必须都是BG/GR的,而如果输出图像结构是BGBG/GRGR,则不可以直接显示和解码 的。

Bayer RGB与RGB Raw的主要区别在于两者输出前经过的处理不同,Bayer RGB从ADC输出,只经过了LENS SHADING CORRECTION,GAMMA等模块处理而后就直接输出,而RGB Raw则经过了整个ISP模块的处理,最终是经过YUV422的数据转化而来的

数字视频CCIR 601编码标准

一、采样频率:为了保证信号的同步,采样频率必须是电视信号行频的倍数。CCIR为NTSC、PAL和SECAM制式制定的共同的电视图像采样标准:
fs=13.5MHz
这个采样频率正好是PAL、SECAM制行频的864倍,NTSC制行频的858倍,可以保证采样时采样时钟与行同步信号同步。对于4:2:2的采样格式,亮度信号用fs频率采样,两个色差信号分别用
fs/2=6.75MHz的频率采样。由此可推出色度分量的最小采样率是3.375MHz。

二、分辨率:根据采样频率,可算出对于PAL和SECAM制式,每一扫描行采样864个样本点;对于NTSC制则是858个样本点。由于电视信号中每一行都包括一定的同步信号和回扫信号,故有效的图像信号样本点并没有那么多,CCIR 601规定对所有的制式,其每一行的有效样本点数为720点。由于不同的制式其每帧的有效行数不同(PAL和SECAM制为576行,NTSC制为484行),CCIR定义720×484为高清晰度电视HDTV(High Definition TV)的基本标准。实际计算机显示数字视频时,通常采用下表的参数:

电视制式    分辨率      帧 率
NTSC        640×480     30
PAL           768×576      25

三、数据量:CCIR 601规定,每个样本点都按8位数字化,也即有256个等级。但实际上亮度信号占220级,色度信号占225级,其它位作同步、编码等控制用。如果按fs的采样率、4:2:2的格式采样,则数字视频的数据量为:
13.5(MHz)×8(bit)+2×6.75(MHz)×8(bit) = 27Mbyte / s

同样可以算出,如果按4:4:4的方式采样,数字视频的数据量为每秒40兆字节!按每秒27兆字节的数据率计算,一段10秒钟的数字视频要占用270兆字节的存储空间。按此数据率,一张680兆字节容量的光盘只能记录约25秒的数字视频数据信息,而且即使目前高倍速的光驱,其数据传输率也远远达不到每秒27兆字节的传输要求,视频数据将无法实时回放。这种未压缩的数字视频数据量对于目前的计算机和网络来说无论是存储或传输都是不现实的,因此,在多媒体中应用数字视频的关键问题是数字视频的压缩技术。

 CCIR601和CCIR656标准的区别
关于这两种信号的区别:
ITU-R BT 601:16位数据传输;21芯;Y、U、V信号同时传输。
ITU-R BT 656:9芯,不需要同步信号;8位数据传输;串行视频传输;传输速率是601的2倍;先传Y,后传UV。
CCIR601要通过行、场同步两根信号线来传递行、场同步信息;
CCIR656不需要这两根信号线,它只通过8位数据线实现“软”同步。
CCIR656=CCIR601+HSYNC+VSYNC
656输出的是串行数据,行场同步信号嵌入在数据流中;
601是传输的是并行数据,行场同步有单独输出;
656只是数据传输接口而已,可以说是作为601的一个传输方式。

简单的说ITU-R BT.601是“演播室数字电视编码参数” 标准,而ITU-R BT.656则是ITU-R BT.601附件A中的数字接口标准,用于主要数字视频设备(包括芯片)之间采用27Mhz/s并口或243Mb/s串行接口的数字传输接口标准。

CCIR601号建议的制定,是向着数字电视广播系统参数统一化、标准化迈出的第一步。在该建议中,规定了625和525行系统电视中心演播室数字编码的基本参数值。
601号建议单独规定了电视演播室的编码标准。它对彩色电视信号的编码方式、取样频率、取样结构都作了明确的规定。

