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專欄
現今，各種電子設備正在轉變為「大型智能手機」；這就是所謂的「智能手機化」。 當然智能手機化并不代表「可以隨身攜帶這些電子設備用來打電話或使用SNS服務或玩游戲」；而是指這些電子設備內部的系統配置變得與智能手機非常相似。 具體來說它搭載了很豐富的功能：如顯示器、相機、音頻設備、各種傳感器、LTE通信功能、Wi-Fi（無線LAN）功能、藍牙功能和GNSS功能等，并且將這些功能通過很高演算處理能力的處理器來控制。
這類智能手機化的電子設備其典型例子就是銷售軟飲料、含酒精飲料和糖果等產品的自動售貨機。過去自動售貨機只能投入紙鈔或硬幣來購買所需商品。 但近年來自動售貨機裝備了顯示商品廣告的顯示器、用于二維碼支付的攝像頭、共享銷售信息的LTE通信等功能；并且未來還將安裝用于預防犯罪的監控攝像頭以及用于掌握買家屬性的邊緣AI功能。這幾乎就是從「按鍵式手機到智能手機」的變化。
智能手機化的電子設備可以通用實際用于智能手機中的大量半導體芯片和電子部件。因此可以說能使設計更簡單，成本更低。但在某些情況下也會遇到新的設計問題。這是因為智能手機和自動售貨機的外部尺寸完全不同。智能手機尺寸最多也就約160mm x 80mm x 9mm。因此用于傳輸顯示器上顯示的影像信號和相機拍攝的影像信號的接口長度可以非常短。即便是使用最多只能連接幾十cm的MIPI D-PHY都沒有問題。但自動售貨機的尺寸非常大，最大高度為2m。所以需要在其內部傳輸影像信號，接口間長度可能會超過1.5m，甚至達到3m。使用MIPI D-PHY和LVDS通常受到距離限制，在設備的設計上需要花更多功夫。
這類智能手機化的電子設備其典型例子就是銷售軟飲料、含酒精飲料和糖果等產品的自動售貨機。過去自動售貨機只能投入紙鈔或硬幣來購買所需商品。 但近年來自動售貨機裝備了顯示商品廣告的顯示器、用于二維碼支付的攝像頭、共享銷售信息的LTE通信等功能；并且未來還將安裝用于預防犯罪的監控攝像頭以及用于掌握買家屬性的邊緣AI功能。這幾乎就是從「按鍵式手機到智能手機」的變化。
智能手機化的電子設備可以通用實際用于智能手機中的大量半導體芯片和電子部件。因此可以說能使設計更簡單，成本更低。但在某些情況下也會遇到新的設計問題。這是因為智能手機和自動售貨機的外部尺寸完全不同。智能手機尺寸最多也就約160mm x 80mm x 9mm。因此用于傳輸顯示器上顯示的影像信號和相機拍攝的影像信號的接口長度可以非常短。即便是使用最多只能連接幾十cm的MIPI D-PHY都沒有問題。但自動售貨機的尺寸非常大，最大高度為2m。所以需要在其內部傳輸影像信號，接口間長度可能會超過1.5m，甚至達到3m。使用MIPI D-PHY和LVDS通常受到距離限制，在設備的設計上需要花更多功夫。
年輕工程師迎接挑戰
「讓我們實際試作一下智能手機化的自動售貨機吧！」
2023年6月初，就職訓練（On the Job Training）導師找到了于同年4月加入公司的宇野。宇野從產業技術高級專門學校畢業后，進入了豐橋技術科學大學，并在大學研究院完成了碩士課程，是備受期待的年輕工程師。
導師給宇野的開發主題如下：系統構成包括用于監控/預防犯罪的攝像頭、二維碼支付用攝像頭以及用于顯示廣告的10.1英寸液晶面板，這些都是由THine Electronics的子公司Cathay銷售的Smart Module「SIM8918JP」控制（圖1）。正常情況下，自動售貨機中銷售的商品廣告和監控/預防犯罪的攝像頭拍攝的影片每三分鐘就會在液晶屏上依序顯示一次。當顧客（購買者）掃描二維碼時，影像就會轉換為該畫面來進行結算。
