数字无线视频通信系统的设计.DOC

1、数字无线视频通信系统的设计 摘 要： 介绍一种用于 家庭可视门 铃的无线 视频通信系 统。该 系统将数 字 摄 像 头采集的 图像数据 经过滤波、 放大等处理 ，调制到 2.4GHz 的 载 波 上，由 无线收发模 块发射击 去；接收端 将该视频数据解调还 原 ， 并 传送到显 示模块， 在 LCD 显示 出来。 关 键 词 ： nRF2401 无线视频信号 AT89C52 摄像头 7260 目 前 ， 国 内 安 装 的 可 视 门 铃 多 数 是 有 线 的 ， 或 是 通 过 类 似 于 电 视 系 统 的 调 幅 或调 频 方 式 来 发 送 图 像 的 。 出 于 成 本 的 考 虑

2、 ， 这 些 可 视 门 铃 系 统 传 输 距 离 受 限 制 ， 信号 质 量 不 高 ， 抗 干 扰 性 差 。 随 着 用 户 要 求 的 提 高 ， 尤 其 是 在 大 型 别 墅 中 ， 门 铃 和 图像 接 收 端 相 距 较 远 ， 这 就 需 要 将 有 线 变 为 无 线 ， 模 拟 信 号 调 幅 或 调 频 无 线 传 输 变 为数 字 信 号 调 制 （ FSK， QFSK， GFSK） 无 线 传 输 。 FSK（ Frequency Shift Keying）即键控频移， QFSK（ Quadrature Frequency Shift Keying） 即 正 交

3、 键 控 频 移 ， GFSK（ Guassian Frequency Shift Keying）即 高 斯 键 控 频 移 。通 过 系 统 的 数 字 化 ，图 像信 号 质 量 得 到 提 高 ， 抗 干 扰 性 得 到 大 大 加 强 ； 同 时 ， 整 个 系 统 的 体 积 相 比 其 它 的 传输 方 式 将 会 减 小 很 多 ， 因 此 ， 具 有 广 泛 的 商 业 应 用 价 值 和 发 展 前 景 。 由 于 我 们 的 系 统 用 于 别 墅 单 用 户 的 可 视 门 铃 ，因 此 对 图 像 的 连 续 性 要 求 不 高 。设 想 一 直 ， 在 户 主 听 到

4、 门 铃 响 ， 再 到 门 口 查 看 监 视 器 的 画 面 最 少 需 要 3s。 只 需 要 传输 1 帧 图 像 到 监 视 终 端 ， 让 户 主 看 到 来 访 者 是 谁 就 可 以 了 。 因 此 由 于 成 本 的 原 因 ，我们会把采 集 到 的 图 像 直 接 传 输 出 去 而 中 间 不 会 加 上 昂 贵 的 图 像 压 缩 解 压 缩 芯 片 。 整 个 数 字 无 线 视 频 通 信 系 统 主 要 由 三 个 模 块 构 成 ： 图 像 采 集 模 块 、 数 据 传 输 模块 、 图 像 接 收 显 示 模 块 ， 如 图 1 所示。 1 图 像 采 集

5、模 块 该 模 块 的 硬 件 框 图 如 图 2 所 示 。 摄像头 7620 是 256 色 30万 像 素 的 CMOS 摄 像 头 。 它 输 出 并 行 16 位 图 像 信 号 ，包括 8 位 的 色 度 信 号 、 8 位 的 亮 度 信 号 以 及 场 同 步 与 行 同 步 信 号 。 1 帧图像（ 640480） 的 尺 寸 是 64048016=4 915 200 （位） 如果以 RF 发送模块 nRF2401 的 最 大 速 度 1Mbps 来 计 算 ，发 送 1 帧 图 像 所 要 的 时间为 4 915 200/1 000 000=4.9152(s) 这 显 然

6、太 长 了 。 不 过 ， 7620 还 有 一 种 工 作 模 式 就 是 ， 通 过 降 低 分 辨 率 来 减 少 图像 尺 寸 。这 种 模 式 提 供 了 320240 的 图 像 。这 样 ，图 像 数 据 不 到 3s 就 可 以 到 达 接 收端 ， 满 足 可 视 门 铃 的 要 求 。 图 3 8 位 色 度 信 号 、 8 位 亮 度 信 号 以 及 场 同 步 与 行 同 步 信 号 先 通 过 FPGA 缓存到RAM， 同 时 转 换 为 异 步 串 行 数 据 ， 通 过 RF 模 块 发 送 。 图 3 是 7620 的 工 作 时 序 。 图 3 中， Y 信

