圖像無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)研究論文

時(shí)間:2022-06-25 06:35:00

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圖像無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)研究論文

摘要:介紹基于WE904無(wú)線收發(fā)模塊的實(shí)時(shí)數(shù)字圖像無(wú)線傳輸系統(tǒng),以及系統(tǒng)的接口電路硬件設(shè)計(jì)。討論FSK輸入信號(hào)中低頻成分引起的誤碼問(wèn)題及其解決方法。

關(guān)鍵詞:DSPMcBSPWE904無(wú)線收發(fā)模塊5B6B編碼

引言

隨著短距離、低功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的成熟,特別是藍(lán)牙、802.11b等應(yīng)用的推廣,無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用再次成為應(yīng)用的熱點(diǎn)。本文介紹一款基于新加坡Winedge公司W(wǎng)E904芯片的無(wú)線收發(fā)模塊,說(shuō)明其在一個(gè)實(shí)時(shí)無(wú)線圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用,以其實(shí)現(xiàn)一個(gè)低發(fā)射功率和低成本的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)。為低成本中低速的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸提供一種新的解決方案。

1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

系統(tǒng)的簡(jiǎn)單框圖如圖1。此系統(tǒng)的簡(jiǎn)單工作過(guò)程為:①電腦眼負(fù)責(zé)圖像采集和圖像信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。②電腦眼輸出的圖像信號(hào)由DSP芯片TMS320VC5402(以下簡(jiǎn)稱(chēng)5402)編碼壓縮。③5402通過(guò)McBSP(多通道緩沖串口)實(shí)現(xiàn)與WE904模塊的接口,實(shí)現(xiàn)WE904模塊的配置,并且將編碼后的圖像信號(hào)以RS232協(xié)議的信號(hào)格式輸?shù)絎E904模塊,經(jīng)調(diào)制后發(fā)送出去。④接收端的WE904模塊輸出TTL電平的信號(hào),經(jīng)過(guò)RS232電平接口的電平轉(zhuǎn)換后由串口輸入PC機(jī)。⑤PC機(jī)將收到的圖像信號(hào)解碼并顯示出來(lái)。

2WE904無(wú)線收發(fā)模塊WE915CTX1介紹

WE915CTX1無(wú)線收發(fā)模塊的主芯片是新加坡Winedge公司的WE904。WE904是一款支持全雙工的單片調(diào)頻收發(fā)芯片,僅需少量外部元件即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)功能,工作頻率范圍可以從0.1GHz到1GHz。WE904提供串行編程接口,通過(guò)串行編程接口可以靈活地調(diào)整收發(fā)頻率、信號(hào)輸出模式、是否支持全雙工等參數(shù)。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期直接使用了WE904的模塊WE915CTX1。WE915CTX1集成了WE904芯片和所需的外部元件,并提供了簡(jiǎn)明的使用接口,可以非常方便地嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中。其主要的特點(diǎn)是:

①工作于902MHz~928MHz美國(guó)ISM頻段,可以提供20個(gè)通道;

②使用FM/FSK的調(diào)制方式,頻道寬度100kHz;

③提供數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)兩種輸出模式,可用于數(shù)字和模擬信號(hào)的傳輸;

④靈敏度為-115dBm;

⑤在低輸出功率0dBm時(shí),可以提供約80m(數(shù)字信號(hào))和300m(話(huà)音等模擬信號(hào))的有效傳輸距離;

⑥傳輸速率可達(dá)57.6kbps,與傳輸距離有關(guān);

⑦提供串行編程接口,可能靈活配置收發(fā)頻率等參數(shù);

