基于微型雙向的無線圖像傳輸系統設計

劉 雷，馬洪兵

（清華大學 電子工程系，北京100084）

基于微型雙向的無線圖像傳輸系統設計

劉 雷，馬洪兵

（清華大學 電子工程系，北京100084）

由于在傳統的作戰中均通過無人偵察機和衛星獲得大規模，全場景的圖像采集信息，但該方法在面對靈活多變的戰場中無法依據戰場的移動而進行某一區域小規模的偵查。基于此文中設計了一種微型雙向的無線圖像傳輸系統，該系統在STM32開發平臺下，集圖像采集、無線傳輸及雙向控制為一體，其的體積小，移動方便，避免了在作戰中易于被敵方發現的缺點。測試結果表明，該系統運行效果良好，在未來的應用也會更加廣闊。

圖像采集；雙向控制；無線傳輸；STM32

隨著計算機系統、光電技術、圖像信息處理技術和數字通信技術的迅速發展，各國學者紛紛著手研究將眾多新興信息技術融合一體，使應用朝著更加廣泛的前景發展，如醫院的腸道檢測系統，該系統能實時將檢測的腸道以圖像的形式無線傳輸到醫生的可視化計算機界面，大幅減輕患者和醫生的負擔。尤其在作戰中，對于圖像的傳輸要求苛刻，其要求圖像傳輸系統體積小，不易被敵方發現，能追隨作戰場地的變動而實時進行圖像的采集與傳輸。目前各國研究人員均在研究微小型雙向的無線圖像傳輸系統，該微型系統體積小易于隱蔽，在惡劣的環境下生存性能可靠，例如在一些具有放射性的醫療器械及對于具有殺傷性生化武器進行圖像采集時，可脫離人為的參與，避免了對人體造成的巨大傷害，且成本低。該應用已成為軍事領域不可或缺的技術，故本文的研究有一定的意義。

1 系統架構

該系統的主要功能就是實現雙向控制無線圖像傳輸，該系統是在嵌入式開發系統模塊下實現的低成本雙向控制，首先進行圖像信息的采集處理，然后經過無線射頻模塊將圖像處理后的信息發送到接收端。由圖可看到，接收端可通過控制命令操作實現對圖像信息的控制，從而實現雙向操作，系統結構如下圖所示。

由于本文設計原理是微型系統的設計，因此該系統模塊的組成均要滿足微小型化的設計要求，對于發射端和接收端的各個小模塊均要考慮嚴格的尺寸設計。根據國家標準，該微型系統整體尺寸為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，暫存到緩存隊列中，經過時序脈沖有序的到來，一幀圖像信息將被讀取到射頻發射模塊，從而保證了各個模塊有條不紊的工作。在接收端，接收到的圖像信息暫時存放在存儲模塊中，當儲存一幀信息之后，經過脈沖時序的到來將一幀圖像信息傳輸到LCD屏幕上?？刂菩畔⒌陌l送是在接收端響應外部中斷后，停止圖像接收的過程轉換成發射的模式從而達到雙向控制的目的。

圖1 系統架構圖

2 硬件設計

OV7670芯片是OmniVision公司生產的一款弱電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是其技術參數。由表可以看出，其外形尺寸完全符合國家對微小型系統的尺寸標準。圖2為其事物模圖，具有體積小，功耗低的特點。

表1 OV7670主要技術參數

圖2 OV7670模組

在采集圖像信息時，需要嚴格依據時序圖進行傳輸，該時序就是芯片的SCCB通訊時序，如圖3所示，圖像的各種處理均是通過該時序圖對內部寄存器的設置達到所需的功能。該時序類似與常見的I2C時序。對于幀圖像的輸出本文用場輸出時序控制，VSYNC為高電平時代表開始一幀數據的采集。一行像術的輸出用行輸出時序控制，如圖4所示。