Smart Module SIM8918JP將美國Qualcomm的64bit處理器「QCM2290」、LTE通信功能、無線LAN功能、藍牙功能、GNSS功能等整合到一個封裝內（圖2）。 QCM2290除了配備四個英國Arm的Cortex-A53核之外，還整合了作為高效圖形處理器(GPU)的「Adreno720」，利用Android操作系統來運行。
這個課題對進公司才2個月的年輕工程師來說有點難。但宇野卻說「確實最開始覺得這個課題挺難的。但4月和5月一直在參加講座，好不容易有能動手的課題，感到非常高興。」
導師給宇野的開發主題如下：系統構成包括用于監控/預防犯罪的攝像頭、二維碼支付用攝像頭以及用于顯示廣告的10.1英寸液晶面板，這些都是由THine Electronics的子公司Cathay銷售的Smart Module「SIM8918JP」控制（圖1）。正常情況下，自動售貨機中銷售的商品廣告和監控/預防犯罪的攝像頭拍攝的影片每三分鐘就會在液晶屏上依序顯示一次。當顧客（購買者）掃描二維碼時，影像就會轉換為該畫面來進行結算。
Smart Module SIM8918JP將美國Qualcomm的64bit處理器「QCM2290」、LTE通信功能、無線LAN功能、藍牙功能、GNSS功能等整合到一個封裝內（圖2）。 QCM2290除了配備四個英國Arm的Cortex-A53核之外，還整合了作為高效圖形處理器(GPU)的「Adreno720」，利用Android操作系統來運行。
這個課題對進公司才2個月的年輕工程師來說有點難。但宇野卻說「確實最開始覺得這個課題挺難的。但4月和5月一直在參加講座，好不容易有能動手的課題，感到非常高興。」
圖2 Smart Module和它的評價板
開發時間僅3個半月
完成開發的日期已經確定。那是一個將于約5個月后，在2023年10月下旬舉行的展覽會。在展覽會上必須要展示自動售貨機的原型。考慮到實際生產所開發的自動售貨機所需的時間，開發最晚要在9月中旬完成；也就是說，實際的開發時間只有三個半月。
開發項目主要有兩個。一個是影像接口的擴展，這對于實現智能手機化自動售貨機至關重要。具體來說，連接Smart Module和監控攝像頭的影像接口以及連接Smart Module和液晶面板的接口之間的傳輸距離必須延長至2米左右。另一個則是Android操作系統APP的開發。具體地說需要一個在監控/預防犯罪用攝像頭畫面和廣告之間切換，并能執行二維碼支付的APP。
這兩個開發項目必須在短短三個半月內完成。不過宇野并沒與焦急。因為THine Electronics推出了「MIPI相機SerDes入門套件（以下簡稱入門套件）」。這次，我們使用符合「V-by-One HS」或「V-by-One HS II (*1)」規格的SerDes芯片（串行IC和解串IC）作為擴展影像接口的方法。具體來說就是將串行IC「THCV241A」和解串IC「THCV242A」用于連接Smart Module和監控/預防犯罪攝像頭的影像接口，而連接Smart Module和LCD面板的影像接口則采用觸控屏的理想解決方案--串行IC「THCV333」和解串IC「THCV334」。
無論哪種情況都需要根據影像接口的傳輸速度、影像/控制信號的配置等，來記述寫入串行IC和解串IC寄存器的代碼。但這次使用的入門套件還附帶了保證正確操作的寄存器代碼。當然這個寄存器代碼不能直接使用，需要根據適用的系統進行修改。
＃＃（注釋）
(*1) V-by-One HS II不會在不同的差動線上傳輸影像信號和控制信號，而是通過疊加控制信號到影像信號上，在一組差動線上進行傳輸的接口規格。
