无线实时的QQVGA视频和拍摄系统设计

摘要  提出一种实用性较强的数字无线实时视频通信和拍摄系统。该系统兼顾了高速与低功耗，能在2．4 GHzISM频段传输实时的QQVGA视频信号和1．3M像素的图像数据；扩展性好，有广阔的应用前景。
关键词 实时 QQVGA拍摄系统 无线视频 nRF24L01 DSP

引 言
    目前，无线射频芯片多数应用于传输控制信号或静态图像．数据吞吐量不大，一般情况下未能充分发挥射频芯片所具有的高数据传输率的特点。随着半导体制造技术的提高，出现了具备Mbps级的空中数据传输率且功耗很低的射频芯片，使连续传送多幅图像成为町能。另外，无线通信技术发展迅速，人们不再满足于实现音频和图像的无线传输，对无线视频的要求也开始出现，因而，采用高速射频芯片的视频系统将是未来数字无线通信的一大热点。

    对于数字视频(实际上是每秒包含多幅图像)，国际上已经制定了各种显示标准，如QCIF(176×144)、QQVGA(160×120)、QVGA(320×240)、CTF(352×288)、VGA(640×480)、SXGA(1 280×1 024)等。目前，高分辨率视频的无线传输在技术上还不现实，也没有必要，因为高分辨率意味着大面积的显示材质，通常在便携式无线通信设备中只要求达到一定的显示面积即可，所以低分辨率的QCIF和QQVGA在可拍照手机、数码相机、PDA等设备中最为流行。

    本无线系统正是基于高速率射频芯片的视频通信系统，且具备即时拍摄功能；在视频(连续)模式下采用QQVGA的分辨率传输视频数据，为160×120(@13fps)，基本上能达到实时视频的日的。在实际应用中，用户可以在接收端的LCD中观看(远处的)发送端附近的景物。当见到感兴趣的景物时，按下按钮稍等片刻，即可得到1．3M像素的图像，方便实用。为简化设计，该系统只用了8位色深和RGB的数据格式，且未采用CCD摄像芯片，也未使用FPGA芯片进行逻辑控制，节省了成本。

    下面着重讲述以TMS320VC5402 DSP为控制核心的无线视频通信系统，详细描述DSP与摄像芯片以及DSP与射频芯片这两大部分的接口设计，分析设计中的要点，最后给出部分DSP汇编代码。

1 无线实时视频系统的组成与工作原理
1．1 OV9640摄像芯片简介
    OV9640是美国OmniVision公司推出的高性能CM0S图像传感器芯片．支持130万像素的图像拍照和多种分辨率，包括l280×960、VGA、QQVGA、CIF、QCIF等及多种数据输出格式，如Raw RGB、YUV(4：2：2)、YcbCr(4：2：2)等；支持8位或16位数据输出；通过SC-CB接口对其编程，可实现图像处理的各种基本功能，譬如曝光控制、白平衡、色彩饱和、伽马控制等；芯片电压要求低，可应用于嵌入式移动设备。

1．2 nRF24L01射频芯片简介
    nRF24L01是挪威Nordic公司的单片无线GFSK收发芯片，工作于2．4～2．5 GHz的ISM频段，无线传输率最大为2Mbps，与MCU采用SPI接口进行控制和数据传输。相比其上一代产品nRF2401，nRF24LOl的性能更为优越，功耗更低。它最多能支持6路数据通道，且每条通道均支持Enhanced ShockBurst(ESB)技术，具备自动应糟(AACK)和自动重发(ART)功能，减轻了MCU的负担，降低了无线数据的丢包率，提高了双向传输的效率。在开启ESB的情况下，nRF24L0l发送完数据包后将自动切换到接收模式以等待对方的应答．并会根据寄存器的设定来实施自动重发。

1．3 系统硬件电路
    硬件电路由发送(获取)端和接收(存储显示)端两大部分组成，通过高速RF芯片实现在2．4 GHz频段的无线链接。发送端以TMS320VC5402 DSP作为控制核心，OV9610摄像头芯片作为视频(或图像)获取前端，AT29LV1024 Flash ROM作为DSP自举程序存储芯片，K4S161622H IMB容量的SDRAM作为程序运行空间以及视频数据缓冲，视频数据最终通过射频芯片nRF24LOl发射出去；接收端的硬件结构基本上与发送端一致，将前端的OV9640改换成后端的LCD显示即可。整个系统的总体结构框图如图1所示。