它规定彩色电视信号采用分量编码。所谓分量编码就是彩色全电视信号在转换成数字形式之前,先被分离成亮度信号和色差信号,然后对它们分别进行编码。分量信号(Y、B -- Y、R -- Y)被分别编码后,再合成数字信号。 它规定了取样频率与取样结构。

例如:在4:2:2等级的编码中,规定亮度信号和色差信号的取样频率分别为13.5MHZ和6.75MHZ,取样结构为正交结构,即按行、场、帧重复,每行中的R-Y和B-Y取样与奇次(1,3,5……)Y的取样同位置,即取样结构是固定的,取样点在电视屏幕上的相对位置不变。 它规定了编码方式。对亮度信号和两个色差信号进行线性PCM编码,每个取样点取8比特量化。同时,规定在数字编码时,不使用A/D转换的整个动态范围,只给亮度信号分配220个量化级,黑电平对应于量化级16,白电平对应于量化级235。为每个色差信号分配224个量化级,色差信号的零电平对应于量化级128。

综上所述,我们知道,分量信号的编码数据流是很高的。以4:2:2编码标准为例,其比特流为:13.5×8+6.75×8×2=216Mb/S。若采用4:4:4编码方式,即对复合信号直接编码,其抽样频率取为13.3×8=106.4 Mb/S。

PS:我们可以认为CCIR601即“ITU-R BT.601-5”,“ITU-R BT.656-4"即CCIR601。

656只有8位DATA+CLK,601有8位DATA+CLK+HSYNC+VSYNC,还有16位DATA+CLK+HSYNC+VSYNC。
656把HSYNC、VSYNC插到数据中,601的数据线只有数据

2013年8月21日 星期三

來源: 經濟部 2012 產科會


技術項目簡介

(本技術項目僅供創意發想類使用)



                                            圖 1 FSI 及 BSI CMOS 影像感測器比較


可透光超薄Si wafer的技術可以應用於影像感測器為例,由於對影像感測器成像品質的要求,因此 CMOS 影像感測器的畫素也越來越高,Chipworks 指出當 Pixel Size 小於 1.4 μm 之世代時,將由傳統之 FSI 影像感測器開始轉換至 BSI 的架構。

圖 1 為 FSI 及 BSI CMOS 影像感測器比較,傳統 FSI 光線須穿過較厚的金屬層,因此以光學特性來說 BSI CMOS 影像感測器感光程度甚至能達到 FSI 的兩倍之多,也具有較佳之 Quantum Efficiency,故超薄可透光之Si waer就非常重要。目前新一代 CMOS 影像感測器都是利用背照式(BSI)與矽穿孔(TSV)技術整合設計,利用晶圓直接接合(Fusion Bond) 將影像感測器晶圓永久接合於 Carrier 基板上,並在 Carrier 基板上製作 TSV 做電信導通,如圖 2所示。

由於晶圓直接接合需要極為平整之接面,因此需要潔淨度要求非常高之生產環境,也需要 CMP 將表面處理至粗糙度 1 nm 以下。另外,由於需將電信導出至表面,因此需在 Carrier 基板上進行昂貴的 TSV 製程。這些 CMP 以及 TSV 製程將造成良率下降以及製作成本大幅提高。


                                 圖 2 Omnivision Techonlogies, Inc. 之 BSI 架構


本技術採用創新之結構利用暫時接合技術突破上述瓶頸,其技術特點為:
 (1)將 Carrier 與影像感測器晶圓利用 Polymer (10 μm) 暫時接合取代 Oxide-Oxide 晶圓直接接合,不須
  用到 CMP 及高潔淨度的環境以大幅降低成本及增加良率。

(2)控制接合後 TTV ≦ 1 μm,使晶圓成功減薄至 7 μm 以下,並能繼續進行背面微凸塊製程,使電信能夠
  直接向外連接而不需製作 TSV 結構,大幅增加可靠度及降低製作成本。

(3)開發晶圓級低溫接合技術,在暫時接合時控制製程溫度 ≦ 195 ℃,而在永久接合時為室溫接合
  (目前一般使用 Fusion Bond 需進行 > 300℃ 的退火製程)。

