無線實時的QQVGA視頻和拍攝系統(tǒng)設(shè)計

摘要  提出一種實用性較強的數(shù)字無線實時視頻通信和拍攝系統(tǒng)。該系統(tǒng)兼顧了高速與低功耗，能在2．4 GHzISM頻段傳輸實時的QQVGA視頻信號和1．3M像素的圖像數(shù)據(jù)；擴展性好，有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞 實時 QQVGA拍攝系統(tǒng) 無線視頻 nRF24L01 DSP

引 言
    目前，無線射頻芯片多數(shù)應(yīng)用于傳輸控制信號或靜態(tài)圖像．?dāng)?shù)據(jù)吞吐量不大，一般情況下未能充分發(fā)揮射頻芯片所具有的高數(shù)據(jù)傳輸率的特點。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的提高，出現(xiàn)了具備Mbps級的空中數(shù)據(jù)傳輸率且功耗很低的射頻芯片，使連續(xù)傳送多幅圖像成為町能。另外，無線通信技術(shù)發(fā)展迅速，人們不再滿足于實現(xiàn)音頻和圖像的無線傳輸，對無線視頻的要求也開始出現(xiàn)，因而，采用高速射頻芯片的視頻系統(tǒng)將是未來數(shù)字無線通信的一大熱點。

    對于數(shù)字視頻(實際上是每秒包含多幅圖像)，國際上已經(jīng)制定了各種顯示標(biāo)準(zhǔn)，如QCIF(176×144)、QQVGA(160×120)、QVGA(320×240)、CTF(352×288)、VGA(640×480)、SXGA(1 280×1 024)等。目前，高分辨率視頻的無線傳輸在技術(shù)上還不現(xiàn)實，也沒有必要，因為高分辨率意味著大面積的顯示材質(zhì)，通常在便攜式無線通信設(shè)備中只要求達(dá)到一定的顯示面積即可，所以低分辨率的QCIF和QQVGA在可拍照手機、數(shù)碼相機、PDA等設(shè)備中最為流行。

    本無線系統(tǒng)正是基于高速率射頻芯片的視頻通信系統(tǒng)，且具備即時拍攝功能；在視頻(連續(xù))模式下采用QQVGA的分辨率傳輸視頻數(shù)據(jù)，為160×120(@13fps)，基本上能達(dá)到實時視頻的日的。在實際應(yīng)用中，用戶可以在接收端的LCD中觀看(遠(yuǎn)處的)發(fā)送端附近的景物。當(dāng)見到感興趣的景物時，按下按鈕稍等片刻，即可得到1．3M像素的圖像，方便實用。為簡化設(shè)計，該系統(tǒng)只用了8位色深和RGB的數(shù)據(jù)格式，且未采用CCD攝像芯片，也未使用FPGA芯片進(jìn)行邏輯控制，節(jié)省了成本。

    下面著重講述以TMS320VC5402 DSP為控制核心的無線視頻通信系統(tǒng)，詳細(xì)描述DSP與攝像芯片以及DSP與射頻芯片這兩大部分的接口設(shè)計，分析設(shè)計中的要點，最后給出部分DSP匯編代碼。

1 無線實時視頻系統(tǒng)的組成與工作原理
1．1 OV9640攝像芯片簡介
    OV9640是美國OmniVision公司推出的高性能CM0S圖像傳感器芯片．支持130萬像素的圖像拍照和多種分辨率，包括l280×960、VGA、QQVGA、CIF、QCIF等及多種數(shù)據(jù)輸出格式，如Raw RGB、YUV(4：2：2)、YcbCr(4：2：2)等；支持8位或16位數(shù)據(jù)輸出；通過SC-CB接口對其編程，可實現(xiàn)圖像處理的各種基本功能，譬如曝光控制、白平衡、色彩飽和、伽馬控制等；芯片電壓要求低，可應(yīng)用于嵌入式移動設(shè)備。