1．4 系统工作原理和流程
1.4.1 发送端工作于视频流模式
    发送端由DSP作为核心控制芯片。DSP上电初始化，通过BootLoader把Flash ROM中的代码加载到SDRAM中，实现系统的高速运行以加快数据的处理速度，并将HPI接口设定为通用I／O。然后，通过McBSPO缓冲串口将nRF24L0l设定为发送模式，把含有预定地址的数据包发送出占以检测接收端，nRF24L01会自动切换到等待应答信号的模式。若存在正确的接收端(地址相符)，则nRF24L01通过INTO中断通知DSP，使DSP重新将nRF24L01设定为发送模式，并立即对OV9640初始化，通过McBSPl缓冲串口来实现SCCB总线，启动摄像头并设定为连续帧模式。此时的分辨率为标准QQVGA，即160×120(@8bit)，最后，DSP把从D[7：O]获得的8位并行数据转化为串行格式，通过SDRAM缓冲和McBSP0送给nRF24L01，将视频数据发射出去。若没有检测到正确的接收端(没有INTO中断发生)，则DSP会一直等待INTO发生或直到用户关闭电源。

1．4．2 发送端工作于拍摄模式
    在视频流传输过程中，nRF24LOl可以同时监听空中信号并自动应答。若收到来自接收端的拍照通知(按下按钮)，则把OV9640设定为标准拍摄模式，分辨率为l280×960(@8bit)。然后，DSP将nRF24L01设定为发送模式，并将此时的帧数据发送出去。图像数据发送完成并等到接收确认信号后，系统将重新回到视频流模式。若接收不成功，则nRF24LOl的自动重发功能将确保数据传输的完整性。

1.4.3 接收端的工作流程
    接收端上电初始化的情况基本与发送端一致，但要将nRF2dL01(按预定地址)设定为接收模式以接收检测信号。检测到相符的地址后，nRF24L0l的自动应答功能会发送应答信号给发送端以确认收到信号，此时双方“握手”成功。接着，通过INTO中断通知DSP，使得DSP重新将nRF24LOl设定为接收模式以接收来自发送端的连续视频流，并且打开LCD模块准备显示视频。最后DSP通过SDRAM缓冲视频流，送给LCD显示(若LCD等其他后端模块为并行接口，则需要将数据转化成并行数据格式)。至此，系统已经能实现实时视频数据的无线传输，实时视频流的分辨率为QQVGAl60×120(@13fps)。

    在视频流的显示过程中，若用户按下拍照按钮，则产生INTl中断通知DSP，DSP会将nRF24LOl设定为发送模式并发送拍照通知信号。收到应答信号后，nRP24L0l返回接收模式准备接收图像数据，接收完成后会自动发送确认信号以表示图像数据接收成功。最后，DSP将图像数据交由后端模块处理。至此．系统实现了图像的无线拍摄功能，拍照效果为1280×960(@130万像素)，基本上能满足拍照要求。

    视频系统接收端和发送端的工作流程如图2所示。

2 DSP的接口设计
2.1 DSP与OV9640的接口设计
    该芯片使用OmniVision公司自主开发的SCCB总线进行控制，使用三线连接。其中SCCB_E为串口允许／禁止信号线，SIO_C和SIO_D分别为串口时钟线和数据线。系统中仅对OV9640进行控制而不需要获知其状态，采用DSP的McBSPO端口进行连接，其中HD3用于打开串口，BCLKX0和HDX0分别用于发送时钟信号和控制数据。具体的硬件连线如图3所示。

    值得注意的是：
    ①使用DSP的HPI接口连接OV9640时，为了获得场频、行频和8位视频输出等信号，DSP的HPIENA引脚必须下拉，使得HD[7：0]能配置为通用I／o接口，才能实现对OV9640的启停或工作模式控制。
    ②通过修改OV9640的寄存器COMC，将输出大小设定为1280×960或者QQVGA。
    ③修改寄存器COMH，将输出格式设定为8位的RGB格式，并设定为Master方式。
    ④FREX为连续帧模式的允许／禁止信号，但默认为禁止。应配置DSP的HD4引脚，将其电平拉高，然后再用HD3将EXPSTB引脚置高以实现连续帧的数据输出；将FREX置低即可返回到(单帧)拍摄模式。
    ⑤计算数据传输率。该芯片输出并行8位图像信号以及场频、行频同步信号，视频中的l帧图像(160×120)的大小是：
    160×120×8=153600位/帧
    如果以nRF24L01最大的发送速度2Mbps计算，则每秒可发送
    2000000/153600≈13帧
    即本系统能以160×120(@13 fps)的速度传输视频信号。
    ⑥输出数据的并一串转换。
    OV9640输出8位并行数据，而nRF24L01为串行接口,因而需要将并行数据串行化。8位并行数据格式为HREF、Bll、G2l、B22、G12……，HREF、G21、R22、G23、R24……。通过编程约定发送端与接收端的时序，可将从HD[2：0]得到的PCLK、HREF和VSYNC信号略去而无须计入无线传输之列。所以串行化时，将每次从D[7：O]读入的8位数据由高位到低位依次按顺序放进SDRAM缓冲中，再传给nRF24LOl发送出去即可。

