基于WiFi技術的視頻傳輸系統的研究與設計

王劍飛　李國義　杜鵬　趙光旭

【摘要】 隨著經濟的發展，我國對于煤炭的需求與日俱增。煤炭開采規模越來越大，也就意味著有越來越多的礦工需要在井下作業。目前，大多數礦山企業都采用有線傳輸的方式，一旦發生礦難，有線線纜被破壞，視頻傳輸就會立即中斷，進而使井上搜救人員不能及時了解井下被困人員的情況，影響救援的決策與進度。因此，有必要建立一套完整的井下視頻無線傳輸系統。WiFi技術應用于井下無線視頻傳輸系統具有速度快、可靠性高、靈活性好、傳輸距離遠，抗干擾能力強等優點，同時方便與現有的有線以太網絡整合，組網的成本更低。因此，本論文提出基于WiFi技術的視頻傳輸系統的設計與實現。視頻傳輸系統由發送端、接收端、交換機、光電轉換器以及監控中心組成。

【關鍵詞】 WiFi技術 MSP430F5438 W5200 視頻傳輸

一、視頻傳輸系統發送端的硬件設計

1.1 發送端組成框圖

發送端由處理器模塊、視頻采集模塊、WiFi模塊、復位電路、電源電路、時鐘電路、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，它是整個分站的心臟，負責完成各芯片的驅動、數據的收發處理。（2）視頻采集模塊：通過攝像頭進行井下視頻的采集。（3）WIFI發送模塊：選用WIFI模塊，將采集到的視頻信號向上傳輸。（4）FLASH存儲器：主要用作程序代碼、數據表格以及用戶信息的存儲。（5）JTAG接口電路：它是電路板調試時的調試接口，是用來完成燒寫操作的。（6）復位電路：對電路進行復位操作。（7）電源電路：給MSP430和WIFI模塊供電。（8）時鐘電路：對各個指令的執行進行時間控制。

1.2 發送端各單元模塊設計

1.2.1 處理器模塊

處理器是發送端的核心部分，主要負責各個模塊的通信，視頻采集處理，并將采集的信息上傳給模塊，同時通過控制WiFi模塊LTM22實現無線收發數據。

本模塊的主控制器選用了功能強大、功耗低的MSP430F5438，MSP430F5438單片機的封裝具有100個引腳，并且能工作在低功耗狀態下。該微處理器芯片因為有較好的市場潛力和靈活強大的應用特性，迅速在嵌入式系統領域得到廣泛的應用和較快的發展。芯片硬件擴展能力強，內存空間大，下載和調試程序非常方便，同時單片機Flash存儲器空間達到256K，內部RAM達到16KB，可以在系統寫入底層驅動程序和TCP/IP協議棧的同時擁有足夠大的內存空間來實現數據的接收和發送。

該芯片的主要特點如下：（1）可以在超低功耗狀態下正常工作。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。寄存器尋址方式多樣，指令系統簡潔，擁有16位精簡指令結構。片內存儲器和寄存器可進行數字和邏輯運算，多個中斷源可以實現嵌套。（3）外設資源豐富。256KB的Flash存儲器，12位A/D轉換，16位定時器，2個通用串行接口，硬件乘法器，看門狗計數器和內部溫度傳感器等。（4）系統工作穩定。晶體振蕩器起振穩定后，可以根據設定的系統時鐘頻率來工作，如果程序跑飛，看門狗電路會產生復位信號以便保證系統正常運行。

1.2.2 WiFi模塊

視頻發送端的WiFi模塊的芯片選用了LTM22。LTM22芯片是針對IEEE802.11/WiFi無線傳感網絡應用的片上系統（SoC）解決方案，LTM22芯片采用增強型8051MCU、128KB閃存、8KB的RAM等高性能模塊，并內置了IEEE802.11協議棧。加上超低功耗，使得它可以用很低的費用構成WiFi節點，這種解決方案能夠提高性能并滿足以為基礎的2.4GHz ISM波段應用對低成本，低功耗的要求。同時，LTM22的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用，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壓器，當輸出 1A 電流時，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 提供完善的過流保護和過熱保護功能，確保芯片和電源系統的穩定性。同時在產品生產中應用先進的修正技術，確保輸出電壓和參考源精度在±1%的精度范圍內，電源模塊電路圖如圖3所示。

1.2.4 JTAG接口電路

JTAG接口是電路板調試時的調試接口，是用來完成燒寫操作的。為程序的調試提供了極大的方便，可以讓用戶使用單步運行、設斷點等調試手段。JTAG信號接口定義如下：（1）TCK返回的測試時鐘輸出。（2）TDO JTAG接口的測試數據輸出。（3）TDI JTAG接口的測試數據輸入。（4）TCK JTAG接口的測試時鐘。（5）TMS JTAG接口的測試模式選擇。（6）RST JTAG接口的測試復位。

JTAG接口主要用于連接仿真器，仿真器通過JTAG接口可以對存儲器中代碼進行在線編程和功能調試。標準的4線JTAG調試接口的作用分別是數據輸入（TDI）和數據輸出（TDO）、時鐘輸入（TCK）、模式選擇（TMS）。 MSP430F5438與前期開發的一些單片機系列有所不同，JTAG接口完全獨立，因為不再與I/O 口復用，方便調試，JTAG接口電路圖如圖4所示。

二、視頻傳輸系統的軟件設計

軟件系統采用μC/OS-II實時操作系統，主程序用C語言編寫。主要包括攝像頭采集、WIFI、收發數據和視頻監控中心顯示等，系統軟件框架如圖5所示。

三、總結

本設計基于WiFi技術，選用MSP430F5438、LTM22及W5200等低功耗器件開發了一種成本低、功耗低的視頻傳輸系統。利用新型無線傳輸技術實時上傳數據，實現了數據的實時性，工作穩定可靠，具有良好的應用前景。