⑧提供RSSI接收信號(hào)強(qiáng)度指示。

3WE904模塊WE915CTX1的接口

WE915CTX1提供簡(jiǎn)單的用戶(hù)接口,如圖2所示。①VCC和GND為電源,電源電壓為3.3~4.5V。②AudioIn為待調(diào)制基帶信號(hào)的輸入引腳。其輸入信號(hào)可以是話(huà)音等模擬信號(hào),也可以是數(shù)字信號(hào)。對(duì)輸入信號(hào)的要求是,其交流有效值通常為140mV~200mV,更大的輸入有效值能得到更好的信噪比,但也將占用更大的帶寬。通常200mV將產(chǎn)生25kHz的頻偏。TTL電平的數(shù)字信號(hào)輸入AudioIn引腳時(shí),必須先降低其電壓有效值,這可以通過(guò)使用2個(gè)串聯(lián)電阻分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如,可以用1個(gè)10kΩ和1個(gè)1.8kΩ的電阻串聯(lián)分壓,但使用的電阻阻值不能太大,否則會(huì)使輸入的方波波形產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變。③AudioOut為接收信號(hào)的輸出引腳。當(dāng)輸出模式設(shè)置為模擬輸出(analog)時(shí),輸出信號(hào)有效值通常為140mV~180mV的已解調(diào)基帶信號(hào)。當(dāng)輸出模式設(shè)置為數(shù)字模式(digital)時(shí),輸出信號(hào)Vp-p為3V左右的數(shù)字信號(hào)方波。④LNA_ON為低哭聲放大器電源控制引腳,低電平有效。在接收時(shí)必須置低,能夠得到約15dB的增益;在不接收信號(hào)時(shí)可以關(guān)掉,以降低功耗。⑤ANT為天線連接引腳,其輸出阻抗為50Ω。⑥RSSI為接收信號(hào)強(qiáng)度提示。接收信號(hào)從-110dBm變化到-50dBm時(shí),RSSI的電平大約從0.65V變化到1.70V。⑦CLK、DATA和LE為串行編程控制端口,用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)WE904芯片的編程控制。以下將詳細(xì)介紹。

4WE904模塊WE915CTX1的編程控制接口

WE904芯片內(nèi)部有4個(gè)控制寄存器,用來(lái)對(duì)WE904芯片的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。這4個(gè)寄存器分別是參考頻率寄存器、發(fā)送頻率寄存器、接收頻率寄存器和模式寄存器。這4個(gè)控制寄存器的相應(yīng)位的功能定義此處不作介紹,讀者可以參考W904的芯片資料。對(duì)這4個(gè)寄存器的寫(xiě)入控制則是通過(guò)CLOCK、DATA和LE三個(gè)引腳業(yè)實(shí)現(xiàn)的,分別與模擬WE915CTX1的CLK、DATA和LE相對(duì)應(yīng),其寫(xiě)入時(shí)序如圖3所示。

寫(xiě)入的基本過(guò)程為:①LE開(kāi)始時(shí)為低電平。②當(dāng)LE變?yōu)楦唠娖胶?,?shù)據(jù)在CLOCK的驅(qū)動(dòng)下開(kāi)始由DATA引腳移入內(nèi)部的移位寄存器。數(shù)據(jù)的移位操作是在CLOCK的上升沿進(jìn)行的。所以設(shè)計(jì)接口時(shí)通常使時(shí)鐘CLOCK的下降沿和位邊界對(duì)齊,這樣在CLOCK的上升沿能有效的采樣到數(shù)據(jù)。③在最后一個(gè)數(shù)據(jù)位移入內(nèi)部移位寄存器后,LE在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿之前變低。在LE的下降沿,數(shù)據(jù)將由內(nèi)部移位寄存器寫(xiě)入控制寄存器。④數(shù)據(jù)具體寫(xiě)入4個(gè)控制寄存器中的哪一個(gè),是由DATA的最低兩位的值來(lái)決定的。這兩位稱(chēng)為裝載控制位(loadcontrolbit)。⑤WE915CTX1要求在CLOCK上升沿到來(lái)之前,DATA的數(shù)據(jù)至少已經(jīng)保持45ns,所以CLOCK的頻率不能太高,建議取10MHz以下。

55402rMcBSP簡(jiǎn)介

5402是TI公司一款性?xún)r(jià)比非常優(yōu)越的通用DSP芯片,有著廣泛的應(yīng)用。它提供有兩個(gè)McBSP。McBSP是一種全雙工的高速同步串行口,可以用來(lái)與系統(tǒng)中其它的DSP芯片、編碼解碼器等進(jìn)行高速的串行通信。McBSP的操作由DSP芯片中一系列寄存器來(lái)控制。圖4是McBSP的標(biāo)準(zhǔn)操作時(shí)序。無(wú)論是發(fā)送還是接收的移位操作,都是由幀同步信號(hào)FSX或者FSR的上升沿觸發(fā)的,并且由時(shí)鐘CLKR或CLKX來(lái)同步位邊界。從FSX或FSR的上升沿到移位操作開(kāi)始可以有幾個(gè)時(shí)鐘的延遲,圖4所示為1個(gè)時(shí)鐘的延遲。這可以由控制寄存器XCR2和RCR2中的相應(yīng)的位來(lái)設(shè)定。在每一個(gè)幀同步信號(hào)之后發(fā)送或者接收的數(shù)據(jù)的位數(shù)也在控制寄存器XCR2和RCR2中有相應(yīng)的設(shè)定,圖4是McBSP的最簡(jiǎn)單的操作時(shí)序,對(duì)一般的應(yīng)用已經(jīng)足夠,更強(qiáng)大的功能則需要更復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