1．2 nRF24L01射頻芯片簡介
    nRF24L01是挪威Nordic公司的單片無線GFSK收發(fā)芯片，工作于2．4～2．5 GHz的ISM頻段，無線傳輸率最大為2Mbps，與MCU采用SPI接口進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳輸。相比其上一代產(chǎn)品nRF2401，nRF24LOl的性能更為優(yōu)越，功耗更低。它最多能支持6路數(shù)據(jù)通道，且每條通道均支持Enhanced ShockBurst(ESB)技術(shù)，具備自動應(yīng)糟(AACK)和自動重發(fā)(ART)功能，減輕了MCU的負(fù)擔(dān)，降低了無線數(shù)據(jù)的丟包率，提高了雙向傳輸?shù)男?。在開啟ESB的情況下，nRF24L0l發(fā)送完數(shù)據(jù)包后將自動切換到接收模式以等待對方的應(yīng)答．并會根據(jù)寄存器的設(shè)定來實施自動重發(fā)。

1．3 系統(tǒng)硬件電路
    硬件電路由發(fā)送(獲取)端和接收(存儲顯示)端兩大部分組成，通過高速RF芯片實現(xiàn)在2．4 GHz頻段的無線鏈接。發(fā)送端以TMS320VC5402 DSP作為控制核心，OV9610攝像頭芯片作為視頻(或圖像)獲取前端，AT29LV1024 Flash ROM作為DSP自舉程序存儲芯片，K4S161622H IMB容量的SDRAM作為程序運行空間以及視頻數(shù)據(jù)緩沖，視頻數(shù)據(jù)最終通過射頻芯片nRF24LOl發(fā)射出去；接收端的硬件結(jié)構(gòu)基本上與發(fā)送端一致，將前端的OV9640改換成后端的LCD顯示即可。整個系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．4 系統(tǒng)工作原理和流程
1.4.1 發(fā)送端工作于視頻流模式
    發(fā)送端由DSP作為核心控制芯片。DSP上電初始化，通過BootLoader把Flash ROM中的代碼加載到SDRAM中，實現(xiàn)系統(tǒng)的高速運行以加快數(shù)據(jù)的處理速度，并將HPI接口設(shè)定為通用I／O。然后，通過McBSPO緩沖串口將nRF24L0l設(shè)定為發(fā)送模式，把含有預(yù)定地址的數(shù)據(jù)包發(fā)送出占以檢測接收端，nRF24L01會自動切換到等待應(yīng)答信號的模式。若存在正確的接收端(地址相符)，則nRF24L01通過INTO中斷通知DSP，使DSP重新將nRF24L01設(shè)定為發(fā)送模式，并立即對OV9640初始化，通過McBSPl緩沖串口來實現(xiàn)SCCB總線，啟動攝像頭并設(shè)定為連續(xù)幀模式。此時的分辨率為標(biāo)準(zhǔn)QQVGA，即160×120(@8bit)，最后，DSP把從D[7：O]獲得的8位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行格式，通過SDRAM緩沖和McBSP0送給nRF24L01，將視頻數(shù)據(jù)發(fā)射出去。若沒有檢測到正確的接收端(沒有INTO中斷發(fā)生)，則DSP會一直等待INTO發(fā)生或直到用戶關(guān)閉電源。

1．4．2 發(fā)送端工作于拍攝模式
    在視頻流傳輸過程中，nRF24LOl可以同時監(jiān)聽空中信號并自動應(yīng)答。若收到來自接收端的拍照通知(按下按鈕)，則把OV9640設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)拍攝模式，分辨率為l280×960(@8bit)。然后，DSP將nRF24L01設(shè)定為發(fā)送模式，并將此時的幀數(shù)據(jù)發(fā)送出去。圖像數(shù)據(jù)發(fā)送完成并等到接收確認(rèn)信號后，系統(tǒng)將重新回到視頻流模式。若接收不成功，則nRF24LOl的自動重發(fā)功能將確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?BR>
1.4.3 接收端的工作流程
    接收端上電初始化的情況基本與發(fā)送端一致，但要將nRF2dL01(按預(yù)定地址)設(shè)定為接收模式以接收檢測信號。檢測到相符的地址后，nRF24L0l的自動應(yīng)答功能會發(fā)送應(yīng)答信號給發(fā)送端以確認(rèn)收到信號，此時雙方“握手”成功。接著，通過INTO中斷通知DSP，使得DSP重新將nRF24LOl設(shè)定為接收模式以接收來自發(fā)送端的連續(xù)視頻流，并且打開LCD模塊準(zhǔn)備顯示視頻。最后DSP通過SDRAM緩沖視頻流，送給LCD顯示(若LCD等其他后端模塊為并行接口，則需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成并行數(shù)據(jù)格式)。至此，系統(tǒng)已經(jīng)能實現(xiàn)實時視頻數(shù)據(jù)的無線傳輸，實時視頻流的分辨率為QQVGAl60×120(@13fps)。