(4)將玻璃基板與減薄後之影像感測器晶圓進行永久接合後,配合材料之選擇以及 Trim From Glass 技術,
  成功解決 Edge Peeling 問題且能夠將 Carrier 進行 De-bond 製程而不破壞永久接合介面,望實現低成
  本、高良率以及高可靠度之晶圓級 CMOS BSI 影像感測器模組製程整合。



(本技術由資策會電光所提供)

應用開發說明

應用情境圖:



應用開發說明:
目前影像感測器已成為可攜式電子產品必備之模組元件,對於這類產品需有低功耗、高畫素之要求,因此目前新一代 CMOS 影像感測器都是採用背照式(BSI)與矽穿孔(TSV)技術整合設計,並成為國際大廠競相布局的技術重點。在照相手機、安全監控與汽車三大應用市場領軍下,CMOS影像感測器應用版圖亦持續擴大,其中,素來是CCD影像感測器天下的安全監控市場,以及近來相當熱門的汽車電子市場,更被視為CMOS影像感測器一統江山的最後戰區。

新一代行動裝置設計拆解實錄

來源: 電子工程專輯

在IIC-China 2013年展會上,電子工程專輯的中國編輯群攜手UBM TechInsights的中國專業拆解團隊,共同拆解了iPhone 5與Galaxy S3 LTE智慧型手機,以及iPad Mini與Google Nexus 7平板電腦,分析並比較目前市場最熱門行動裝置主機板設計的核心技術,掌握最新一代設計開發趨勢。
最新輕薄平板:iPad Mini和Nexus 7
過去幾年來,谷歌(Google)積極拓展其行動領域市場,更多的供應商都為設備選擇了Android作業系統;同時,Google也和多家代工廠商展開合作,直接推出Google自有的設備,例如先前與華碩(Asus)合作,以Nexus 7進軍7吋的小型平板電腦市場。
蘋果公司也在2012年秋季推出了7吋平板電腦──iPad mini,而與Nexus 7正面較勁。相較於iPad mini高昂的價格,Google堅持產品的低價格點,致使iPad mini和Nexus 7之間存在40%的價格差異。此外,兩款小型平板之間還具有更多顯著的差異,包括iPad mini採用了雙核心處理器,只在連網情況下才能使用GPS;而Nexus 7採用四核心處理器,可支援NFC和GPS。

圖1:iPad Mini與Nexus 7的主機板設計比較。
從兩款平板的主機板設計來看,相較於Nexus 7相對分散的佈局,iPad mini主機板十分密集,所有的重要晶片和元件都集中在單邊主機板上,只有少數顯示器控制晶片分佈在其他較小的電路板上。
處理器方面,儘管iPad mini採用高階的A5處理器,但與最新iPhone和iPad所採用的蘋果A6處理器相較,A5已經是幾代元老了。此外,相較於蘋果A5晶片的傳統封裝,Nexus 7搭載高階的Nvidia Tegra 3採用表面金屬的封裝形式,使其於主晶片的熱導率上佔有優勢。值得注意的是,Tegra 3的封裝標識中包括‘T30L’的字樣並不同於T30。T30L在四核心全開的情況下,執行頻率鎖定於1.15GHz,而單核心狀態下的執行頻率為1.3GHz。Nexus 7的GPU執行頻率也鎖定在416MHz。
蘋果A5採用三星代工的45nm製程製造,由台積電代工的Tegra 3同樣是45nm製程。但令人驚訝的是,A5面積相當大,達到了122mm2,而Tegra 3只有83mm2。A5的兩顆ARM核心位於晶片右下角,大面積的SRAM導致整個晶片的尺寸較大,而Tegra 3的四個核心和較小的SRAM在晶片的中央清晰可見,底部和中央的大面積的SRAM很可能鏈接的是繪圖核心。我們期望能在2013年看見採用28nm製程的Tegra新晶片,以期能用更低功耗實現更高性能。同樣地,我們也預期蘋果的處理器代工從三星轉單至台積電的28nm製程。

