一種用于家庭可視門(mén)鈴的無(wú)線視頻通信系統(tǒng)

　　摘要：介紹一種用于家庭可視門(mén)鈴的無(wú)線視頻通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)將數(shù)字?jǐn)z像頭采集的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波、放大等處理，調(diào)制到2.4GHz的載波上，由無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)射擊去;接收端將該視頻數(shù)據(jù)解調(diào)還原，并傳送到顯示模塊，在LCD顯示出來(lái)。 關(guān)鍵詞：nRF2401 無(wú)線視頻信號(hào) AT89C52 攝像頭7260 目前，國(guó)內(nèi)安裝的可視門(mén)鈴多數(shù)是有線的，或是通過(guò)類似于電視系統(tǒng)的調(diào)幅或調(diào)頻方式來(lái)發(fā)送圖像的。出于成本的考慮，這些可視門(mén)鈴系統(tǒng)傳輸距離受限制，信號(hào)質(zhì)量不高，抗干擾性差。隨著用戶要求的提高，尤其是在大型別墅中，門(mén)鈴和圖像接收端相距較遠(yuǎn)，這就需要將有線變?yōu)闊o(wú)線，模擬信號(hào)調(diào)幅或調(diào)頻無(wú)線傳輸變?yōu)閿?shù)字信號(hào)調(diào)制(FSK，QFSK，GFSK)無(wú)線傳輸。FSK(Frequency Shift Keying)即鍵控頻移，QFSK(Quadrature Frequency Shift Keying)即正交鍵控頻移，GFSK(Guassian Frequency Shift Keying)即高斯鍵控頻移。通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)字化，圖像信號(hào)質(zhì)量得到提高，抗干擾性得到大大加強(qiáng);同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的體積相比其它的傳輸方式將會(huì)減小很多，因此，具有廣泛的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

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　　由于我們的系統(tǒng)用于別墅單用戶的可視門(mén)鈴，因此對(duì)圖像的連續(xù)性要求不高。設(shè)想一直，在戶主聽(tīng)到門(mén)鈴響，再到門(mén)口查看監(jiān)視器的畫(huà)面最少需要3s。只需要傳輸 1幀圖像到監(jiān)視終端，讓?xiě)糁骺吹絹?lái)訪者是誰(shuí)就可以了。因此由于成本的原因，我們會(huì)把采集到的圖像直接傳輸出去而中間不會(huì)加上昂貴的圖像壓縮解壓縮芯片。 整個(gè)數(shù)字無(wú)線視頻通信系統(tǒng)主要由三個(gè)模塊構(gòu)成：圖像采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、圖像接收顯示模塊，如圖1所示。

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　　1 圖像采集模塊 該模塊的硬件框圖如圖2所示。 攝像頭7620是256色30萬(wàn)像素的CMOS攝像頭。它輸出并行16位圖像信號(hào)，包括8位的色度信號(hào)、8位的亮度信號(hào)以及場(chǎng)同步與行同步信號(hào)。1幀圖像(640%26;#215;480)的尺寸是640%26;#215;480%26;#215;16=4 915 200(位) 如果以RF發(fā)送模塊nRF2401的最大速度1Mbps來(lái)計(jì)算，發(fā)送1幀圖像所要的時(shí)間為 4 915 200/1 000 000=4.9152(s) 這顯然太長(zhǎng)了。不過(guò)，7620還有一種工作模式就是，通過(guò)降低分辨率來(lái)減少圖像尺寸。這種模式提供了320%26;#215;240的圖像。這樣，圖像數(shù)據(jù)不到3s就可以到達(dá)接收端，滿足可視門(mén)鈴的要求。 圖3 8位色度信號(hào)、8位亮度信號(hào)以及場(chǎng)同步與行同步信號(hào)先通過(guò)FPGA緩存到RAM，同時(shí)轉(zhuǎn)換為異步串行數(shù)據(jù)，通過(guò)RF模塊發(fā)送。圖3是7620的工作時(shí)序。 圖3中，Y信號(hào)是8位亮度信號(hào)，UV是8位色度信號(hào)。VSYNC是場(chǎng)同步信號(hào)，HREF是行同步信號(hào)。 FPGA的工作是完成圖像數(shù)據(jù)的緩存控制以及啟動(dòng)RF模塊發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。這里，采用Altera公司的EPF6016。它是一顆16000門(mén)的FPGA。圖4為FPGA與攝像頭7260、MCU以及RF模塊的連接示意圖。 圖4中，U1為EPF6016ATC100，J1是FPGA與攝像頭7260的連接插座。Y、UV、VSYNC和HREF的定義如前，READY是MCU 對(duì)FPGA的控制信號(hào)，DATA是FPGA與RF模塊之間的串行數(shù)據(jù)線。