65402與WE904模塊的接口設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送和對(duì)WE904模塊的編程配置是使用DSP芯片5402的同一個(gè)McBSP來(lái)完成的。這了使這兩個(gè)過(guò)程互不影響,在設(shè)計(jì)中還使用了5402的一個(gè)I/O引腳XF。圖5為接口電路的簡(jiǎn)單原理,基本原理如下:①在對(duì)WE904模塊配置期間,XF為高電平,LE的輸入決定于McBSP的發(fā)送幀同步FSX,而發(fā)送時(shí)鐘CLKX和發(fā)送數(shù)據(jù)線DX分別驅(qū)動(dòng)WE904模塊的CLK和DATA。②為了對(duì)WE904模塊進(jìn)行配置,McBSP的設(shè)置為FSX周期大于24個(gè)CLKX的時(shí)鐘周期,高電平寬度設(shè)置為24個(gè)CLKX的時(shí)鐘周期。CLKX在驅(qū)動(dòng)CLK時(shí)先反相。這樣即可得到與圖4大體相同的時(shí)序,能夠完成對(duì)WE904模塊的配置。這里給出McBSP各個(gè)控制寄存器的參考值:SPCR1=0x0080,SPCR2=0x0262,RCR1=0x0000,SRGR2=0x301f,MCR1=0x0000,MCR2=0x0000,PCR=0x0b02。③在對(duì)WE904模塊的配置完成后,XF設(shè)置為低電平輸出,此時(shí)LE的輸入值恒為高電平,因此,CLK和DATA的輸入不會(huì)再改變WE904的設(shè)置。此時(shí),發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)從DX串行輸出,經(jīng)分壓后輸入EW904模塊的AudioIn。發(fā)送的時(shí)鐘CLKX從FSR引腳輸入。這主要是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的DSP時(shí)鐘為100MHz,DSP的時(shí)鐘經(jīng)過(guò)內(nèi)部計(jì)數(shù)器分頻后仍然無(wú)法從CLKX引腳得到要求的幾十kHz的時(shí)鐘,所要求的時(shí)鐘必須經(jīng)過(guò)再次分頻后(在寄存器FPER中設(shè)定分頻參數(shù))從FSG得到,而發(fā)送幀同步FSX將設(shè)置成在數(shù)據(jù)從DXR拷貝到XSR時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生。在模塊的配置期間,F(xiàn)SR設(shè)置為輸入,不會(huì)影響CLK的輸入值。④XF在與FSX做或運(yùn)算前經(jīng)過(guò)了一次反相,主要是因?yàn)閄F在此系統(tǒng)中還同時(shí)用于其它結(jié)構(gòu)的控制,在圖像的發(fā)送期間,要求XF為低電平。