圖2:比較iPad Mini與Nexus 7的成本清單。
此外,蘋果iPad mini的記憶體採用的是東芝的NAND Flash,而Nexus 7採用的則是三星的NAND Flash。有趣的是,近年來從嵌入式應用程式所取得的利潤已經超過了傳統的記憶卡利潤。預計在未來的1~2年內,全球NAND快閃記憶體營收將超越DRAM,迅速成為佔市場主導地位的記憶體。
比較兩款小型平板產品的晶片成本,從圖中的表格可發現,處理器和ROM依然是成本最貴的兩款晶片。特別是Nvidia Tegra 3的價格高達27美元。iPad mini和Nexus 7的整體晶片成本分別為64.81美元和58.34美元。iPad mini比Nexus 7貴了10%。
最夯智慧手機:iPhone 5與Galaxy S3 LTE
三星熱銷的Galaxy S3手機在2012年8月首度超越蘋果iPhone成為市場最熱賣的手機。雖然這是在iPhone5發佈前幾個月的成績,但也展現出三星能與蘋果在手機市場展開激烈競爭的實力。三星在2012年初推出Galaxy S3,預計在今年很快地就能看到三星最新旗艦手機Galaxy S4上市。

圖3:iPhone 5與Galaxy S3 LTE的主機板設計比較。
這兩款手機乍看之下似乎沒什麼顯著差異,但仔細分析研究後歸納出兩點值得注意之處。首先是電池壽命。蘋果宣稱iPhone5待機225小時,而三星則有300小時。蘋果手機的電池容量為1,440mAh,而S3的電池容量達到2,100mA,比iPhone5更高50%,當然電池重量也差不多更重50%。另外,蘋果iPhone5的電池組價格是5.14美元,三星S3的只有4.4美元。其次,在RAM (DRAM)容量方面,蘋果只有1G RAM記憶體,而Galaxy S3 LTE採用的是2G記憶體。
此外,三星Galaxy S3 3G版用的是自家的Exynos應用處理器,但S3 LTE則改用高通公司(Qualcomm)的Snapdragon S4雙核心處理器 MSM8960 。iPhone 5的A6處理器時脈較低,但和S3 LTE的處理器一樣都採用雙核心的ARM Cortext-A9,兩款處理器也都採用PoP封裝,將DRAM直接封裝在處理器上層,以減少所用的板面積。
這兩款手機都支援LTE,並且都採用了高通的RF解決方案RTR8600。不同的是,iPhone 5採用A6處理器搭配一款多模基頻晶片MSM9615 LTE,而三星Galaxy S3 LTE的主晶片MSM8960本身就整合了應用處理器和多模基頻,使其手機得以節省板空間與成本。這很可能就是S3 LTE版不像S3採用三星自家四核心晶片的主因。

圖4:iPhone 5與Galaxy S3 LTE的成本分析比較。
透過主機板分析,我們還意外的發現,兩家廠商都採用了Murata的無線模組,其中最為關鍵的晶片都採用了博通(Broadcom)的BCM4334晶片。
至於週邊採用的MEMS感測器,蘋果手機仍採用其感測器供應商──意法半導體(ST)以及AKM的MEMS晶片。三星用的是InvenSense、AKM和Bosch Sensortec的晶片。InvenSens公司採用加速度計和陀螺儀整合於單一晶片的方案,實現更高整合度,也為三星手機挪出空間,以便在板上再加進Bosch的氣壓感測器──不但有助於GPS定位,還可透過手機應用程式精確顯示手機所在的海拔高度,據稱其精確度達0.5m以下。
在顯示器設計上,蘋果iPhone 5率先採用視網膜(Retina)顯示螢幕,但三星Galaxy S3 LTE採用自家的AMOLED螢幕,顯示效果更勝一籌。當然,三星採用AMOLED螢幕的模組成本也貴了近10美元。此外,蘋果公司據稱正在研發一種可在單層螢幕上實現顯示與觸控功能的技術,可望應用在蘋果下一代的產品中。
iPhone5的BOM成本也較S3 LTE稍高。由於三星擁有支援智慧手機生產的較大垂直市場,因而就供應鏈成本而言,毫無疑問地,三星比蘋果更具優勢。