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　　當(dāng)用戶按下門(mén)鈴，MCU收到命令開(kāi)啟照明燈，同時(shí)初始化攝像頭7260，并發(fā)送READY信號(hào)給FPGA，通知其準(zhǔn)備接收?qǐng)D像信號(hào)。由7260的工作時(shí)序可以看到，當(dāng)攝像頭采集到一幀圖像后，VSYNC便發(fā)送1個(gè)高電平，F(xiàn)PGA準(zhǔn)備接收信號(hào)。1幀圖像由很多行組成。這些行在場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC的兩個(gè)高電平之間傳送。而每一行的信號(hào)傳輸現(xiàn)時(shí)由HREF同步。當(dāng)HREF的上升沿來(lái)到后，F(xiàn)PGA開(kāi)始接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)。在PCLK的上升沿，每一行的圖像數(shù)據(jù)通過(guò) Y口和UV口送出，從時(shí)序圖可以看到1行包括640個(gè)點(diǎn)。 FPGA需要將收到的圖像緩存到512KB的RAM，需要有20位的地址信號(hào)線和8位的數(shù)據(jù)信號(hào)線。 FPGA采集到的圖像信號(hào)是并長(zhǎng)的數(shù)字信號(hào)。要將這些信號(hào)發(fā)射出去，還需要轉(zhuǎn)化為異步串行數(shù)據(jù)，這個(gè)工作由FPGA來(lái)完成。我們所規(guī)定的異步串行通信協(xié)議和通用的RS232協(xié)議類似： 沒(méi)有信號(hào)時(shí)，DATA線為高電平;要傳送數(shù)據(jù)的時(shí)候，先發(fā)送1個(gè)低電平脈沖(起始位)，緊接著2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)(Y[7：0]，UV[7：0]，然后再發(fā)送 1個(gè)高電平脈沖(停止位)。1幀有效的串行數(shù)據(jù)就由這幾部分構(gòu)成。 微控制器MCU主要完成以下幾個(gè)任務(wù)： ①初始化數(shù)字?jǐn)z像頭7620; ②控制其它外設(shè)，接收和處理鍵盤(pán)命令，控制照明設(shè)備的開(kāi)啟等; ③與FPGA協(xié)同工作，并提供人機(jī)接口。 MCU采用常用的AT89C52。圖像采集模塊的工作流程如圖5所示。

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　　2 圖像傳輸模塊 圖像傳輸模塊(RF module)由一塊單片無(wú)線收發(fā)芯片nRF2401完成。NRF2401工作在2.4～2.5G ISM頻帶，集成了頻率綜合器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器。由于nRF902使用了晶體振蕩器和穩(wěn)定的頻率合成器，因此頻率漂移很低。電源電壓范圍為2.4～3.6～，輸出功率為10dBm，電流消耗僅9mA。輸出功率和頻偏可通過(guò)外接電阻進(jìn)行編程。

　　輸出信號(hào)為調(diào)制的GFSK(高斯鍵控頻率信號(hào))，很容易通過(guò)8線串行I/O口進(jìn)行收發(fā)。圖6為nRF2401在無(wú)線通信中擴(kuò)展的外圍電路。 通過(guò)PWR-UP、CE、CS引腳的選擇，nRF2401可以工作在激活/等待/節(jié)能模式。這里，使nRF2401工作在激活的突發(fā)脈沖(shock burst)模式。該模式使用片上FIFO。在不使用MCU控制數(shù)據(jù)操作情況下，能以極低的功耗運(yùn)行數(shù)字部分而又以極快的速度(最高為1Mbps)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大減少了電流消耗，降低了系統(tǒng)成本并且減少了傳輸時(shí)的“空中沖突”冒險(xiǎn)。 FPGA送來(lái)的異步串行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)nRF2401內(nèi)部的RF帶通濾波、低噪聲放大、頻率綜合和脈沖放大，被調(diào)制成2.4GHz上的GFSK信號(hào)，完成圖像信號(hào)的傳輸。 3 圖像接收顯示模塊 圖像接收顯示模塊主要由三部分組成：圖像接收、圖像轉(zhuǎn)換和暫存、圖像顯示。如圖7所示。 (1)圖像接收 圖像接收部分也是由無(wú)線收發(fā)芯片nRF2401完成。nRF2401可以同時(shí)發(fā)射1組、接收2組信號(hào)。在突發(fā)脈沖模式下，將RX和CE置高，200μs的建立時(shí)間后，nRF2401開(kāi)始監(jiān)測(cè)空中，接收到有效的數(shù)據(jù)包后解調(diào)為原來(lái)的數(shù)字信號(hào)，送以端頭、地址和CRC位，MCU發(fā)出中斷命令，DR1拉高。 MCU也可以置CE為低來(lái)中止RF字的接收，同時(shí)為載入數(shù)據(jù)輸出適當(dāng)頻率的時(shí)鐘。當(dāng)所有的數(shù)據(jù)載入后，將DR1拉低，準(zhǔn)備接收下一個(gè)數(shù)據(jù)包。 圖6 (2)圖像轉(zhuǎn)換和暫存 nRF2401傳輸給FPGA的異步串行數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)FPGA轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)并暫存到緩沖區(qū)(512KB的外部RAM)，收到MCU的命令后將RAM內(nèi)部的數(shù)據(jù)送到LCD顯示。當(dāng)整幅圖像都被接收以后，F(xiàn)PGA將存儲(chǔ)的視頻發(fā)送到LCD控制器SED1353。出于安全性的考慮，系統(tǒng)同時(shí)還外掛有2MB的內(nèi)存事保存視頻歷史記錄。圖像轉(zhuǎn)換和暫存的過(guò)程，其實(shí)是前面圖像采集的逆過(guò)程。接收部分FPGA的設(shè)計(jì)與發(fā)送部分類似，這里不再詳述。