基于T31 SoC 的智能看护台灯设计

摘要：文章基于北京君正T31NSoC芯片设计了一款智能看护台灯，融合了视频处理、触摸、红外和智能调光等多种技术。利用Linux系统，实现了自动开关灯、亮度及色温的自动调节，以及手动调节、一键呼叫等功能。通过App可实现视频监控、语音对讲、水平视角控制、模式设置、视频回放等功能。该产品使家长能够远程与孩子沟通、进行作业辅导、实施坐姿矫正，有助于增进亲子关系。

关键词：君正T31；摄像头；调光技术；触摸按键；电机控制

中图分类号：TP301文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）35-0092-03开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

0引言

随着电子技术的不断发展，当前视频监控和照明是两个巨大的市场，产品种类丰富多样，但大都局限于各自领域内的产品，如各种摄像头或是各种照明灯具，跨领域的组合产品较为少见。随着人们生活水平的不断提高，对产品的需求也在持续提升。因此，一款融合视频监控和照明技术的智能产品应运而生。目前市面上虽也有同类产品，其基本功能有：1）不可调节色温的照明灯；2）可手动调节水平角度的摄像头；3）方案上采用的是主控加单片机的方案；4）没有自动开关灯功能。而本文中的智能看护台灯功能更加丰富，设计更具创新性[1]。其主要特点包括：1）支持灯光的色温调节；2）支持摄像头水平方向的远程控制；3）采用主控芯片结合触摸芯片的方案，替代传统的主控加单片机方案，降低成本并提高生产效率；4）采用红外技术实现自动开关灯；5）采用北京君正先进的SoC芯片作为主控，获取更清晰的图像。

1系统总体方案设计

设计上采用北京君正T31系列芯片，并结合了触摸芯片、图像传感器、双频Wi-Fi模块、红外对管、达林顿管、音频功放芯片、调光芯片和电源组成整个系统。其中图像传感器板采用20PSHD1.0mm连接线，实现高清200万像素的传输。照明部分通过5P排线与主控板连接。系统硬件框图如图1所示。软件部分则根据硬件方案分别进行驱动层设计和应用层设计以及App开发。

2硬件系统设计

2.1核心主控芯片设计

核心主控芯片采用君正T31N（标准版），主频最高可达1.5GHz，DDR2运行内存为64Mbit，支持最高500万像素，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，芯片封装为QFN88。

主芯片需要配置一颗24MHz的无源晶振和一颗16Mbit的SPIFlash（程序内存），以及三路不同的电源：0.8V的核心电压、1.8VDDR2电压及3.3V的IO口电压。根据总体设计要求，分别使用了图像采集的MIPI和I2C0接口、Flash存储器SPI接口、Wi-Fi连接的USB2.0接口、图像存储的SDIO内存卡接口、音频接口、光敏采集ADC口、触摸按键的I2C1口、调光电路的PWM和普通GPIO口。

2.2触摸按键电路设计

设计需求共8个触摸按键，采用湖南品腾公司的PT8020S16替代MCU方案，该芯片支持10通道触摸输入，具备高速IIC接口。电路设计如图2所示：工作电压为3.3V，与主控电平匹配。触摸弹簧通过1K电阻连接到芯片的触摸输入管脚，通过I2C总线与主控T31连接，INT脚在按键状态改变时会输出低电平脉冲，通知主芯片读取键值，随后根据不同的键值执行相应的按键功能。通过改变C5的容值可调整按键的灵敏度。PCB布局时，为提高灵敏度，触摸输入线须与地网络间隔20mil以上，触摸弹簧底下需要去除铜箔。