開發項目主要有兩個。一個是影像接口的擴展，這對于實現智能手機化自動售貨機至關重要。具體來說，連接Smart Module和監控攝像頭的影像接口以及連接Smart Module和液晶面板的接口之間的傳輸距離必須延長至2米左右。另一個則是Android操作系統APP的開發。具體地說需要一個在監控/預防犯罪用攝像頭畫面和廣告之間切換，并能執行二維碼支付的APP。
這兩個開發項目必須在短短三個半月內完成。不過宇野并沒與焦急。因為THine Electronics推出了「MIPI相機SerDes入門套件（以下簡稱入門套件）」。這次，我們使用符合「V-by-One HS」或「V-by-One HS II (*1)」規格的SerDes芯片（串行IC和解串IC）作為擴展影像接口的方法。具體來說就是將串行IC「THCV241A」和解串IC「THCV242A」用于連接Smart Module和監控/預防犯罪攝像頭的影像接口，而連接Smart Module和LCD面板的影像接口則采用觸控屏的理想解決方案--串行IC「THCV333」和解串IC「THCV334」。
無論哪種情況都需要根據影像接口的傳輸速度、影像/控制信號的配置等，來記述寫入串行IC和解串IC寄存器的代碼。但這次使用的入門套件還附帶了保證正確操作的寄存器代碼。當然這個寄存器代碼不能直接使用，需要根據適用的系統進行修改。
＃＃（注釋）
(*1) V-by-One HS II不會在不同的差動線上傳輸影像信號和控制信號，而是通過疊加控制信號到影像信號上，在一組差動線上進行傳輸的接口規格。
發生問題的原因出乎意料???
有了入門套件的幫助，開發很順利。但是好事多磨，問題突然就發生了：監控/預防犯罪用攝像頭無法工作。即使重新打開電源或重新連接都沒有反應。
為什么它不工作呢？實際上宇野自己設計了連接Smart Module的MIPI輸入和串行IC的MIPI輸出的轉換板，并委托外部公司制造。也許是他的設計有錯誤；但仔細檢查后沒發現有什么錯誤。接下來懷疑的是從Smart Module發送過來的控制監控攝像頭的I2C信號，可能信號沒有送達或者不正確。于是用示波器仔細檢查了I2C信號的波形，結果發現I2C信號并沒有問題。
已經想不到其他可能導致問題的原因了，所以決定再次檢查全部內容；然后發現有些回路的設計意圖無法確認。它是相機的時鐘振蕩回路，這是OJT導師給他作為參考的回路。仔細檢查這個時鐘振蕩回路后，發現低通濾波器的截斷頻率太低，切斷了時鐘信號。也就是說無法給相機提供時鐘信號，這樣當然無法工作。所以重新檢查了構成時鐘振蕩回路的電阻和電容的回路常數，修正到最佳值，監控/預防犯罪用攝像頭就能正常工作了。「發生這個問題是因為缺乏溝通。我誤以為導師給我的時鐘振蕩回路是有實際應用業績的，于是直接拿來就這么用了，這才導致了問題發生。但經歷過這些問題也得到了意想不到的收獲。為了找到問題原因我用示波器多次觀察I2C信號，于是對I2C信號了解了更多。」
為什么它不工作呢？實際上宇野自己設計了連接Smart Module的MIPI輸入和串行IC的MIPI輸出的轉換板，并委托外部公司制造。也許是他的設計有錯誤；但仔細檢查后沒發現有什么錯誤。接下來懷疑的是從Smart Module發送過來的控制監控攝像頭的I2C信號，可能信號沒有送達或者不正確。于是用示波器仔細檢查了I2C信號的波形，結果發現I2C信號并沒有問題。
已經想不到其他可能導致問題的原因了，所以決定再次檢查全部內容；然后發現有些回路的設計意圖無法確認。它是相機的時鐘振蕩回路，這是OJT導師給他作為參考的回路。仔細檢查這個時鐘振蕩回路后，發現低通濾波器的截斷頻率太低，切斷了時鐘信號。也就是說無法給相機提供時鐘信號，這樣當然無法工作。所以重新檢查了構成時鐘振蕩回路的電阻和電容的回路常數，修正到最佳值，監控/預防犯罪用攝像頭就能正常工作了。「發生這個問題是因為缺乏溝通。我誤以為導師給我的時鐘振蕩回路是有實際應用業績的，于是直接拿來就這么用了，這才導致了問題發生。但經歷過這些問題也得到了意想不到的收獲。為了找到問題原因我用示波器多次觀察I2C信號，于是對I2C信號了解了更多。」