7、号 是 8 位 亮 度 信 号 ， UV 是 8 位 色 度 信 号 。 VSYNC 是 场 同 步 信 号 ， HREF 是 行 同 步 信 号 。 FPGA 的 工 作 是 完 成 图 像 数 据 的 缓 存 控 制 以 及 启 动 RF 模 块 发 送 图 像 数 据 。 这 里 ，采用 Altera 公司的 EPF6016。 它 是 一 颗 16000 门的 FPGA。图 4 为 FPGA 与 摄 像 头 7260、 MCU 以及 RF 模 块 的 连 接 示 意 图 。 图 4 中， U1 为 EPF6016ATC100， J1 是 FPGA 与 摄 像 头 7260 的 连 接 插

8、 座 。 Y、 UV、VSYNC 和 HREF 的 定 义 如 前 ， READY 是 MCU 对 FPGA 的 控 制 信 号 ， DATA 是 FPGA 与 RF模块 之 间 的 串 行 数 据 线 。 当 用 户 按 下 门 铃 ， MCU 收 到 命 令 开 启 照 明 灯 ， 同 时 初 始 化 摄 像 头 7260，并发送 READY 信号给 FPGA， 通 知 其 准 备 接 收 图 像 信 号 。 由 7260 的 工 作 时 序 可 以 看 到 ，当摄 像 头 采 集 到 一 帧 图 像 后 ， VSYNC 便 发 送 1 个高电平， FPGA 准 备 接 收 信 号 。 1

9、 帧 图 像 由 很 多 行 组 成 。这 些 行 在 场 同步信号 VSYNC 的 两 个 高 电 平 之 间 传 送 。 而 每 一 行 的 信 号传输现时由 HREF 同 步 。 当 HREF 的 上 升 沿 来 到 后 ， FPGA开 始 接 收 图 像 数 据 。在 PCLK 的 上 升 沿 ，每 一 行 的 图 像 数据通过 Y 口和 UV 口 送 出 ， 从 时 序 图 可 以 看 到 1 行包括 640 个点。 FPGA 需 要 将 收 到 的 图 像 缓 存 到 512KB 的 RAM，需要有 20 位 的 地 址 信 号 线 和 8 位 的 数 据 信 号 线 。 FPGA

10、 采 集 到 的 图 像 信 号 是 并 长 的 数 字 信 号 。 要 将 这些信 号 发 射 出 去 ， 还 需 要 转 化 为 异 步 串 行 数 据 ， 这 个 工作由 FPGA 来 完 成 。我 们 所 规 定 的 异 步 串 行 通 信 协 议 和 通用的 RS232 协 议 类 似 ： 没 有 信 号 时 ， DATA 线 为 高 电 平 ；要 传 送 数 据 的 时 候 ，先发送 1 个 低 电 平 脉 冲 （ 起 始 位 ） ， 紧 接 着 2 个 字 节 的数据（ Y7： 0， UV7： 0， 然 后 再 发 送 1 个 高 电 平 脉 冲 （ 停 止 位 ） 。 1 帧

11、有 效 的 串行 数 据 就 由 这 几 部 分 构 成 。 微控制器 MCU 主 要 完 成 以 下 几 个 任 务 ： 初 始 化 数 字 摄 像 头 7620； 控 制 其 它 外 设 ， 接 收 和 处 理 键 盘 命 令 ， 控 制 照 明 设 备 的 开 启 等 ； 与 FPGA 协 同 工 作 ， 并 提 供 人 机 接 口 。 MCU 采 用 常 用 的 AT89C52。 图 像 采 集 模 块 的 工 作 流 程 如 图 5 所示。 2 图 像 传 输 模 块 图 像 传 输 模 块 （ RF module） 由 一 块 单 片 无 线 收 发 芯 片 nRF2401 完成。

12、 NRF2401工作在 2.4 2.5G ISM 频 带 ， 集 成 了 频 率 综 合 器 、 功 率 放 大 器 、 晶 体 振 荡 器 和 调 制器。由于 nRF902 使 用 了 晶 体 振 荡 器 和 稳 定 的 频 率 合 成 器 ， 因 此 频 率 漂 移 很 低 。 电源电压范围为 2.4 3.6 ， 输 出 功 率 为 10dBm，电流 消耗仅 9mA。输 出 功 率 和 频 偏 可 通 过 外 接 电 阻 进 行 编 程 。输 出 信 号 为 调 制 的 GFSK（高斯 键 控 频 率 信 号 ） ， 很 容 易 通 过 8 线 串 行 I/O 口 进 行 收 发 。 图

13、6 为 nRF2401 在无线通 信 中 扩 展 的 外 围 电 路 。 通过 PWR-UP、 CE、 CS引 脚 的 选 择 ， nRF2401 可 以 工 作 在 激 活 /等待 /节 能 模 式 。这里，使 nRF2401 工 作 在 激 活 的 突 发 脉 冲 （ shock burst） 模 式 。 该 模 式 使 用 片 上 FIFO。在不使用 MCU 控 制 数 据 操 作 情 况 下 ，能 以 极 低 的 功 耗 运 行 数 字 部 分 而 又 以 极 快的 速 度（ 最 高 为 1Mbps）传 输 数 据 ，从 而 大 大 减 少 了 电 流 消 耗 ，降 低 了 系 统 成

