USBカメラ変換基板

　今回は昨年から試行錯誤しながら取り組んでいるプロジェクト(USBカメラ変換基板プロジェクト)について紹介します。組込系でカメラ機能を利用する場合、昨今ではOpenMVやM5Camera、ESP32-Cam等を利用することが多いと思います。マイコンとカメラを接続する場合、一般的に下記の接続方法があります。

接続方法	メリット	デメリット	製品例
SPI	伝送が高速 ローエンドマイコン対応	機種によってコマンド互換なし 低解像度	Arducam等
UART	省配線 コマンド互換少し有 ローエンドマイコン対応	伝送が低速 低解像度	シリアルカメラ等
NTSC+SPI	伝送が高速 汎用NTSCカメラ対応	NTSCカメラ自体の入手性 バッファメモリ必須 解像度固定	TVP5150等でSPI変換
パラレル	伝送が高速 高解像度	配線が多い ハイエンドマイコンのみ対応	カメラモジュール等
MIPI	伝送が超高速 高解像度	専用IF必須 ハイエンドマイコンのみ対応	RaspberryPIカメラ等
HDMI	伝送が超高速 高解像度	変換IC必須 ハイエンドマイコンのみ対応	TFP401等で変換
カメラユニット	低コスト 筐体ケース付きがある	別途ファーム書き込み必要	OpenMV M5Camera ESP32-Cam HuskyLens
USBカメラ	USB汎用接続 ケーブル延長容易 入手性が良い	UVCホストの実装が複雑 USB1.1では動作しないカメラ有 解像度の制約が多い	Logicool C270、C920等

　SPI接続やUART接続の場合、予めバッファがカメラ側に内蔵されていることが多いため、マイコン側に大容量メモリがなくても最低限の処理が可能です。一方、パラレル接続やMIPI接続の場合はイメージセンサからほぼそのまま出力されるため、それに対応した高速なインタフェースと読み出しデータを保持するための大容量メモリが必須となります。ユニットとして販売されているものは公開されているファームを書き込むだけで簡単に動作確認や実装できるために便利ですが、生産終了やロットによる機能差等が生じる場合が多々あります。多くのカメラモジュールで使用されるイメージセンサは主にスマートフォン向けのため、カメラモジュールの生産終了や型式変更等が頻繁で継続した安定入手に難があります。

　上記の方法の中でUSBカメラやNTSCカメラを使用する場合、汎用的なIFで継続して安定入手が可能です。ただ、そのままでは容易に使うことが難しいのが課題です。そのため、単体や小規模のマイコンでも簡単に処理できるUSBカメラ変換基板を開発することにしました。

コンセプトは下記の通りです。

・汎用的なUSBカメラから画像取得(jpeg、bmp対応)

・単体でSDカード等に画像ファイルを保存

・簡易的なタイムラプス撮影ができる

・UARTやSPIを介した低解像度の画像取得

実際に開発したUSBカメラ変換基板です。

もともとはSTM32マイコンで実装予定でしたが、HALライブラリではIsochronous転送に失敗してうまく転送できない、昨今の半導体不足で入手困難であるため、断念。FTDIのVinculumではRTOSのオーバーヘッドが無視できず、SPIの転送速度が遅すぎて断念しました。最終的にPIC32MZマイコンを用いて実装しました。PIC32MZはUSB2.0 High Speedに対応しているため、多くのUSBカメラに対応できます。

SPIを介してLCDを接続してBMPデータを描画させてみました。

カメラや設定によって異なりますが、1秒間に10フレーム弱程度で比較的スムーズにLCDに表示させることができました。

また、10秒間隔でのタイムラプス撮影をして後からコマ送りで動画に編集してみました。今後はサンプルコードや利便性の向上、対応カメラの追加、機能追加等を検討したいと思います。随時こちらに更新情報を追加したいと思います。

MachXO3LF/L Starter Kit UART設定

MachXO3LF/L Starter KitはLattite社のFPGA、MachXO3シリーズの評価ボードです。FTDIのUSBシリアル変換ICが搭載されているため、Diamond Programmer等から書き込み治具なしでそのまま書き込んで動作確認できます。

特にMachXOシリーズは外部FlashなしでFPGA単体で動作可能なため、小規模な開発に便利です。MachXO3LFとMachXO3Lで2種類ありますが、何度も書き換えて使用する可能性がある場合はFlashベースのMachXO3LFとなります。MachXO3LF/L Starter KitはFTDIの2232Hを搭載しています。2232Hは1つのICにシリアル機能をデバイスAとデバイスBで2つ搭載しています。デバイスAはJTAG書き込み用(245FIFOモード)、デバイスBはUARTやI2C等のユーザ用途に設定可能になっています。一方でデフォルトではデバイスBが初期設定(245FIFOモード)となっており、UART等の用途で使用できません。今回はMachXO3LF/L Starter KitでFTDIのUARTを使用する設定について紹介します。

�@ハードウェア設定

MachXO3LF/L Starter KitのデフォルトではFTDIのデバイスBとMachXO3が接続されていません。FTDIチップ横のR14(FTDI:TX-FPGA:RX)、R15(FTDI:RX-FPGA:TX)に抵抗(0~100Ω程度)を取り付ける必要があります。写真ではハンダでジャンパさせました。

�AFTDI EEPROM設定

デバイスBが初期設定(245FIFOモード)となっており、UARTモードに切り替える必要があります。FTDIチップの横にEEPROMが接続されており、そこにFTDIチップの挙動を決定するパラメータが書き込まれています。パラメータを書き換えることでデバイスBをUARTとして動作させます。ここで注意点としてEEPROMのパラメータの書き換えに失敗した場合、Diamond Programmer等からJTAG治具として検出できなくなる可能性があるため、注意してください。

こちらのリンクからEEPROMのパラメータ書き換えのソフトウェアFT_Progをダウンロードします。ソフトウェアを起動し、F5キーを押して、ワーニングメッセージが表示されてOKを押すと、現在の情報が表示されます。

他にもFTDIデバイスが接続されている場合、誤って他のデバイスに書き込んでしまう可能性があるため、MachXO3LF/L Starter Kit以外のデバイスを外して、ツリー表示のデバイスが1つであることを確認してください。

Hardware Specificをクリックし、PortBのHardware設定をRS232 UARTに設定します。PortAはJTAG用の設定となっているため、間違えてPortAの設定を変更しないように注意します。

同様にDriverの項目をVirtual COM Portを選択します。

上記の設定で書き込みボタンを押します。USBを抜き差しするとCOMポートとして認識できるようになります。

なお、デバイスマネージャーから「表示をコンテナ別」に設定して、そこからVCP(Virtual COM Port)に設定変更できるチェックボックスがありましたが、こちらの設定だけではCOMポートが追加されるものの、UARTとして動作しませんでした。やはり、FT_Progを用いてパラメータの書き換えが必要なようです。

上記の手順後、C11にTX、A11にRXとしてユーザプログラムを書き込むことでMachXO3LF/L Starter Kit単体でPCとUART通信できるようになりました。R14、R15がデフォルトで未実装に気づかず、デバッグに時間を要してしまいました。Starter KitのPDF等にもUART通信を使用する手順について説明の記載がなく、ちょっと不親切だと思いましたが、なんとかPCとUART通信できるようになりました。