顯示器壞了么？
將顯示器連接到Smart Module并檢查影響是否可以正常顯示時，結果根本無法顯示任何影像。檢查了一下顯示器，顯示器似乎壞了。為什么壞了呢？找不到原因。
所以他重新檢查了從Smart Module到顯示器的設計。然后意想不到的事發生了：在檢查Smart Module時，發現在數據圖表中寫著「NC（No Connect）」的信號端子卻輸出了大約1V的電壓。一般來說，NC端子的意思是「沒有沖壓連接到封裝內部」的意思。也就是說它在電力上是浮動的，可以連接到地面。但NC端子這種說法有時也意味著「不能連接到外部」。也就是說在Smart Module上它似乎使用的是后者的定義。因此，通過物理斷開NC端子使其無法連接地面后，就能在顯示器上正常顯影了。
在排除了上述兩個問題后，硬件開發在9月中旬全部完成（圖3）。
其實八月中旬大部分的事情都已告一段落。但顯示器卻遲遲未能到手，也就是說實際是等了一段時間的。利用這段時間宇野開始開發APP。事實上這是宇野第一次開發APP，但他邊研讀了好幾本教科書邊進行開發，最后在1個月不到的時間內完成了所有APP的開發。也就是說所有開發都如期在9月中旬完成了，并且結果比預期要來得好。
所以他重新檢查了從Smart Module到顯示器的設計。然后意想不到的事發生了：在檢查Smart Module時，發現在數據圖表中寫著「NC（No Connect）」的信號端子卻輸出了大約1V的電壓。一般來說，NC端子的意思是「沒有沖壓連接到封裝內部」的意思。也就是說它在電力上是浮動的，可以連接到地面。但NC端子這種說法有時也意味著「不能連接到外部」。也就是說在Smart Module上它似乎使用的是后者的定義。因此，通過物理斷開NC端子使其無法連接地面后，就能在顯示器上正常顯影了。
在排除了上述兩個問題后，硬件開發在9月中旬全部完成（圖3）。
圖３ 為「智能手機化自動售貨機」開發的內部系統
其實八月中旬大部分的事情都已告一段落。但顯示器卻遲遲未能到手，也就是說實際是等了一段時間的。利用這段時間宇野開始開發APP。事實上這是宇野第一次開發APP，但他邊研讀了好幾本教科書邊進行開發，最后在1個月不到的時間內完成了所有APP的開發。也就是說所有開發都如期在9月中旬完成了，并且結果比預期要來得好。
朝著夢想進發
在2023年10月底舉行的展覽會上，宇野忙著在他開發的「智能手機化的自動售貨機」（圖4）前向參觀者進行說明。
參觀者們有著濃厚的興趣。「不僅是自動售貨機，包括便利店和超市使用的自助結賬機（POS終端）也連接了監控攝像頭，越來越智能手機化。這一趨勢正在受到高度關注。」
宇野的在職訓練于10月底結束，11月1日開始在所屬部門工作。該部分將負責IC開發/設計，他加入公司時的愿望實現了。在那里，他將從頭開始學習IC開發/設計，他還有更遠大的夢想。「有一天我想成為主導IC整體的開發/設計的工程師，想為世界設計出更多能讓全球更多人使用的IC。」
以上
圖4 「智能手機化自動售貨機」
參觀者們有著濃厚的興趣。「不僅是自動售貨機，包括便利店和超市使用的自助結賬機（POS終端）也連接了監控攝像頭，越來越智能手機化。這一趨勢正在受到高度關注。」
宇野的在職訓練于10月底結束，11月1日開始在所屬部門工作。該部分將負責IC開發/設計，他加入公司時的愿望實現了。在那里，他將從頭開始學習IC開發/設計，他還有更遠大的夢想。「有一天我想成為主導IC整體的開發/設計的工程師，想為世界設計出更多能讓全球更多人使用的IC。」
以上
