基于WiFi技術(shù)的視頻傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

王劍飛　李國(guó)義　杜鵬　趙光旭

【摘要】 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)于煤炭的需求與日俱增。煤炭開采規(guī)模越來(lái)越大，也就意味著有越來(lái)越多的礦工需要在井下作業(yè)。目前，大多數(shù)礦山企業(yè)都采用有線傳輸?shù)姆绞剑坏┌l(fā)生礦難，有線線纜被破壞，視頻傳輸就會(huì)立即中斷，進(jìn)而使井上搜救人員不能及時(shí)了解井下被困人員的情況，影響救援的決策與進(jìn)度。因此，有必要建立一套完整的井下視頻無(wú)線傳輸系統(tǒng)。WiFi技術(shù)應(yīng)用于井下無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)具有速度快、可靠性高、靈活性好、傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡(luò)整合，組網(wǎng)的成本更低。因此，本論文提出基于WiFi技術(shù)的視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。視頻傳輸系統(tǒng)由發(fā)送端、接收端、交換機(jī)、光電轉(zhuǎn)換器以及監(jiān)控中心組成。

【關(guān)鍵詞】 WiFi技術(shù) MSP430F5438 W5200 視頻傳輸

一、視頻傳輸系統(tǒng)發(fā)送端的硬件設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)送端組成框圖

發(fā)送端由處理器模塊、視頻采集模塊、WiFi模塊、復(fù)位電路、電源電路、時(shí)鐘電路、JTAG接口電路組成。如圖1所示。

（1）處理器模塊：本文選用MSP430F5438作為處理器模塊，它是整個(gè)分站的心臟，負(fù)責(zé)完成各芯片的驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)的收發(fā)處理。（2）視頻采集模塊：通過(guò)攝像頭進(jìn)行井下視頻的采集。（3）WIFI發(fā)送模塊：選用WIFI模塊，將采集到的視頻信號(hào)向上傳輸。（4）FLASH存儲(chǔ)器：主要用作程序代碼、數(shù)據(jù)表格以及用戶信息的存儲(chǔ)。（5）JTAG接口電路：它是電路板調(diào)試時(shí)的調(diào)試接口，是用來(lái)完成燒寫操作的。（6）復(fù)位電路：對(duì)電路進(jìn)行復(fù)位操作。（7）電源電路：給MSP430和WIFI模塊供電。（8）時(shí)鐘電路：對(duì)各個(gè)指令的執(zhí)行進(jìn)行時(shí)間控制。

1.2 發(fā)送端各單元模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 處理器模塊

處理器是發(fā)送端的核心部分，主要負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的通信，視頻采集處理，并將采集的信息上傳給模塊，同時(shí)通過(guò)控制WiFi模塊LTM22實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)。

本模塊的主控制器選用了功能強(qiáng)大、功耗低的MSP430F5438，MSP430F5438單片機(jī)的封裝具有100個(gè)引腳，并且能工作在低功耗狀態(tài)下。該微處理器芯片因?yàn)橛休^好的市場(chǎng)潛力和靈活強(qiáng)大的應(yīng)用特性，迅速在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和較快的發(fā)展。芯片硬件擴(kuò)展能力強(qiáng)，內(nèi)存空間大，下載和調(diào)試程序非常方便，同時(shí)單片機(jī)Flash存儲(chǔ)器空間達(dá)到256K，內(nèi)部RAM達(dá)到16KB，可以在系統(tǒng)寫入底層驅(qū)動(dòng)程序和TCP/IP協(xié)議棧的同時(shí)擁有足夠大的內(nèi)存空間來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

