基于微型雙向的無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 雷，馬洪兵

（清華大學(xué) 電子工程系，北京100084）

基于微型雙向的無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 雷，馬洪兵

（清華大學(xué) 電子工程系，北京100084）

由于在傳統(tǒng)的作戰(zhàn)中均通過(guò)無(wú)人偵察機(jī)和衛(wèi)星獲得大規(guī)模，全場(chǎng)景的圖像采集信息，但該方法在面對(duì)靈活多變的戰(zhàn)場(chǎng)中無(wú)法依據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)的移動(dòng)而進(jìn)行某一區(qū)域小規(guī)模的偵查?；诖宋闹性O(shè)計(jì)了一種微型雙向的無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)在STM32開(kāi)發(fā)平臺(tái)下，集圖像采集、無(wú)線傳輸及雙向控制為一體，其的體積小，移動(dòng)方便，避免了在作戰(zhàn)中易于被敵方發(fā)現(xiàn)的缺點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，在未來(lái)的應(yīng)用也會(huì)更加廣闊。

圖像采集；雙向控制；無(wú)線傳輸；STM32

隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、光電技術(shù)、圖像信息處理技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)的迅速發(fā)展，各國(guó)學(xué)者紛紛著手研究將眾多新興信息技術(shù)融合一體，使應(yīng)用朝著更加廣泛的前景發(fā)展，如醫(yī)院的腸道檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)將檢測(cè)的腸道以圖像的形式無(wú)線傳輸?shù)结t(yī)生的可視化計(jì)算機(jī)界面，大幅減輕患者和醫(yī)生的負(fù)擔(dān)。尤其在作戰(zhàn)中，對(duì)于圖像的傳輸要求苛刻，其要求圖像傳輸系統(tǒng)體積小，不易被敵方發(fā)現(xiàn)，能追隨作戰(zhàn)場(chǎng)地的變動(dòng)而實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像的采集與傳輸。目前各國(guó)研究人員均在研究微小型雙向的無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)，該微型系統(tǒng)體積小易于隱蔽，在惡劣的環(huán)境下生存性能可靠，例如在一些具有放射性的醫(yī)療器械及對(duì)于具有殺傷性生化武器進(jìn)行圖像采集時(shí)，可脫離人為的參與，避免了對(duì)人體造成的巨大傷害，且成本低。該應(yīng)用已成為軍事領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)，故本文的研究有一定的意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)的主要功能就是實(shí)現(xiàn)雙向控制無(wú)線圖像傳輸，該系統(tǒng)是在嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)模塊下實(shí)現(xiàn)的低成本雙向控制，首先進(jìn)行圖像信息的采集處理，然后經(jīng)過(guò)無(wú)線射頻模塊將圖像處理后的信息發(fā)送到接收端。由圖可看到，接收端可通過(guò)控制命令操作實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像信息的控制，從而實(shí)現(xiàn)雙向操作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

由于本文設(shè)計(jì)原理是微型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此該系統(tǒng)模塊的組成均要滿足微小型化的設(shè)計(jì)要求，對(duì)于發(fā)射端和接收端的各個(gè)小模塊均要考慮嚴(yán)格的尺寸設(shè)計(jì)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，該微型系統(tǒng)整體尺寸為12mm×12mm×30mm，重量低于9g。鏡頭抓拍的圖像信息被圖像采集模塊采集后，暫存到緩存隊(duì)列中，經(jīng)過(guò)時(shí)序脈沖有序的到來(lái)，一幀圖像信息將被讀取到射頻發(fā)射模塊，從而保證了各個(gè)模塊有條不紊的工作。在接收端，接收到的圖像信息暫時(shí)存放在存儲(chǔ)模塊中，當(dāng)儲(chǔ)存一幀信息之后，經(jīng)過(guò)脈沖時(shí)序的到來(lái)將一幀圖像信息傳輸?shù)絃CD屏幕上。控制信息的發(fā)送是在接收端響應(yīng)外部中斷后，停止圖像接收的過(guò)程轉(zhuǎn)換成發(fā)射的模式從而達(dá)到雙向控制的目的。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