2.3图像传感器电路设计

图像传感器采用晶相光电的JX-F38P，CSP51封装，200万有效像素。本设计采用MIPI接口，使用一个独立的尺寸为29mm×29mm的传感器小板，通过20Pin的SHD1.0连接线连接至主板上，同时使用导电布包裹并两端接地，防止辐射超标并提升图像传输的稳定性。主要信号包括MIPI主时钟、1对差时钟、2对差分数据线、1个I2C接口用于初始化图像传感器，以及复位信号、休眠信号和电源等。PCB布局时，主时钟需要有完整参考地平面及两侧包地，差分信号需要完整的参考地平面和差分等长，阻抗为100Ω的差分布线。

2.4步进电机控制设计

为了能扩大视角和实现远程控制，设计采用一个四相五线制减速步进电机，实现远程对摄像头的转动控制。电路上采用五路达林顿管ULN2002D来驱动。主控端使用4个GPIO依次轮流输出脉冲信号，实现步进电机的转动。一个高脉冲即为导通一相。按照通电时序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍：每次只有一个相通电，通电顺序为AB-C-D-A，这种方式下电机的步距角较大，但转动力矩较小，稳定性差。双四拍：每次有两个相同时通电，通电顺序为AB-BC-CD-DA-AB，这种方式下电机的步距角较小，转动力矩较大，振动较小。八拍：每次有一个相与两个相交替通电，通电顺序为A-AB-B-BCC-CD-D-DA-A，这种方式下电机的步距角最小，转动力矩大，运转平滑，稳定性好。本设计采用八拍的方式，可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。改变导通的顺序即可改变转动方向。

2.5调光电路设计

调光电路是系统的重要组成部分，使用一个独立的调光电路板，与主控板之间使用排线连接。电路采用可调光LED恒流驱动器PT4115，输入可达DC30V，输出电流最高1.2A，效率达97%。PT4115可以通过直流电压实现模拟调光和通过PWM信号实现调光。后者通过在DIM管脚加入可变占空比的PWM信号调小输出电流以实现调光，计算方法如下所示：

Iout=（0.1/Rs）×D，D为占空比0≤D≤100%。设计采用PWM调光方式。主控发送PWM信号至DIM脚，根据公式，可以通过不同的占空比调整电流的大小，达到调整亮度的作用。

共有两路相同的调光电路，主控输出两路PWM分别控制不同色温的LED灯珠，用以调整色温和亮度，达到护眼效果[2]。电路原理如图3所示，LED+和LED-接照明灯板的正负极。

2.6红外检测电路设计

为实现可靠的自动开关灯功能，系统加入了红外技术。采用一个940nm波长的红外发射灯和一个接收头。当系统工作于自动模式时，软件驱动层会以1秒为间隔通过一个IO口发送一定数量的脉冲信号，当有人在前方时，脉冲信号会被反射至接收头，接收头输出一定宽度（起抗干扰作用）的低电平，软件据此判断前方是否有人，实现自动开关灯[3-4]。

2.7系统电源设计

电源系统设计如下：首先使用DC-DC电源芯片SY8120将输入的12V直流电源降压至3.3V，再使用两颗SY8088分别转换至1.8V和0.8V。其中1.8V供给T31的DDR和相关管脚，0.8V为内部核心电压，而3.3V主要供给IO口和相关电路。各路电源网络在T31芯片的每个管脚须放置1个0.1μF的电容，每个电源网络需放置不同容值的电容，以降低阻抗，达到更好的滤波效果。PCB布局时需单独分配一个独立的电源层，不同电源网络以区域分块的形式布置。

3软件系统设计

软件部分可分为设备端软件和客户端App软件。设备端Linux系统运行于T31SoC上，又可分为驱动层和应用层。驱动层主要负责与底层硬件通信，如Wi-Fi模块的驱动、图像传感器驱动、触摸芯片的驱动及各种接口的操作。应用层主要负责视频的传输与处理，以及与驱动层通信及云平台通信。本系统对接的是阿里云平台。

