解析Rapsberry Pi的CSI-2、DSI介面

作者:陸向陽

Raspberry Pi上的CSI-2與DSI界面。

Raspberry Pi上的CSI-2與DSI界面。

許多Raspberry Pi的介紹或教學中,通常會說明已成業界標準的介面,如USB、HDMI等,或說明26-pin或40-pin的一般用途的I/O接腳,即GPIO(General Purpose Input/Output),但卻較少談論另外兩個介面的接腳,即CSI-2與DSI,其中CSI-2主要用來連接攝影機,而DSI多用來連接觸控LCD小螢幕。

這兩個介面若只當用來連接特定週邊裝置的介面,似乎有些可惜,但若想運用這兩個介面,則有必要對這兩個介面的接腳構成進行了解,以下將對此進行探究。

DSI電路圖

DSI電路圖

DSI

首先探究DSI(Display Serial Interface),在RPi揭露的電路圖中為S2(Socket 2),它由15個接腳組成,但實際上只有6個接腳是有訊號的,其餘多為地線(接地線)或火線(電源線),如接腳1、4、7、10、13均為接地,接腳14、15為電源(3.3V),11、12則為空接(也稱浮接)。

而有訊號的6個接腳,其實是兩兩成對,以差動電壓方式傳送訊號。所以,嚴格而論,6個接腳只有3個訊號,即Data0、Data1、Clock,Data0、Data1即是傳送資料,Clock則傳送時脈。

CSI-2電路圖

CSI-2電路圖

而CSI-2(Camera Serial Interface)方面,它在電路途中為S5(Socket 5),一樣是15個接腳,但組成稍稍比DSI複雜一點。

CSI-2的1、4、7、10接腳為接地,15接腳則為電源,CSI-2沒有空接的接腳。

CSI-2一樣有2組差動式傳輸的訊號線路,也一樣有1組差動式傳輸的時脈線路,但除此之外,還有一組I2C介面線路,即SCL、SDA接腳,CL即Clock時脈之意,DA即Data資料之意。

另外還有一個GPIO接腳,與一個CLK接腳。

要進一步說明的是,CSI-2用的介面傳輸標準與線路電氣特性,其實是遵循MIPI機構所制訂的CSI-2介面,而目前最新的標準的已到CSI-3。

CSI-2中的D-PHY實體介面

CSI-2中的D-PHY實體介面

更具體而言,是用CSI-2中的D-PHY實體介面,這個介面需要一組I2C介面(僅以400kHz頻率運作)、一組差動時脈訊號,以及一組(含一組)以上的資料訊號。

所以,Raspberry Pi中的CSI-2介面,除了合乎CSI-2介面標準外,還配置了2個額外訊號,即前述的GPIO與CLK。

不過,筆者看了其他也採CSI-2介面的晶片或設計,確實許多也是在合乎CSI-2標準後,又自行額外添加訊號線路,看來這種作法是常態。

最後,各位可能會疑惑,為何DSI與CSI-2介面的接地線路都是1、4、7、10等接腳?這其實是為了讓訊號品質好,讓兩兩一組的線路之間,放入接地線路,可以抑制相鄰線路的串音干擾(Crosstalk),使訊號更清晰,更利於高速傳輸,此設計是別有用心的,不是隨興而為的。

另外各位可能會有小疑問,為何3.3V電源線路與接地間有一個100nF的電容?這其實也是為了穩定之用,有這個電容,可以把電源中較小的電壓準位擺盪情形給消除掉,使供電更穩定,若不是很講究電路系統運作的穩定性,事實上可以不要接上100nF電容,依然可以運作。

至於I2C介面上的1.6k歐姆電阻,稱為外部提升電阻(External Pull-Up Resistor),電阻的阻值要視晶片的Datasheet與電壓值,甚至運作時脈等而定,外部提升電阻可以讓接腳在不導通時呈現高電位(Hi),在導通呈現低電位(Lo),有關接腳的電氣特性方面,有機會再加以詳述。

陸向陽

Author: 陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。

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18 Comments

  1. 你好
    謝謝你的文章,網路上很少看見在討論這兩種介面的文章,受益良多
    我想請問,依您來看是否CSI-2和DSI的軟排線是否通用呢

    因為最近在使用官方的觸控螢幕
    因此有此疑問!

    謝謝

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  2. 請問目前raspberry pi所提供的mipi dsi最高可支援到1080p@30fps或1080p@60fps嗎?