14、 本 并 且减 少 了 传 输 时 的 “ 空中冲突 ” 冒险。 FPGA 送 来 的 异 步 串 行 数 据 经 过 nRF2401 内部的 RF带 通 滤 波 、低 噪 声 放 大 、频 率综 合 和 脉 冲 放 大 ， 被 调 制 成 2.4GHz 上的 GFSK 信 号 ， 完 成 图 像 信 号 的 传 输 。 3 图 像 接 收 显 示 模 块 图 像 接 收 显 示 模 块 主 要 由 三 部 分 组 成 ： 图 像 接 收 、 图 像 转 换 和 暂 存 、 图 像 显 示。如图 7 所 示 。 （ 1） 图 像 接 收 图 像 接 收 部 分 也 是 由 无 线 收 发 芯

15、片 nRF2401 完 成 。 nRF2401 可 以 同 时 发 射 1 组、接收 2 组 信 号 。 在 突 发 脉 冲 模 式 下 ， 将 RX和 CE 置 高 ， 200 s 的 建 立 时 间 后 ， nRF2401 开 始 监 测 空 中 ，接 收 到 有 效 的 数 据 包 后 解 调 为 原 来 的 数 字 信 号 ，送 以 端 头 、地 址和 CRC 位， MCU 发 出 中 断 命 令 ， DR1 拉高。 MCU 也 可 以 置 CE为 低 来 中 止 RF 字 的 接 收 ，同 时 为 载 入 数 据 输 出 适 当 频 率 的 时 钟 。 当 所 有 的 数 据 载 入

16、 后 ， 将 DR1 拉 低 ， 准 备 接收 下 一 个 数 据 包 。 图 6 （ 2） 图 像 转 换 和 暂 存 nRF2401 传输给 FPGA 的 异 步 串 行 数 据 ，经 过 FPGA 转 换 为 并 行 数 据 并 暂 存 到 缓 冲区（ 512KB 的外部 RAM），收到 MCU 的 命 令 后 将 RAM 内 部 的 数 据 送 到 LCD 显 示 。 当 整幅 图 像 都 被 接 收 以 后 ， FPGA 将 存 储 的 视 频 发 送 到 LCD 控制器 SED1353。 出 于 安 全 性的 考 虑 ， 系 统 同 时 还 外 挂 有 2MB 的 内 存 事 保

17、存 视 频 历 史 记 录 。 图 像 转 换 和 暂 存 的 过程 ， 其 实 是 前 面 图 像 采 集 的 逆 过 程 。 接 收 部 分 FPGA 的 设 计 与 发 送 部 分 类 似 ， 这 里 不 再 详 述 。 （ 3） 图 像 显 示 图 像 显 示 由 LCD 控制器 SED1353 和 LCD 显示模块 MCT-G320240DNCW-15N 组成。 SED1353 是 一 种 点 阵 LCD 控 制 器 ， 支 持 的 分 辨 率 高 达 10241024 （单色显示），能同多 种 微 控 制 器 接 口 。 图 8 为 SED1353 与 LCD 显 示 模 块 和

18、MCU 等 设 备 的 连 接 图 。 SED1353 的 控 制 信 号 和 图 像 显 示 的 地 址 信 号 由 MCU 提供。 FPGA 从 RAM 获 得 待 显示 的 图 像 数 据 ，得 到 MCU 命 令 后 将 数 据 传 送 到 SED1353，由 它 将 一 幅 图 像 的 数 据 暂 存缓 存 到 存 储 器 。 当 户 主 按 下 应 答 键 ， MCU 传 达 显 示 命 令 ， SED1353 就 从 存 储 器 取 出 数据传送给 LCD， 户 主 就 能 见 到 来 访 者 了 。 4 印 制 板 设 计 要 点 为 了 获 得 好 的 射 频 性 能 ， 印

19、 制 板 （ PCB） 的 设 计 是 非 常 重 要 的 。 发 射 和 接 收 端 电路使用两 层的 PCB 板 ， 窗 余 部 分 大 面 积 连 续 接 地 （ 在 天 线 底 下 不 应 有 接 地 面 ） 。 设计 时 ， 应 使 用 高 性 能 的 射 频 电 容 （ 大 容 量 电 容 与 小 容 量 电 容 并 联 ） 来 紧 密 地 靠 近 VDD 端 ，以 完 成 DC 电源 去 耦 。 电源 电 压 也 应 在 滤 波 后 ，从 电源 分 别 发 送 到 各 数 字 电 路 。所 有 器 件 地 、 VDD 连接、 VDD 旁 路 电 容 都 必 须 尽 可 能 地 靠 近 芯 片 。 数 字 信 号 和 控 制 信号 通 道 不 能 靠 近 晶 振 和 XTAL 端。