OV7670芯片是OmniVision公司生產(chǎn)的一款弱電CMOS圖像信息采集芯片，該芯片單片集成了攝像和圖像處理功能，表1是其技術(shù)參數(shù)。由表可以看出，其外形尺寸完全符合國(guó)家對(duì)微小型系統(tǒng)的尺寸標(biāo)準(zhǔn)。圖2為其事物模圖，具有體積小，功耗低的特點(diǎn)。

表1 OV7670主要技術(shù)參數(shù)

圖2 OV7670模組

在采集圖像信息時(shí)，需要嚴(yán)格依據(jù)時(shí)序圖進(jìn)行傳輸，該時(shí)序就是芯片的SCCB通訊時(shí)序，如圖3所示，圖像的各種處理均是通過(guò)該時(shí)序圖對(duì)內(nèi)部寄存器的設(shè)置達(dá)到所需的功能。該時(shí)序類似與常見(jiàn)的I2C時(shí)序。對(duì)于幀圖像的輸出本文用場(chǎng)輸出時(shí)序控制，VSYNC為高電平時(shí)代表開(kāi)始一幀數(shù)據(jù)的采集。一行像術(shù)的輸出用行輸出時(shí)序控制，如圖4所示。

圖3 SCCB時(shí)序

圖4 水平時(shí)序

如圖5所示，在一幀QVGA輸出時(shí)，控制信號(hào)和數(shù)據(jù)輸出信號(hào)的時(shí)序圖，QVGA圖像大小為320×240，2個(gè)字節(jié)表示一個(gè)像素。由于圖像傳輸時(shí)數(shù)據(jù)量大，若采集到的圖像信息直接傳送到射頻模塊，在假設(shè)1s采集一幀圖像的情況下，也會(huì)給射頻模塊的發(fā)射帶來(lái)困難。因此，需要采取措施，增加一級(jí)緩存模塊，該設(shè)計(jì)選用AL422B高速緩存的OV7670模塊，AL422B時(shí)鐘的讀寫由場(chǎng)同步控制，使圖像采集和發(fā)射速率相匹配，從而達(dá)到數(shù)據(jù)同步的目的。無(wú)線射頻發(fā)射與接收模塊是用Nordic公司的NRF24L01芯片，表2列出了NRF24L01的主要技術(shù)參數(shù)。

圖5 輸出QVGA幀圖像時(shí)的時(shí)序圖

圖6所示為發(fā)送和接收一字節(jié)數(shù)據(jù)的時(shí)序圖，接收模塊和發(fā)射模塊分別設(shè)置為接收模式與發(fā)射模式，130 us之后開(kāi)始發(fā)射，37 us之后關(guān)閉發(fā)射。此時(shí)發(fā)送模塊轉(zhuǎn)入接收模式等待應(yīng)答信號(hào)的到來(lái)，當(dāng)接收模塊接收數(shù)據(jù)包后，中斷開(kāi)始響應(yīng)，并傳達(dá)給微處理器數(shù)據(jù)結(jié)束接收。

表2 NRF24L01的主要技術(shù)參數(shù)

圖6 發(fā)送一包數(shù)據(jù)的時(shí)序圖

3 軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)流程圖，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

首先需進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化，包括各個(gè)接口、LCD、圖像采集芯片、無(wú)線射頻發(fā)射與接收模塊的初始化。初始化內(nèi)容主要是進(jìn)行時(shí)鐘的使能，主芯片及寄存器的初始化。OV7670在對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取的過(guò)程中是用外部中斷來(lái)響應(yīng)同步信號(hào)，通常通過(guò)設(shè)置的變量ov_sta控制FIFO的讀或?qū)懖僮?，?dāng)FIFO=0時(shí)，表示存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)已被讀取結(jié)束，當(dāng)VSYNC=1時(shí)，代表指針復(fù)位。當(dāng)緊接著遇到下一個(gè)VSYNC=1時(shí)，說(shuō)明一幀數(shù)據(jù)讀寫結(jié)束，此時(shí)令OV7670=0，不允許在對(duì)OV7670寫數(shù)據(jù)。對(duì)NRF24L01的編程沿用了以往的固有編程模式，選擇接收模式，通過(guò)軟件配置接收模式參數(shù)，判斷中斷，響應(yīng)中斷的過(guò)程，該程序流程圖已清晰的給出了設(shè)計(jì)思路。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照上述原理的軟件和硬件設(shè)計(jì)流程，在STM32上實(shí)現(xiàn)了雙向可控的微型無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)，從而驗(yàn)證該系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性，圖8為樣圖，令發(fā)射的分辨率為零，分辨率為 320×240，圖像傳輸速率為0.22幀/s，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可達(dá)到約2m的圖像傳輸。圖中并不清晰，但由于對(duì)圖像的拍攝鏡頭不是專業(yè)攝像所能達(dá)到的分辨率，且圖像格式的分辨率也較低。在更改圖像的參數(shù)時(shí)，由圖可知就將會(huì)在下一幀中出現(xiàn)。