基於NFC技術的非接觸式通訊

來源: 電子工程專輯
作者:Nishat Omar、Raunaque Mujeeb Quaiser / 意法半導體(ST)

低功耗和自供電設備是許多半導體和電子企業最近大力投入研發的新領域。近距離通訊(NFC)就是一種基於電磁感應耦合概念的自供電通訊技術,鬆耦合感應電路讓NFC元件能夠在幾公分的距離內共用電能和數據。感應式電能接收器可使NFC實現各種通訊模式,例如,被動、主動和RFID模式。
NFC設備和近距離(13.56MHz)RFID電子標籤採用與非接觸式智慧卡相同的基礎通訊技術。該技術已被ISO/IEC(國際標準化組織/國際電工委員會)、ETSI(歐洲電信標準協會)和ECMA(歐洲資訊通訊系統標準化協會)國際標準化組織接受。NFC讀取器與電子標籤之間的通訊距離必須在4cm以內,NFC使讀取器與標籤或者讀取器與讀取器共用有效負載數據。
本文重點介紹意法半導體(ST)的雙介面EEPROM RFID系列電子標籤晶片。基於該系列晶片的系統解決方案可滿足市場對低功耗和自供電非接觸式通訊應用的需求。其系統解決方案還包括基於Android和Windows兩種平台的繪圖用戶介面,突現針對不同感測器、標準元件和支援NFC技術的雙介面EEPROM功能。
為了展現含有NFC標籤(M24LR64)的應用系統的功能,ST開發一款Data Logger V3數據記錄器評估板。該電路板(電子標籤)支援13.56MHz NFC通訊技術,配備不同類型的感測器、RFID EEPROM數據記憶體和非接觸式通訊介面。硬體感測器包括溫度感測器(STTS751)、MEMS運動感測器(LIS3DH)、濕度感測器與光感測器。
這些感測器以預設的間隔把數據儲存在數據記錄器內,基於Windows/Android的用戶介面軟體讀取這些數據,並以圖表的方式將數據顯示在螢幕上。該應用系統突現基於RFID的EEPROM(M24LR64)的功能和存取機制。
M24LR64是一個8KB的雙介面EEPROM記憶體,支援兩種通訊模式:一、透過有線連接與微控制器的I2C通訊;二、採用無線數據傳輸技術(IS015693)的RF通訊。
Data Logger V3評估板由以下模組組成:
一、硬體:一個由STM8L微控制器、MEMS(LIS3DH)、溫度感測器(STTS751)、光感測器和M24LR64 EEPROM以及板載感應式天線組成的普通的電路板。電路板電源是一枚鈕扣電池(CR2032),為感測器數據通過I2C介面儲存到EEPROM內提供電能。在數據保存到EEPROM後,PC或Android應用軟體(圖形用戶介面)可存取EEPROM。
二、軟體:一個專用的PC或Android繪圖用戶介面(GUI),透過RF-ISO15693介面與Data Logger V3評估板互動。該應用軟體與意法半導體的RF收發器CR95HF通訊,該介面再經由13.56MHz射頻技術與板上EEPROM通訊。