圖3 SCCB時序

圖4 水平時序

如圖5所示，在一幀QVGA輸出時，控制信號和數據輸出信號的時序圖，QVGA圖像大小為320×240，2個字節表示一個像素。由于圖像傳輸時數據量大，若采集到的圖像信息直接傳送到射頻模塊，在假設1s采集一幀圖像的情況下，也會給射頻模塊的發射帶來困難。因此，需要采取措施，增加一級緩存模塊，該設計選用AL422B高速緩存的OV7670模塊，AL422B時鐘的讀寫由場同步控制，使圖像采集和發射速率相匹配，從而達到數據同步的目的。無線射頻發射與接收模塊是用Nordic公司的NRF24L01芯片，表2列出了NRF24L01的主要技術參數。

圖5 輸出QVGA幀圖像時的時序圖

圖6所示為發送和接收一字節數據的時序圖，接收模塊和發射模塊分別設置為接收模式與發射模式，130 us之后開始發射，37 us之后關閉發射。此時發送模塊轉入接收模式等待應答信號的到來，當接收模塊接收數據包后，中斷開始響應，并傳達給微處理器數據結束接收。

表2 NRF24L01的主要技術參數

圖6 發送一包數據的時序圖

3 軟件實現

本系統的程序設計流程圖，如圖7所示。

圖7 系統軟件設計流程圖

首先需進行各個模塊的初始化，包括各個接口、LCD、圖像采集芯片、無線射頻發射與接收模塊的初始化。初始化內容主要是進行時鐘的使能，主芯片及寄存器的初始化。OV7670在對數據存儲和讀取的過程中是用外部中斷來響應同步信號，通常通過設置的變量ov_sta控制FIFO的讀或寫操作，當FIFO=0時，表示存儲的數據已被讀取結束，當VSYNC=1時，代表指針復位。當緊接著遇到下一個VSYNC=1時，說明一幀數據讀寫結束，此時令OV7670=0，不允許在對OV7670寫數據。對NRF24L01的編程沿用了以往的固有編程模式，選擇接收模式，通過軟件配置接收模式參數，判斷中斷，響應中斷的過程，該程序流程圖已清晰的給出了設計思路。

4 實驗結果

按照上述原理的軟件和硬件設計流程，在STM32上實現了雙向可控的微型無線圖像傳輸系統，從而驗證該系統的可實現性，圖8為樣圖，令發射的分辨率為零，分辨率為 320×240，圖像傳輸速率為0.22幀/s，在實驗室內可達到約2m的圖像傳輸。圖中并不清晰，但由于對圖像的拍攝鏡頭不是專業攝像所能達到的分辨率，且圖像格式的分辨率也較低。在更改圖像的參數時，由圖可知就將會在下一幀中出現。

圖8 系統原理圖樣機

5 結束語

文中在STM開發平臺上實現了微型雙向的無線圖像傳輸系統，結果表明該系統能以0.22幀/s的速率傳輸圖像，通過對控制命令的的操作，可實現該系統的雙向圖像傳輸功能，具有圖像傳輸性能好、造價低、可靠性能高等優點。且系統體積小，移動方便，能廣泛應用在各個領域，尤其在軍用行業，各種地質勘查及地質災害均可應用，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，羅火靈，等.基于DICOM的醫學圖像傳輸服務設計[J].計算機工程， 2011（S1）：255-257，268.

[3]麥超云，粟傈，朱利.基于 ARM11的無線多點圖像傳輸系統[J].微計算機信息，2012（6）:110-112.

[4]沈建華.ARM處理器與嵌入式系統[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（11）:5-7.

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

[6]張曉莉，劉磊.煤礦井下TD無線數據采集終端的設計[J].電子科技，2011，24（9）:108-110.

[7]孫海超，陳春寧，田睿，等.基于以太網的高速圖像傳輸的研究與實現[J].計算機技術與發展，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:科學出版社，2015.

[10]孫會麗.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[M].成都:電子科技大學出版社，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，France 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：201606184

劉 雷（1985—），男，北京人，碩士，工程師。研究方向：信息與通信工程。