圖8 系統(tǒng)原理圖樣機(jī)

5 結(jié)束語(yǔ)

文中在STM開(kāi)發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了微型雙向的無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)，結(jié)果表明該系統(tǒng)能以0.22幀/s的速率傳輸圖像，通過(guò)對(duì)控制命令的的操作，可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的雙向圖像傳輸功能，具有圖像傳輸性能好、造價(jià)低、可靠性能高等優(yōu)點(diǎn)。且系統(tǒng)體積小，移動(dòng)方便，能廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，尤其在軍用行業(yè)，各種地質(zhì)勘查及地質(zhì)災(zāi)害均可應(yīng)用，因此本文的研究前景廣闊。

[1]Gavriel J.Iddan，GavrielMeron，ArkadyGluk-hovsky，et al.Wireless capsule endoscopy.Natrue[J].2010，45（25）:417-418.

[2]張曉東，賈富倉(cāng)，羅火靈，等.基于DICOM的醫(yī)學(xué)圖像傳輸服務(wù)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程， 2011（S1）：255-257，268.

[3]麥超云，粟傈，朱利.基于 ARM11的無(wú)線多點(diǎn)圖像傳輸系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2012（6）:110-112.

[4]沈建華.ARM處理器與嵌入式系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（11）:5-7.

[5]陳東寧，李建華，焦彥平.帶寬限制條件下的實(shí)時(shí)圖像傳輸研究[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全，2012（7）:61-63.

[6]張曉莉，劉磊.煤礦井下TD無(wú)線數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)[J].電子科技，2011，24（9）:108-110.

[7]孫海超，陳春寧，田睿，等.基于以太網(wǎng)的高速圖像傳輸?shù)难芯颗c實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2014（3）:187-189，193.

[8]畢厚杰.圖像通信工程[M].北京:人民郵電出版社，1991.

[9]陳邦媛.射頻通信電路[M].2版.北京:科學(xué)出版社，2015.

[10]孫會(huì)麗.電路的分析方法[J].電子科技，2013，26（4）:162-164.

[11]張玉興.射頻模擬電路與系統(tǒng)[M].成都:電子科技大學(xué)出版社，2008.

[12]George D Vendelin，An-thony M Pavio，Ulrich L Rhode，Wiley-Interscience [J].Microwave Circuit Design.ISBN 0-471-60276-0，Chapter 6，1990.

[13]Randall W Rhea， Noble Publishing， Oscillator Design&Computer Simulation，1995，ISBN 1-884932-30-4， p36， p191-p211.

[14]Ulrich L Rohde.Oscillator Basics and Low-Noise Techniques for Microwave Oscillator and VCO，GaAs 2000-Paris，F(xiàn)rance 2-6 October 2000.

[15]C.JohnGrebenkerrper，Local Oscillator Phase Noise and its effect on ReceiverPerformance.Watkins-Johnson Company，1981，8（6）：1-7.

Design of wireless image transmission system based on micro-two-way

LIU Lei，MA Hong-bing
（Electronic Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China）

Because in the traditional combat through unmanned reconnaissance aircraft and satellite access to large-scale， full scene image acquisition information， but the method in the face of the flexible battlefield not on the battlefield mobile and investigation of small scale of a region， a miniature， bidirectional wireless image transmission system is designed based on this， this paper， the decency in the STM32 development platform，integrates image acquisition，wireless transmission and two-way control as one， small volume， easy to move， to avoid the easy to the disadvantage of to be discovered by the enemy in the battle.Test results show that the system runs well，and it will be more extensive in the future.

image acquisition； bidirectional control； wireless transmission； STM32

TN99

：A

：1674－6236（2017）15-0102-03

2016-06-24稿件編號(hào)：201606184

劉 雷（1985—），男，北京人，碩士，工程師。研究方向：信息與通信工程。