    在視頻流的顯示過程中，若用戶按下拍照按鈕，則產(chǎn)生INTl中斷通知DSP，DSP會將nRF24LOl設(shè)定為發(fā)送模式并發(fā)送拍照通知信號。收到應(yīng)答信號后，nRP24L0l返回接收模式準(zhǔn)備接收圖像數(shù)據(jù)，接收完成后會自動發(fā)送確認(rèn)信號以表示圖像數(shù)據(jù)接收成功。最后，DSP將圖像數(shù)據(jù)交由后端模塊處理。至此．系統(tǒng)實現(xiàn)了圖像的無線拍攝功能，拍照效果為1280×960(@130萬像素)，基本上能滿足拍照要求。

    視頻系統(tǒng)接收端和發(fā)送端的工作流程如圖2所示。

2 DSP的接口設(shè)計
2.1 DSP與OV9640的接口設(shè)計
    該芯片使用OmniVision公司自主開發(fā)的SCCB總線進(jìn)行控制，使用三線連接。其中SCCB_E為串口允許／禁止信號線，SIO_C和SIO_D分別為串口時鐘線和數(shù)據(jù)線。系統(tǒng)中僅對OV9640進(jìn)行控制而不需要獲知其狀態(tài)，采用DSP的McBSPO端口進(jìn)行連接，其中HD3用于打開串口，BCLKX0和HDX0分別用于發(fā)送時鐘信號和控制數(shù)據(jù)。具體的硬件連線如圖3所示。

    值得注意的是：
    ①使用DSP的HPI接口連接OV9640時，為了獲得場頻、行頻和8位視頻輸出等信號，DSP的HPIENA引腳必須下拉，使得HD[7：0]能配置為通用I／o接口，才能實現(xiàn)對OV9640的啟?；蚬ぷ髂Ｊ娇刂?。
    ②通過修改OV9640的寄存器COMC，將輸出大小設(shè)定為1280×960或者QQVGA。
    ③修改寄存器COMH，將輸出格式設(shè)定為8位的RGB格式，并設(shè)定為Master方式。
    ④FREX為連續(xù)幀模式的允許／禁止信號，但默認(rèn)為禁止。應(yīng)配置DSP的HD4引腳，將其電平拉高，然后再用HD3將EXPSTB引腳置高以實現(xiàn)連續(xù)幀的數(shù)據(jù)輸出；將FREX置低即可返回到(單幀)拍攝模式。
    ⑤計算數(shù)據(jù)傳輸率。該芯片輸出并行8位圖像信號以及場頻、行頻同步信號，視頻中的l幀圖像(160×120)的大小是：
    160×120×8=153600位/幀
    如果以nRF24L01最大的發(fā)送速度2Mbps計算，則每秒可發(fā)送
    2000000/153600≈13幀
    即本系統(tǒng)能以160×120(@13 fps)的速度傳輸視頻信號。
    ⑥輸出數(shù)據(jù)的并一串轉(zhuǎn)換。
    OV9640輸出8位并行數(shù)據(jù)，而nRF24L01為串行接口,因而需要將并行數(shù)據(jù)串行化。8位并行數(shù)據(jù)格式為HREF、Bll、G2l、B22、G12……，HREF、G21、R22、G23、R24……。通過編程約定發(fā)送端與接收端的時序，可將從HD[2：0]得到的PCLK、HREF和VSYNC信號略去而無須計入無線傳輸之列。所以串行化時，將每次從D[7：O]讀入的8位數(shù)據(jù)由高位到低位依次按順序放進(jìn)SDRAM緩沖中，再傳給nRF24LOl發(fā)送出去即可。

