數字無線視頻(pín)通信系統的設計(jì)
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發布日期：2008-08-29 22:02:43
文章标簽 ：數字無線視頻(pín)通信系統的設計(jì)
摘要
數字無線視頻(pín)通信系統的設計(jì)
數字無線視頻(pín)通信系統的設計(jì)
來源：單片機及嵌入式系統應用 作者：王盡秋
摘要 ：介紹一種用於家庭可視門鈴的無線視頻通信系統。該系統将數字攝像頭採集的圖像數據經過濾波、放大等處理 ，調制到2.4GHz的載波上 ，由無線收發模塊發射擊去；接收端将該視頻數據解調還原，並傳送到顯示模塊，在LCD顯示出來。
關鍵詞 ：nRF2401 無線視頻信号 AT89C52 攝像頭7260
目前，國内安裝的可視門鈴多數是有線的，或是通過類似於電視系統的調幅或調頻方式來發送圖像的。出於成本的考慮，這些可視門鈴系統傳輸距離受限制，信号質量不高，抗幹擾性差。随著用戶要求的提高，尤其是在大型别墅中 ，門鈴和圖像接收端相距較遠，這就需要将有線變爲無線，模拟信号調幅或調頻無線傳輸變爲數字信号調制（FSK，QFSK，GFSK）無線傳輸。FSK（Frequency Shift Keying）即鍵控頻移，QFSK（Quadrature Frequency Shift Keying）即正交鍵控頻移，GFSK（Guassian Frequency Shift Keying）即高斯鍵控頻移 。通過系統的數字化，圖像信号質量得到提高，抗幹擾性得到大大加強；同時，整個系統的體積相比其它的傳輸方式将會減小很多，因此，具有廣泛的商業應用價值和發展前景。
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由於我們的系統用於别墅單用戶的可視門鈴 ，因此對圖像的連續性要求不高。設想一直，在戶主聽到門鈴響，再到門口查看監視器的畫面少需要3s。隻需要傳輸1幀圖像到監視終端，讓戶主看到來訪者是誰就可以瞭。因此由於成本的原因，我們會把採集到的圖像直接傳輸出去而中間不會加上昂貴的圖像壓縮解壓縮芯片。
整個數字無線視頻通信系統主要由三個模塊構成：圖像採集模塊、數據傳輸模塊、圖像接收顯示模塊，如圖1所示。
1 圖像採集模塊
該模塊的硬件框圖如圖2所示 。
攝像頭7620是256色30萬像素的CMOS攝像頭 。它輸出並行16位圖像信号，包括8位的色度信号 、8位的亮度信号以及場同步與行同步信号 。1幀圖像（640×480）的尺寸是640×480×16=4 915 200（位）
如果以RF發送模塊nRF2401的大速度1Mbps來計算 ，發送1幀圖像所要的時間爲
4 915 200/1 000 000=4.9152(s)
這顯然太長瞭。不過，7620還有一種工作模式就是，通過降低分辨率來減少圖像尺寸。這種模式提供瞭320×240的圖像 。這樣，圖像數據不到3s就可以到達接收端 ，滿足可視門鈴的要求。
8位色度信号 、8位亮度信号以及場同步與行同步信号先通過FPGA緩存到RAM，同時轉換爲異步串行數據，通過RF模塊發送。圖3是7620的工作時序 。
圖3中，Y信号是8位亮度信号 ，UV是8位色度信号 。VSYNC是場同步信号，HREF是行同步信号。
FPGA的工作是完成圖像數據的緩存控制以及啓動RF模塊發送圖像數據 。這裏 ，採用Altera公司的EPF6016。它是一顆16000門的FPGA。圖4爲FPGA與攝像頭7260、MCU以及RF模塊的連接示意圖。
圖4中 ，U1爲EPF6016ATC100，J1是FPGA與攝像頭7260的連接插座 。Y、UV、VSYNC和HREF的定義如前，READY是MCU對FPGA的控制信号，DATA是FPGA與RF模塊之間的串行數據線。
當用戶按下門鈴，MCU收到命令開啓照明燈，同時初始化攝像頭7260，並發送READY信号給FPGA，通知其準備接收圖像信号 。由7260的工作時序可以看到 ，當攝像頭採集到一幀圖像後 ，VSYNC便發送1個高電平，FPGA準備接收信号。1幀圖像由很多行組成。這些行在場同步信号VSYNC的兩個高電平之間傳送。而每一行的信号傳輸現時由HREF同步。當HREF的上升沿來到後 ，FPGA開始接收圖像數據。在PCLK的上升沿，每一行的圖像數據通過Y口和UV口送出 ，從時序圖可以看到1行包括640個點 。
FPGA需要将收到的圖像緩(huǎn)存到512KB的RAM，需要有20位的地址信号線和8位的數據(jù)信号線。