圖1:基於Windows平台的數據記錄系統(功能架構圖)。

圖2:支援Windows平台的數據記錄系統(實際系統)。

圖3:支援Android平台的數據記錄系統(功能架構圖)。

圖4:支援Android平台的數據記錄系統(實際系統)。
數據記錄應用
數據記錄應用分為兩個階段:
一、數據儲存階段
在這個階段,記錄器電路板由3V鈕扣電池供電,以固定的間隔把感測器數據儲存在EEPROM。數據記錄過程透過I2C通訊介面完成。
記錄數據的類型:a.溫度感測器(STTS751)測量環境溫度;b.MEMS感測器(LIS3DH)測量振動數據;c.MEMS感測器(LIS3DH)測量自由落體數據;d.光感測器測量環境光數據;e.濕度感測器測量濕度數據
二、數據讀取階段
在數據存入EEPROM後,板載開關切斷鈕扣電池與電路板的連接。在斷電後,電路板變成一個被動RFID電子標籤。電路板上有一個感應式天線,用於標籤與讀取器的射頻通訊。利用RFID讀取器(CR95HF)天線和EEPROM天線的耦合效應,13.56MHz射頻將電能從讀取器傳輸到EEPROM。RFID讀取器透過射頻電磁場傳送電能,EEPROM的天線吸取射頻電能作為本身電源。
讀取器可與PC或Android的GUI配合,透過RF介對EEPROM發送命令,存取記憶體內的全部感測器數據。PC(Windows)/Android GUI軟體以圖表的方式解釋感測器數據。
以下是兩個可透過RF介面從EEPROM讀取數據的應用軟體。
一、DatalogV3Android應用軟體
Android是行動設備軟體堆疊,包括作業系統、中介韌體和主要應用軟體。Android SDK為開發人員提供在Android平台上使用Java語言開發應用程式碼所需的工具和API。該應用程式碼是在Android SDK 10.0.0和2.3.3環境內寫的,因為該環境提供的NFC API支援手機與標籤之間傳輸數據。該應用通訊使用NFC的分支技術NFCV。
DataLogV3支援Data Logger V3電路板上的所有感測器。該應用軟體使用Android SDK提供的NFC API。用戶Android手機不得低於2.3.3版本,並配備NFC功能。在手機上啟動DatalogV3應用軟體後,將NFC標籤(Data Logger V3 電路板)靠近手機時,該應用軟體將會發現標籤。在發現標籤後,用戶可選擇採集新數據或讀取Data Logger V3評估板記錄的數據。M24LR64作為Data Logger V3電路板的電子標籤,同時內建8KB的儲存容量。EEPROM記憶體有多個不同的儲存區,每個儲存區記錄不同感測器所檢測的數據。該應用套裝軟體含一個幫助檔,指導用戶如何使用 DataLogV3軟體。圖5是在Android手機上執行的Data Logger V3的截屏,正展示基於NFC技術的數據通訊。

圖5:在Android手機上執行的Data Logger V3螢幕截圖。
二、事件數據記錄:Windows應用軟體
事件數據記錄應用軟體利用WPF技術開發的Windows桌面應用軟體。該應用軟體支援DEMO-CR95HF電路板和Data Logger V3電路板。DEMO-CR95HF電路板是讀取器電路板,透過USB HID通訊協定與PC通訊。DEMO-CR95HF板的射頻收發器是ST CR95HF。Data Logger V3電路板是電子標籤,內建M24LR64晶片。當啟動應用軟體時,應用軟體將連至DEMO-CR95HF電路板。該應用軟體為用戶提供數據記錄應用和事件記錄應用。
數據記錄應用:在啟動 Data Logger V3電路板後,用戶可利用NFC技術透過DEMO-CR95HF電路板採集數據。在數據記錄過程中,數據記錄器電路板的電源是3V鈕扣電池。在數據記錄完成後,用戶可拆除鈕扣電池,使用RFID閱讀器讀取數據。在讀取數據階段,EEPROM的電源是射頻電磁場傳輸的讀取器的能量。讀取器可採集Data Logger V3板上所有感測器檢測的數據,應用軟體將這些數據繪製成圖表顯示在螢幕上。

圖6:Windows數據記錄應用軟體。
事件記錄應用:該應用軟體讓用戶能為每個感測器設置閾值。只有其中一個感測器突破了閾值,標籤才會記錄數據。採集電路板上數據的過程與數據記錄應用類似。DEMO-CR95HF展示板透過NFC讀取數據,然後將其繪製成圖表顯示在螢幕上。