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    • Alex您好:

      我查了一下,沒有太多關於DSI介面最高解析度、畫面更新率的資料,且樹莓派官方的觸控螢幕只支援800×480,所以保守點看待是沒有,若要1080p解析度,建議還是從HDMI介面取得比較好。

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  3. 想請問一下,目前Raspberry pi最高的mipi dsi影像規格是否可支援到1080p@30fps或是1080p@60fps呢?謝謝。

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    • Alex您好:

      哈!這應該是重複留言,請看上一則回覆。

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  4. 你好 想請問一下
    像這種MIPI – DSI CSI 高速訊號
    為什麼跟其他的高速訊號比起來 (e.g. PCIe or SATA)
    MIPI則不需要串接ac coupling 電容呢?

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    • Cass您好:

      我可能要看一下電路,以及獲得訊號採行何種傳輸,才能回答,稍微不巧的,MIPI、SATA、PCIe這三種介面,都是要加入產業聯盟的企業會員,才能取得電氣信號的,如果網路上有簡單提及自是最好,其實不單是電容,很多介面還需要終端電阻,用來吸收剩餘的信號傳輸能量,不同介面也有不同的規範與設計唷!

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  5. 您好 請問一下,是否只要符合MIPI CSI 規範的camera 就可以與pi 對接
    會不會有 connector 不相容或是 需要轉版的問題

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    • 源源您好:

      我過往研究的印象,MIPI 只有制訂線路跟協定,沒有制訂連接器標準,理論上,只要合乎 MIPI 標準的攝影機,您只要知道線路的對應,還是可以連接的,但是連接器應該是與 RPi 自己訂立的連接器,沒辦法直接接上,除非該業者已經標榜,他的攝影機連接器已經相容 RPi 的設計。

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  6. 請教一下,如果我想樹莓派上的CSI-2這個接口,連出2個相機,並能切換任意一個相機的視頻,是不是把CSI-2的線中,數據傳送的PIN,切換一下;其他的PIN都連在相對應的PIN上,這樣是否可以?

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    • 嗨嗨!ShawnShawn您好:

      可能可以,可以實際試試看,但必須考慮兩點,一是接腳(pin)的fan-out能力,如果一個接腳的輸出,無法正常驅動兩個接腳的輸入,電壓準位(大陸稱為電平、平準、位準)跌落,無法保持信號品質,就無法實現。

      另一個是要檢視傳輸協定,若協定內容沒有是state-less,沒有狀態記憶持留的話,那就可以任意切換兩個視訊(視頻)來源。

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  7. 您好,請教您一個問題,如何將TFT螢幕排線轉接成DSI的排線?有的話哪裡有賣或是可以自製?

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    • 嗨嗨!Maker您好!

      其實RPi官方網站有在賣7吋的TFT觸控螢幕,專門給RPi連接的,網址在此:https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-touch-display/

      除非您是希望自己動手做或自動動手實驗,才自己去買來兜。電料行可以試看看是否有賣,自製就再加高難度。

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  8. 您好 請問一下,CSI-2 CAMERA 接口為 2LANE ,我要自行開發 AR0835HS 8M SENSOR 4LANE,這樣CSI-2 要如何對應連接呢.

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    • JS您好:

      由於樹莓派電腦只有提供2個Lane,所以可能無法連接4個Lane影像輸出的攝影機,可能需要一些轉接的晶片或電路,將4-Lane轉成2-Lane,但即便可行,也可能會有傳輸率、影像流暢度等問題。

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  9. 請問把相機CSI 直接對接到DSI顯示器 LANE數都一樣
    會直接顯示嗎

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    • 於兄您好:

      確實都是兩個 Lane,不過我沒有試過直接對接能否直接顯示,或許可以嘗試看看。

      然而必須考慮一下 Fanout,因為是使用 LVDS 傳輸,能否將 CSI 取得的信號同時傳向三處,一是本來 RPi 晶片的 CSI 輸入,二是 DSI 輸出,三是 RPi 晶片對 DSI 的輸出。信號有可能因為同時傳向三處而能量衰減,導致信號不達標準。

      另外對 RPi 晶片的 DSI 輸出腳位而言,這樣的反向輸出是否會影響運作也必須考慮。最好還是透過 RPi 晶片正常進出,或想辦法斷絕 RPi 的 CSI 輸入線路與 DSI 輸出線路,再來讓 CSI 直接連接 DSI,會比較好。

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