FPGA採(cǎi)集到的圖像信号是並(bìng)長的數字信号 。要将這些信号發射出去，還需要轉化爲異步串行數據 ，這個工作由FPGA來完成。我們所規定的異步串行通信協議和通用的RS232協議類似：
沒有信号時，DATA線爲高電平；要傳送數據的時候，先發送1個低電平脈沖(chōng)（起始位），緊接著(zhe)2個字節的數據（Y[7：0]，UV[7：0]，然後再發送1個高電平脈沖(chōng)（停止位）。1幀有效的串行數據就由這幾部分構成 。
微控制器MCU主要完成以下幾(jǐ)個(gè)任務：
①初始化數(shù)字攝(shè)像頭7620；
②控制其它外設，接收和處(chù)理鍵盤命令，控制照明設備(bèi)的開啓等；
③與FPGA協同工作，並提供人機接口 。
MCU採用常用的AT89C52。圖像採集模塊的工作流程如圖5所示 。
2 圖像傳輸模塊
圖像傳輸模塊（RF module）由一塊單片無線收發芯片nRF2401完成。NRF2401工作在2.4～2.5G ISM頻帶 ，集成瞭(le)頻率綜合器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器。由於(yú)nRF902使用瞭(le)晶體振蕩器和穩定的頻率合成器，因此頻率漂移很低。電源電壓範圍爲2.4～3.6～，輸出功率爲10dBm，電流消耗僅9mA。輸出功率和頻偏可通過外接電阻進行編程。輸出信号爲調制的GFSK（高斯鍵控頻率信号），很容易通過8線串行I/O口進行收發。圖6爲nRF2401在無線通信中擴展的外圍電路。
通過PWR-UP、CE、CS引腳的選擇，nRF2401可以工作在激活/等待/節能模式。這裏，使nRF2401工作在激活的突發脈沖（shock burst）模式 。該模式使用片上FIFO。在不使用MCU控制數據操作情況下，能以極低的功耗運行數字部分而又以極快的速度（高爲1Mbps）傳輸數據，從而大大減少瞭電流消耗，降低瞭系統成本並且減少瞭傳輸時的“空中沖突”冒險 。
FPGA送來的異步串行數據經過nRF2401内部的RF帶通濾波、低噪聲放大、頻率綜合和脈沖(chōng)放大，被調制成2.4GHz上的GFSK信号 ，完成圖像信号的傳(chuán)輸。
3 圖像接收顯示模塊
圖像接收顯示模塊(kuài)主要由三部分組成 ：圖像接收、圖像轉換(huàn)和暫存、圖像顯示。如圖7所示。
（1）圖像接收
圖像接收部分也是由無線收發芯片nRF2401完成。nRF2401可以同時發射1組 、接收2組信号。在突發脈沖模式下 ，将RX和CE置高 ，200μs的建立時間後，nRF2401開始監測空中，接收到有效的數據包後解調爲原來的數字信号，送以端頭、地址和CRC位，MCU發出中斷命令，DR1拉高。MCU也可以置CE爲低來中止RF字的接收，同時爲載入數據輸出适當頻率的時鍾。當所有的數據載入後，将DR1拉低，準備接收下一個數據包。
（2）圖(tú)像轉換(huàn)和暫存
nRF2401傳輸給FPGA的異步串行數據，經過FPGA轉換爲並行數據並暫存到緩沖區（512KB的外部RAM），收到MCU的命令後将RAM内部的數據送到LCD顯示。當整幅圖像都被接收以後，FPGA将存儲的視頻發送到LCD控制器SED1353。出於安全性的考慮，系統同時還外挂有2MB的内存事保存視頻曆史記錄。圖像轉換和暫存的過程，其實是前面圖像採集的逆過程。接收部分FPGA的設計與發送部分類似，這裏不再詳述。
（3）圖像顯示
圖像顯示由LCD控制器SED1353和LCD顯示模塊MCT-G320240DNCW-15N組成。SED1353是一種點陣LCD控制器，支持的分辨率高達(dá)1024×1024（單色顯示），能同多種微控制器接口。圖8爲SED1353與LCD顯示模塊和MCU等設備(bèi)的連接圖。
SED1353的控制信号和圖像顯示的地址信号由MCU提供。FPGA從RAM獲得待顯示的圖像數據，得到MCU命令後将數據傳送到SED1353，由它将一幅圖像的數據暫存緩存到存儲器。當戶主按下應答鍵，MCU傳達顯示命令，SED1353就從存儲器取出數據傳送給LCD，戶主就能見到來訪者瞭。
4 印制闆設計要點
爲瞭獲得好的射頻性能，印制闆（PCB）的設計是非常重要的。發射和接收端電路使用兩層的PCB闆，窗餘部分大面積連續接地（在天線底下不應有接地面）。設計時，應使用高性能的射頻電容（大容量電容與小容量電容並聯）來緊密地靠近VDD端，以完成DC電源去耦。電源電壓也應在濾波後，從電源分别發送到各數字電路。所有器件地、VDD連接 、VDD旁路電容都必須盡可能地靠近芯片。數字信号和控制信号通道不能靠近晶振和XTAL端。