3.1设备端软件系统设计

3.1.1驱动层软件设计

设备端Linux系统驱动层主要根据硬件电路，编写和调试相应的驱动程序，使各硬件模块能够正常工作，本系统主要包含以下驱动：1）SPIFlash驱动，使用华邦的W25Q128JVSIQ；2）Sensor驱动，型号为JXF38P；3）双频Wi-Fi模块BL-8731BU4，厂商提供Linux驱动，需要整合与调试；4）触摸芯片的I2C驱动根据手册中的参考例程编写与调试；5）调光PWM驱动、步进电机驱动等。基础驱动完成后，进行台灯功能的逻辑编程，流程图如图4所示。

1）类LampApplication接收用户的操作，负责具体的业务逻辑，并上报看护台灯的状态。

2）类LampMsgProcess对象lamp_msg_process提供消息队列机制，确保按键和App点击的同步逻辑，依次处理消息，调用场景、模式、灯光调节、开关等具体逻辑。

3）类LampKeyProcess对象lamp_key_process负责监听触摸按键事件，并将其转换为对应的消息放入队列。

4）类LedDrvMgt对象m_led_drv_mgt提供对灯光的控制。

5）类KeyLedCtl对象m_key_led_Ctl提供对指示灯的控制。

3.1.2应用层软件设计

设备端应用层主要包含两大模块：IPC摄像头的所有功能和看护台灯的驱动对接。摄像头功能主要包括：音频、图像的采集及编码，视频的直播和云存储，本地录像、语音对讲、SD卡管理等。通过图像识别与分析可实现人形侦测和坐姿不良的提醒功能[4-5]。

代码以T31SDK作为基础结构，将摄像头工程代码置于其Application下。摄像头工程基于Linkvisual框架开发。Linkvisual框架数据流转过程如下：

1）App客户端转交用户请求至物联网平台。

2）物联网平台建立信令通道，接收用户请求。

3）转交用户请求至LinkVisualSDK。

4）建立媒体通道，生成媒体文件的链接。

5）通知IPC设备发送媒体数据。

6）IPC设备发送媒体数据至LinkVisualSDK。

7）LinkVisualSDK发送媒体数据至物联网智能视频服务。

8）物联网智能视频服务将媒体数据发送给App客户端。

驱动部分包括IO功能配置和台灯功能的对接，如触摸按键、照明灯PWM控制、指示灯控制和步进电机控制。

3.2客户端软件系统设计

客户端软件以App为主，App连接阿里云端，通过物联网平台进行数据通信（控制指令、参数等），通过视频服务平台进行视频传输。主界面原型设计如图5所示，主要功能包括：

1）摄像头相关功能，如视频查看、视角调节（左右滑动视频窗口）、语音对讲、录像及拍照、视频回放等。

2）灯光相关功能，如亮度、色温的调节、灯光定时、模式设置等。此外还包含配网模块、场景模拟、看护记录等。

4结论

文中的内容已完成ID设计、结构设计、电路原理设计、PCB设计和软件开发，并已完成功能样机的制作。功能已按总体设计完成开发和验证。后续只须进行可靠性验证与测试即可完成产品的制造。本产品设计在丰富功能的同时也考虑了成本控制，例如去除了单片机，采用一颗触摸芯片替代，并使用低成本的红外技术实现自动开关灯功能。

参考文献：

[1]李萍.基于STC89C52单片机的多功能智能台灯设计[J].电脑知识与技术，2020，16（18）：198-199.

[2]戴忠祥.基于单片机系统的视力保护智能台灯设计[J].电子制作，2021，29（7）：89-91.

[3]雒媛.一种具有坐姿感应功能的智能台灯设计[J].信息记录材料，2020，21（2）：131-132.

[4]李宝文，李灵，黄锦稻，等.监测坐姿智能台灯的设计与实现[J].科技风，2021（9）：3-4.

[5]胡应坤，张萍，赖健.具有坐姿纠正与人体感应的多功能智能台灯[J].电子世界，2021（15）：131-133.

【通联编辑：谢媛媛】