嵌入式無線實時圖像傳輸系統設計方案

摘 要： 提出了一種基于S3C2440A 的無線實時圖像傳輸的設計方案，該方案利用S3C2440A 進行核心控制，通過USB2.0 控制器CY7C68013A 實現USB2.0 接口，通過nRF2401 實現無線數據收發。闡述該系統的工作原理、硬件構成及軟件設計方案。

　　1 引言

　　隨著信息化，智能化，網絡化的發展，嵌入式系統技術也將獲得廣闊的發展空間。進入20 世紀90 年代，嵌入式技術全面展開，目前已成為通信和消費類產品的共同發展方向。在通信領域，數字技術正在全面取代模擬技術。毫無疑問，模擬圖像采集系統必將被數字圖像采集系統所代替，其中的嵌入式圖像采集系統由于其優越的性能越來越受到人們的關注。同時，在技術進步推動信息傳遞日趨無線化的背景下，無線圖像傳輸也就成為了圖像傳輸的前沿領域。對于邊遠的和可移動的系統，無線網絡接入傳輸數據方式顯得十分重要。本文介紹了采用nRF2401 作為傳輸手段的無線圖像傳輸系統。該系統由無線照相機和圖片接收器兩部分組成，具有視頻圖像采集、壓縮、傳輸和存儲等功能。

　　2 系統總體設計方案

　　整個圖像傳輸系統包括無線照相機和圖片接收器兩大部分。無線照相機主要由CMOS 攝像頭、JPEG壓縮編碼和無線發射部分組成，圖像采集部分用嵌入式處理器控制CMOS 攝像頭采集圖像數據并進行JPEG 壓縮，再利用nRF2401 來傳送處理過的圖像信息。圖片接收器接受完圖片信息后，通過軟件將圖片文件存儲在硬盤中，并將其顯示在LCD 上。整個無線實時圖像傳輸系統的結構如圖1 所示。

圖1 無線實時圖像傳輸系統結構圖

　　3 無線照相機的設計

　　本文所設計的無線照相機采用了基于linux 2.6內核的嵌入式系統[1],它出色地完成了圖像的采集、壓縮及無線傳輸等功能。

　　3.1 硬件設計

　　嵌入式無線照相機由CMOS 攝像頭，USB2.0 控制器CY7C68013A、nRF2401發射部分、S3C2440A嵌入式系統組成，如圖2 所示。

圖2 嵌入式無線照相機系統硬件結構。

　　3.1.1 CMOS 攝像頭

　　系統采用的CMOS 攝像頭是網眼公司生產的網眼2000B,它采用的是OV511+7260 的攝像頭方案，由于linux 2.6 源碼中這兩款芯片的驅動，給我們的設計帶來了很大的方便。該攝像頭的視像解像度為640（水平） x 480（垂直）像素，清晰度可以滿足大部分的應用，它還具有良好的電源管理功能、完善的自動亮度、白平衡控制，并提供色彩飽和度、對比度、邊緣增強、伽馬表等高級數碼影像控制功能。

　　3.1.2 無線收發芯片nRF2401

　　nRF2401 芯片和藍牙芯片一樣，都工作在2.4GHz 自由頻段，有125 個頻道，可滿足多頻及跳頻需要。跳頻通信具有抗干擾能力強，安全保密性好等特點。跳頻信號譜密度低，淹沒在噪聲之中，加之跳頻碼的保密性，因而不易被竊聽、破譯。nRF2401支持多點間通信，最高傳輸速率超過1Mbit/s,而且比藍牙具有更高的傳輸速度。它采用SoC 方法設計，只需少量外圍元件便可組成射頻收發電路。與藍牙不同的是，nRF2401 沒有復雜的通信協議，它完全對用戶透明，同種產品之間可以自由通信。更重要的是，nRF2401 比藍牙產品更便宜。所以nRF2401 是業界體積較小、功耗較少、外圍元件最少的低成本射頻系統級芯片。

　　3.1.3 USB2.0 控制器CY7C68013A

　　CYPRESS 公司推出的USB2.0 控制器CY7C68013A 是USB2.0 的完整解決方案。它既負責USB 事務處理也兼具微處理器的控制功能，也可作為USB 外部芯片的主控芯片。該芯片包括帶8KB 片上RAM 的高速8051 單片機、4KB FIFO 存儲器以及通用可編程接口（GPIF）、串行接口引擎（SIE）和USB2.0收發器，6 條可編程控制輸出線，9 條地址輸出線和6條通用目的地準備輸入線；數據線寬度可為8 位或16位，其小巧的體積及較高的性價比使得該芯片在海量存儲器、打印機、掃描儀和PCMCIA 等各種USB 設備上得到了廣泛的應用。

　　3.1.4 嵌入式處理器S3C2440A

　　由于本系統采用的圖像壓縮是軟件壓縮，所以在選擇嵌入式處理器的時候，需要衡量處理器的性能是否能勝任JPEG 壓縮程序以及USB 數據的傳送。在本系統中，嵌入式處理器采用韓國三星公司的基于ARM920T 內核的16/32 位RISC 嵌入式微處理器S3C2440A,主頻高達400MHz,適合于圖像、視頻處理，主要面向高性價比、低功耗的應用。S3C2440內置有豐富的外設資源，其中包括：存儲器、LCD、Camera、串口、IIC、IIS 和USB 等接口控制電路。

3.2 軟件設計

　　我們選用嵌入式linux 操作系統，版本號為：2.6.12.

　　它是本地圖像采集程序、壓縮程序、USB2.0 控制器CY7C68013A 驅動程序及其應用程序的運行平臺。

圖3 主程序流程圖

　　3.2.1 系統初始化

　　系統初始化包括對芯片OV511、OV7260,USB2.0 控制器CY7C68013A , 無線收發芯片nRF2401 的初始化以及linux 系統的初始化。linux系統的初始化主要完成對CPU、SDRAM 等芯片的初始化，加載攝像頭和USB2.0 控制器的驅動程序[5],為應用程序的執行做好準備。其它芯片的初始化主要對一些數據寄存器、地址寄存器、中斷服務寄存器進行相應的操作。

3.2.2 實時圖像傳輸流程

　　系統初始化完成之后，我們編寫的應用程序控制攝像頭驅動程序拍攝一幅圖像信號，并保存在flash盤中，程序流程如圖4 所示，此時的圖片文件是未壓縮的PPM 格式，接著JPEG 壓縮程序將PPM 格式的圖片壓縮成圖片，如圖5 所示，一幅分辨率為320*240的圖片文件大小平均只有8KB,完全可以滿足無線傳輸的需要，壓縮完成之后，讀取JPG 格式的圖片文件，并將圖像數據發送給USB2.0 控制器CY7C68013A的驅動程序，然后驅動程序再將數據寫入USB2.0 控制器的端點緩沖器， 最后， USB2.0 控制器CY7C68013A 控制nRF2401 將端點緩沖器中的圖像數據無線發送出去，程序流程如圖6 所示。