圖7:Windows數據/事件圖表。
未來應用
該數據記錄板搭載一顆意法半導體的8位元微控制器STM8L。
一、能量:該系統適用於多種低功耗應用,例如,
能量採集應用:該展示板適用於開發基於能量採集概念的應用領域。M24LR16屬於支援RFID通訊的雙介面EEPROM的M24LRx系列。該系列EEPROM從RFID讀取器汲取電能。共中部份射頻電能用於讀取EEPROM,其餘的射頻電則由EEPROM收集,提供給電路板上的零組件。因此,該系統利於只需短時間供電的應用系統,因而無需任何電池電源。
電子紙應用:某些應用需要每天/週更改一次顯示數據,其餘的時間只保持原樣即可。電子紙只在更改數據時才需要充電,斷電後繼續保持數據顯示。電子紙結合RFID EEPROM可讓用戶以無線射頻通訊讀取並顯示數據。讀取器發出的射頻能量用於讀寫EEPROM記憶體,同時實現能量採集,為應用電路板供電。
二、消費性醫療健身應用:在醫療應用領域,可以在病患的身體上安裝不同類型的感測器,感測器數據記錄在EEPROM。醫生可使用RFID讀取器讀取數據,實現對病患的連續監測。
有NFC功能的手機也可以讀取數據記錄。專用的Android應用軟體能以圖表的方式解釋感測器擷取的數據。
Data logger V3評估板可展示溫度感測器、MEMS感測器、光感測器和濕度感測器的數據記錄過程。該系統還可以增加更多的感測器,像陀羅儀、地磁計、壓力感測器等。這些感測器可以組成一個健康監測記錄儀,監視住院病患的各種生命體徵參數,並以固定的間隔將數據記錄在EEPROM內,醫生可通過射頻通訊每天或在預設間隔讀取數據。
計步器是另一種健身應用。計步器計算用戶的行走距離,這需要一個裝有MEMS運動感測器的電路板,以檢測用戶的運動,並計算用戶的行走距離。計步器將距離資訊記錄在雙介面EEPROM內,透過射頻通訊技術發送到具有NFC功能的Android手機,讓用戶能夠即時追蹤自己的徒步運動和熱量消耗情況。
三、工業自動化:Data Logger V3評估板還適用於自動化和食品飲料物流應用領域。
利用MEMS感測器、濕度感測器和溫度感測器可以監視工業自動化系統的執行狀態是否良好。這些感測器安裝在機器及其活動元件的附近。感測器將數據保存在EEPROM內,讀取器可透過RFID介面讀取數據。這讓維修人員能夠掌握機器的工作環境變化。
食品運輸要求環境溫度不得超過預定溫度範圍,數據記錄儀適用於記錄運輸過程中的環境溫度變化。當貨物運抵目的地時,收貨人員可讀取數據記錄儀,確保運輸過程中環境溫度在規定的溫度範圍內,此外,還可以查驗包裝是否完整。
在這個能源匱乏的世界中,降低功耗是應用系統的重要要求。採用ST的STM8L和感測器設計可支援低功耗應用。該系列產品相容最低1.8V的電源,工作電流在微安範圍內。裝有全部感測器的Data Logger V3電路板系統功耗大約500uA。程式碼大小大約16KB,根據應用要求可進一步降低。
採用先進技術的雙介面EEPROM為無線通訊和數據記錄發展帶來了新機會,增強即時查看不同用戶數據的能力,將推動可攜式系統和無線通訊系統市場的創新發展。