2．2 DSP與nRF24L01的接口設(shè)計
2.2.1 設(shè)計要點
    DSP使用McBSPl與該芯片直接連接。其中CSN為SPI片選引腳，低電平有效，用DSP的XF引腳與CSN引腳連接；CE為收發(fā)模式選擇引腳，用HD7進(jìn)行高低電平控制。其他引腳的連線如圖3所示。在編程時需要注意：
    ①每次通過SPI向nRF24L01發(fā)送指令前，必須使CSN得到一次由高到低的電平跳
變，即每次執(zhí)行指令后，都要將CSN置高才能繼續(xù)發(fā)送下一條指令。
    ②nRF24L01的SPI為下降沿鎖存數(shù)據(jù)，故應(yīng)將McBSPl配置成“有延時的下降沿”。
    ③IRQ引腳為低電平有效，每次產(chǎn)生到DSP的中斷必須寫“l(fā)”來清除。
    ④若發(fā)送端需要接收應(yīng)答，則應(yīng)當(dāng)配置數(shù)據(jù)通道O來接收應(yīng)答信號，且接收地址(RX_ADDR_PO)應(yīng)當(dāng)與發(fā)送地址(TX_ADDR)一致。
    ⑤芯片必須經(jīng)過Standby模式才能進(jìn)入TX或RX模式，故在TX和RX模式之間切換時應(yīng)先將CE拉低以進(jìn)入Standby模式。
    ⑥寫寄存器的指令只能在Powerdown或Standby模式下執(zhí)行，故在修改寄存器值前也應(yīng)當(dāng)將CE拉低。
    ⑦以下的2．2．2和2．2．3均未開啟AACK和ART功能。因為系統(tǒng)在連續(xù)視頻流方式運行時，只要求得到高數(shù)據(jù)傳輸率以滿足實時性，而并不需要糾錯重發(fā)。但在拍攝方式下，則應(yīng)該打開這兩項功能，以確保圖像數(shù)據(jù)的完整性。

2.2.2 ESB發(fā)送數(shù)據(jù)
    ①將配置位PRIM_RX置低；
    ②保持CSN為低電平，送入接收端的地址(TX_ADDR)和數(shù)據(jù)(TX_PLD)；
    ③將CE置高，開啟數(shù)據(jù)發(fā)送； 
    ④數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，產(chǎn)生TX_DS中斷；
    ⑤CE置低，可進(jìn)入Standby模式。

2.2.3 ESB接收數(shù)據(jù)
    ①配置位PRIM_RX置高，CE置高，則130μs后，nRF24L01開始監(jiān)聽空中信號；
    ②收到合法的數(shù)據(jù)包后RX_DR產(chǎn)生中斷；
    ③狀態(tài)寄存器中的RX_P_NO記錄所接收的數(shù)據(jù)通道；
    ④CE置低可進(jìn)入Standby模式；
    ⑤MCU通過SPI得到數(shù)據(jù)。

2.2.4 部分程序示例
(1)寫nRF24L01寄存器

(2)讀nRF24L01寄存器

(3)初始化nRF24L01(示倒)
    在(1)和(2)中定義了寄存器存取指令，即可用“寫”指令對該芯片進(jìn)行初始化。

(4)發(fā)送數(shù)據(jù)
    假設(shè)在(3)中已經(jīng)將數(shù)據(jù)寬度定為32字節(jié)，則W_TX_PAYLOAD．macro tx_start_byte

(5)接收數(shù)據(jù)
    同樣假設(shè)在(3)中已經(jīng)將數(shù)據(jù)寬度定為32字節(jié)，則R_RX_PAYLOAD．macro rx_start_byte

結(jié)語
    以DSP為核心的無線通信系統(tǒng)，在硬件上采用了高速低功耗的無線射頻芯片nRF24L01、高性能的TMS320VC5402數(shù)字信號處理芯片以及多功能的攝像芯片OV9640，使其能夠?qū)崿F(xiàn)強大的視頻通信功能，并且在軟件層次上優(yōu)化設(shè)計，以縮短等待延遲和降低功耗。本系統(tǒng)的擴展性很強，例如，加裝語音編解碼芯片即可實現(xiàn)無線音頻和視頻的同步傳輸；加裝視頻壓縮芯片可以提高幀速率；同時使用兩片(或兩片以上)的無線收發(fā)芯片能實現(xiàn)全雙工，更能提高空中數(shù)據(jù)傳輸率；改用高分辨率的攝像芯片即可獲得更優(yōu)質(zhì)的視頻和圖像效果等，但也提高了硬件連線和軟件設(shè)計的難度。

    總之，無線視頻和無線圖像通信是未來無線領(lǐng)域的重點發(fā)展方向。本設(shè)計實現(xiàn)
了在一定幀速率下的實時QQVGA視頻傳輸，對今后同類系統(tǒng)的設(shè)汁有一定的參考價值。