圖4

7RS232異步串行通信

本系統(tǒng)采用RS232異步串行通信協(xié)議。RS232異步串行通信接口是微機(jī)的傳統(tǒng)外設(shè)接口,特點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單,但速率較低。RS232接口在低速數(shù)據(jù)傳輸和工業(yè)控制、工業(yè)數(shù)據(jù)采集等方面有著廣泛的應(yīng)用。由于本系統(tǒng)要傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)已經(jīng)得到較好的壓縮,速率在幾十kbps,所以本系統(tǒng)使用RS232串行口進(jìn)行通信。當(dāng)不需要握手時(shí),最簡(jiǎn)單的串口通信只需要3條線即可完成連接,單向通信甚至只需要2條線即可。但是由于RS232串行接口的電平較高(通常為正負(fù)4V~12V),不同于通常的TTL電平,所以必須經(jīng)過(guò)必要的電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中使用MAXIM的MAX232完成電平轉(zhuǎn)換。RS232的通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式如圖6所示。在每一個(gè)字節(jié)的傳輸時(shí),都是以一個(gè)起始位開(kāi)始,以停止位結(jié)束(停止位個(gè)數(shù)可設(shè)定)。在停止位前可以加入奇偶校驗(yàn)位,在各個(gè)字節(jié)之間還可以插入空閑位。起始位為0,停止位為1??臻e位也為1,與停止位有相同的電平。接收串口總線在檢測(cè)到起始位的下跳沿時(shí)開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,由于數(shù)據(jù)是單向傳輸,RS232的數(shù)據(jù)格式直接由McBSP負(fù)責(zé)構(gòu)建。之后送入WE904模塊的AudioIn調(diào)制發(fā)送。如果要求雙向的數(shù)據(jù)傳輸,則可以加上一個(gè)異步串行通信的接口芯片來(lái)實(shí)現(xiàn),如TI公司的TL16C750。接收方的微機(jī)負(fù)責(zé)串口數(shù)據(jù)接收。串口接收程序的編寫(xiě)通常有三種:①使用C或匯編語(yǔ)言控制硬件;②使用Windows的API函數(shù);③使用VB提供的Mscomm控件。本系統(tǒng)使用的是VB的Mscomm控件。這種方法比較簡(jiǎn)單,但是效率稍低,如需要更高效率的程序,可以選擇前兩種方法。關(guān)于串口收發(fā)程序編寫(xiě)的資料很多,這里不再詳述。

8FSK無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸中低頻分量引起的誤碼

在FSK無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸中,輸入信號(hào)中的低頻分量有可能引起很高的誤碼率。在二相FSK中的具體表現(xiàn)為當(dāng)短時(shí)間內(nèi)輸入信號(hào)中的“1”或“0”的個(gè)數(shù)顯著增多時(shí),接收信號(hào)的誤碼率也顯著上升。這主要是因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)中的低頻分成衰減造成的,如系統(tǒng)中的隔直耦合電容的影響等。低頻成分衰減后造成信號(hào)無(wú)法正確恢復(fù),從而引起了很高的誤碼率。要提高系統(tǒng)性能,必須使輸入信號(hào)中的低頻成分盡量小并保持恒定,這就是所謂的均衡問(wèn)題。對(duì)于簡(jiǎn)單的二元輸入,就是要使輸入信號(hào)中的1和0的個(gè)數(shù)盡可能的平衡。通常為減小低頻分量,可以將輸入信號(hào)采用HDB3編碼和曼徹斯特編碼等。HDB3是三元輸入碼,信號(hào)傳輸中有三種電平,需要用專(zhuān)門(mén)的硬件實(shí)現(xiàn)。曼徹斯特碼是二元碼。它的簡(jiǎn)單規(guī)則是:1用1到0的跳變來(lái)表示,0用0到1的跳變來(lái)表示。顯然采用曼徹斯特編碼后,1和0的個(gè)數(shù)達(dá)到了完全的均衡,但同時(shí)它增加了一倍的數(shù)據(jù)量。考慮到數(shù)據(jù)量的要求,本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中借用了高速光纖通信中使用的5B6B編碼。5B6B編碼將5位的二進(jìn)制數(shù)用6位二進(jìn)制數(shù)表示,它從6位二進(jìn)制數(shù)的64種組合中精選出32組對(duì)信碼進(jìn)行編碼。編碼時(shí)有正模式和負(fù)模式兩種,使用時(shí)成對(duì)選擇以使得碼序列中1、0碼個(gè)數(shù)趨于平衡。5B6B具有這樣的特性:該傳輸序列中最大的連及連1個(gè)數(shù)為5。累積的1、0碼個(gè)數(shù)的差值(稱(chēng)為數(shù)字和)在-3~+3范圍內(nèi)變化。5B6B碼解決了輸入信號(hào)中1和0的均衡問(wèn)題,同時(shí)具有較高的傳輸效率,它只增加了20%的碼數(shù)。本系統(tǒng)采用5B6B編碼后(在RS232輸出前進(jìn)行),在降低系統(tǒng)的誤碼率方面取得了非常明顯的效果。

結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)使用WE904模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)的無(wú)線數(shù)字圖像傳輸實(shí)驗(yàn),采用普通單天線,在傳輸速率為57.6kbps和極低發(fā)射功率0dBm時(shí),可視傳輸距離大于100m(需更元的距離可加大發(fā)射功率)。采用自己的圖像壓縮算法,每秒能夠穩(wěn)定地傳輸3~6幀圖像(黑白圖像384×288像素)。為低成本的中低速的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸提供了一種很有競(jìng)爭(zhēng)力的參考方案。