觸控面板日新月異 Apple喜好對供應鏈影響大

來源: 電子工程專輯

市場研究機構 NPD DisplaySearch 觀察指出,蘋果(Apple) iPhone 5 採用的 in-cell 觸控感測線路結構和 iPad 採用的 GF2 (DITO film,單片薄膜雙層線路結構),已經對觸控面板產業供應鏈產生衝擊。
根據NPD DisplaySearch最新發佈的觸控面板市場分析季報(Quarterly Touch Panel Market Analysis),在手機方面, in-cell 觸控面板佔手機觸控面板出貨比重預計從2012年的7.3%提高到2013年的13.7%,而GG DITO (單片玻璃雙層線路結構)結構則將從10.3%下降到0.6%。在平板電腦方面,GF2觸控結構佔比將從2012年的4.7%上升到2013年的28.4%,而GG DITO結構則將相對從37.2%下降到8.1%。
NPD DisplaySearch指出,從2007年到2011年,蘋果將GG DITO觸控感測器結構應用於iPhone上,2012年將in-cell技術應用於iPhone 5。在 2010年到2012年,蘋果將GG DITO結構應用於iPad上;到了2012年的下半年,則將GF2首先應用於iPad mini,並在2013年應用於iPad。
「手機和平板電腦觸控技術及感測線路結構日新月異,主要動力來自於:一方面期望模組成本的下降,二方面則是追求裝置的輕薄。於是,蘋果告別了使用多年的GG DITO結構,進而轉向in-cell觸控面板和GF2。」 NPD DisplaySearch 研究總監謝忠利表示:「由於蘋果在這些終端裝置(手機和平板電腦)的市場比重較高,選用技術的變化對後端供應鏈有著不容忽視的影響。」
2012~2013年手機和平板電腦觸控感測結構市佔比例
2012~2013年手機和平板電腦觸控感測結構市佔比例
(來源:NPD DisplaySearch)
NPD DisplaySearch報告同時指出,在2012年10月底發佈的微軟(Microsoft) Window 8 作業系統,還沒有能夠對筆記型電腦市場產生顯著的正面影響;然而,更為平價的平板電腦正在侵蝕筆記型電腦市場,讓微軟的作業系統受到威脅。
儘管如此,觸控面板在筆記型電腦市場的滲透率,預計仍有機會提高到18%,主要驅動力來自於 OGS (單片式觸控方案)觸控模組價格的下降,以及更低成本的觸控方案已經於第二季底成形;若是能夠儘快導入中低階機種,整體滲透率就有希望較快提高。
NPD DisplaySearch預測 OGS 結構將於2013年佔筆記型電腦觸控感測器結構出貨的83.5%,而低成本的觸控方案的市佔比例將為5.6%。品牌仍對觸控面板導入筆記型電腦抱有期望,但是不同市場定位的高低階產品需要不同成本區段的方案。

傳統GG觸控面板需求衰減 台廠面臨挑戰

來源: 電子工程專輯

根據 DIGITIMES Research 觀察,隨著蘋果(Apple) iPhone 4 /4S及舊款9.7吋 iPad 分別進入產品生命週期尾聲,過去台廠極為倚重的蘋果傳統玻璃對玻璃全貼合式(GG)觸控面板需求也將隨之式微,且由於蘋果轉向 In-Cell 內嵌式觸控面板及DITO雙面ITO薄膜觸控,並由日廠生產,在其他客戶訂單需求及毛利皆不及蘋果狀況下,台廠難免面臨挑戰。
DIGITIMES Research預估, 2013年第三季台廠整體手機及平板電腦用觸控面板出貨量將因此分別較第二季下滑19.7%及28.0%。雖台廠2012年即已預見此狀況,積極轉向 NB 用大尺寸觸控面板生產,但第三季將面臨早期 Windows 8 機種市場吸引力及價格競爭力不足以致庫存堆積情形。面對此挑戰,台灣面板廠友達及群創分別推出低價 NB 用觸控面板,並搭配TFT LCD銷售,以提高觸控NB的價格競爭力。然而儘管如此,預估第三季整體台廠NB用觸控面板仍將略為衰退2.1%。
2013下半年台灣觸控面板產業主要成長動力除NB用觸控面板外,尚包括新款 Kindle Fire 及Nexus 7平板電腦用 OGS 觸控面板。然而隨著客戶對價格要求越來越嚴苛,此二機種均將面對陸廠萊寶及藍思旺的挑戰,另陸廠歐菲光亦積極研發金屬網格(metal mesh)薄膜式觸控面板,並已打入聯想 NB 供應鏈,在NB用觸控面板亦將正面以價格挑戰台廠。預估下半年陸廠佔全球平板電腦用觸控面板出貨比重將突破五成,且在NB用觸控面板市佔率也將突破一成。
全球手機用觸控面板出貨量變化
全球手機用觸控面板出貨量變化