2．2 DSP与nRF24L01的接口设计
2.2.1 设计要点
    DSP使用McBSPl与该芯片直接连接。其中CSN为SPI片选引脚，低电平有效，用DSP的XF引脚与CSN引脚连接；CE为收发模式选择引脚，用HD7进行高低电平控制。其他引脚的连线如图3所示。在编程时需要注意：
    ①每次通过SPI向nRF24L01发送指令前，必须使CSN得到一次由高到低的电平跳
变，即每次执行指令后，都要将CSN置高才能继续发送下一条指令。
    ②nRF24L01的SPI为下降沿锁存数据，故应将McBSPl配置成“有延时的下降沿”。
    ③IRQ引脚为低电平有效，每次产生到DSP的中断必须写“l”来清除。
    ④若发送端需要接收应答，则应当配置数据通道O来接收应答信号，且接收地址(RX_ADDR_PO)应当与发送地址(TX_ADDR)一致。
    ⑤芯片必须经过Standby模式才能进入TX或RX模式，故在TX和RX模式之间切换时应先将CE拉低以进入Standby模式。
    ⑥写寄存器的指令只能在Powerdown或Standby模式下执行，故在修改寄存器值前也应当将CE拉低。
    ⑦以下的2．2．2和2．2．3均未开启AACK和ART功能。因为系统在连续视频流方式运行时，只要求得到高数据传输率以满足实时性，而并不需要纠错重发。但在拍摄方式下，则应该打开这两项功能，以确保图像数据的完整性。

2.2.2 ESB发送数据
    ①将配置位PRIM_RX置低；
    ②保持CSN为低电平，送入接收端的地址(TX_ADDR)和数据(TX_PLD)；
    ③将CE置高，开启数据发送； 
    ④数据发送完毕，产生TX_DS中断；
    ⑤CE置低，可进入Standby模式。

2.2.3 ESB接收数据
    ①配置位PRIM_RX置高，CE置高，则130μs后，nRF24L01开始监听空中信号；
    ②收到合法的数据包后RX_DR产生中断；
    ③状态寄存器中的RX_P_NO记录所接收的数据通道；
    ④CE置低可进入Standby模式；
    ⑤MCU通过SPI得到数据。

2.2.4 部分程序示例
(1)写nRF24L01寄存器

(2)读nRF24L01寄存器

(3)初始化nRF24L01(示倒)
    在(1)和(2)中定义了寄存器存取指令，即可用“写”指令对该芯片进行初始化。

(4)发送数据
    假设在(3)中已经将数据宽度定为32字节，则W_TX_PAYLOAD．macro tx_start_byte

(5)接收数据
    同样假设在(3)中已经将数据宽度定为32字节，则R_RX_PAYLOAD．macro rx_start_byte

结语
    以DSP为核心的无线通信系统，在硬件上采用了高速低功耗的无线射频芯片nRF24L01、高性能的TMS320VC5402数字信号处理芯片以及多功能的摄像芯片OV9640，使其能够实现强大的视频通信功能，并且在软件层次上优化设计，以缩短等待延迟和降低功耗。本系统的扩展性很强，例如，加装语音编解码芯片即可实现无线音频和视频的同步传输；加装视频压缩芯片可以提高帧速率；同时使用两片(或两片以上)的无线收发芯片能实现全双工，更能提高空中数据传输率；改用高分辨率的摄像芯片即可获得更优质的视频和图像效果等，但也提高了硬件连线和软件设计的难度。

    总之，无线视频和无线图像通信是未来无线领域的重点发展方向。本设计实现
了在一定帧速率下的实时QQVGA视频传输，对今后同类系统的设汁有一定的参考价值。