該芯片的主要特點(diǎn)如下：（1）可以在超低功耗狀態(tài)下正常工作。芯片工作電壓為1.8V-3.6V，工作電流為0.1uA-400uA，6us就可以低功耗模式下喚醒。（2）硬件處理能力很強(qiáng)。寄存器尋址方式多樣，指令系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，擁有16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)。片內(nèi)存儲(chǔ)器和寄存器可進(jìn)行數(shù)字和邏輯運(yùn)算，多個(gè)中斷源可以實(shí)現(xiàn)嵌套。（3）外設(shè)資源豐富。256KB的Flash存儲(chǔ)器，12位A/D轉(zhuǎn)換，16位定時(shí)器，2個(gè)通用串行接口，硬件乘法器，看門狗計(jì)數(shù)器和內(nèi)部溫度傳感器等。（4）系統(tǒng)工作穩(wěn)定。晶體振蕩器起振穩(wěn)定后，可以根據(jù)設(shè)定的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率來(lái)工作，如果程序跑飛，看門狗電路會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)以便保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1.2.2 WiFi模塊

視頻發(fā)送端的WiFi模塊的芯片選用了LTM22。LTM22芯片是針對(duì)IEEE802.11/WiFi無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，LTM22芯片采用增強(qiáng)型8051MCU、128KB閃存、8KB的RAM等高性能模塊，并內(nèi)置了IEEE802.11協(xié)議棧。加上超低功耗，使得它可以用很低的費(fèi)用構(gòu)成WiFi節(jié)點(diǎn)，這種解決方案能夠提高性能并滿足以為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用對(duì)低成本，低功耗的要求。同時(shí)，LTM22的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用，LTM22電路圖如圖2所示。

1.2.3 電源電路

供電模塊選擇芯片AS1117。AS1117 是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，當(dāng)輸出 1A 電流時(shí)，輸入輸出的電壓差典型值僅為1.2V。AS1117 除了能提供多種固定電壓版本外，還提供可調(diào)端輸出版本，該版本能提供的輸出電壓范圍為 1.25V～13.8V。AS1117 提供完善的過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)功能，確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)在產(chǎn)品生產(chǎn)中應(yīng)用先進(jìn)的修正技術(shù)，確保輸出電壓和參考源精度在±1%的精度范圍內(nèi)，電源模塊電路圖如圖3所示。

1.2.4 JTAG接口電路

JTAG接口是電路板調(diào)試時(shí)的調(diào)試接口，是用來(lái)完成燒寫操作的。為程序的調(diào)試提供了極大的方便，可以讓用戶使用單步運(yùn)行、設(shè)斷點(diǎn)等調(diào)試手段。JTAG信號(hào)接口定義如下：（1）TCK返回的測(cè)試時(shí)鐘輸出。（2）TDO JTAG接口的測(cè)試數(shù)據(jù)輸出。（3）TDI JTAG接口的測(cè)試數(shù)據(jù)輸入。（4）TCK JTAG接口的測(cè)試時(shí)鐘。（5）TMS JTAG接口的測(cè)試模式選擇。（6）RST JTAG接口的測(cè)試復(fù)位。

JTAG接口主要用于連接仿真器，仿真器通過(guò)JTAG接口可以對(duì)存儲(chǔ)器中代碼進(jìn)行在線編程和功能調(diào)試。標(biāo)準(zhǔn)的4線JTAG調(diào)試接口的作用分別是數(shù)據(jù)輸入（TDI）和數(shù)據(jù)輸出（TDO）、時(shí)鐘輸入（TCK）、模式選擇（TMS）。 MSP430F5438與前期開發(fā)的一些單片機(jī)系列有所不同，JTAG接口完全獨(dú)立，因?yàn)椴辉倥cI/O 口復(fù)用，方便調(diào)試，JTAG接口電路圖如圖4所示。

二、視頻傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主程序用C語(yǔ)言編寫。主要包括攝像頭采集、WIFI、收發(fā)數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控中心顯示等，系統(tǒng)軟件框架如圖5所示。

三、總結(jié)

本設(shè)計(jì)基于WiFi技術(shù)，選用MSP430F5438、LTM22及W5200等低功耗器件開發(fā)了一種成本低、功耗低的視頻傳輸系統(tǒng)。利用新型無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，工作穩(wěn)定可靠，具有良好的應(yīng)用前景。