無線視頻通信作為第三代移動通信關(guān)鍵技術(shù)得到了廣泛關(guān)注,。但其是為遠(yuǎn)距離多用戶服務(wù)的，開發(fā)難度大,，需要眾多輔助技術(shù)支持,。然而，近距離無線視頻通信可以采用較為成熟的技術(shù)實現(xiàn),，它可以應(yīng)用于視頻監(jiān)控中不易連線的部分以及近距離巡視,，它不同于3G技術(shù)中的視頻傳輸，具有易于開發(fā),、傳輸距離近等特點,。要實現(xiàn)無線視頻傳輸，就要應(yīng)用大壓縮比的視頻壓縮編碼滿足無線傳輸速率的苛刻要求,，MPEG-4編碼是基于圖像內(nèi)容的第二代視頻編碼方案,，并將對象合成的編碼方案也結(jié)合在標(biāo)準(zhǔn)中,，它根據(jù)圖像的內(nèi)容將圖像分割為不同的視頻對象(VO)。在編碼過程中,，前景和背景對像采用不同的編碼策略：前景對像的編碼壓縮盡可能保留壓縮對像的細(xì)節(jié)和平滑性,；對背景視頻對像，采用大壓縮比的編碼策略,，而在解碼端用其他的背景拼成新的的背景,。因此它可以實現(xiàn)大壓縮比的視頻編碼，不僅解決了塊效應(yīng),，同時解決了無線傳輸時的帶寬限制問題,，因此MPEG-4被作為無線通信系統(tǒng)中主要的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)硬件總體方案

圖1所示為無線視頻傳輸系統(tǒng)框圖,。采用專用MPEG-4編碼器,，可以獲得良好的性價比，因此采用日本OKI公司的ML86410芯片是較好的MPEG-4視頻壓縮解決方案,；同時采用挪威Nordic公司的nRF24L01和nRF24LU1芯片實現(xiàn)無線傳輸,，它們不僅具有高達(dá)2Mbit·s-1的無線空中速率，而且后者帶有增強型8051內(nèi)核和USB2.0協(xié)議的無線Soc芯片,，較好地解決了與PC機的連接問題,；控制器采用廣泛使用的低功耗FPGA來協(xié)調(diào)控制視頻流的無線傳輸以及對OV7620和ML86410進(jìn)行控制和模式配置，F(xiàn)PGA準(zhǔn)確地邏輯性保證了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

從圖中可以看出,，在視頻采集電路中,，F(xiàn)PGA是整個系統(tǒng)的核心控制器。它的作用是無線接收配置參數(shù),，對圖像CMOS傳感器和ML86410進(jìn)行初始化配置,；當(dāng)開始圖像采集后，其負(fù)責(zé)接收MPEG-4視頻數(shù)據(jù),，并進(jìn)行無線傳輸,。設(shè)計重點是實現(xiàn)了視頻的無線傳輸，采用具有nRF24系列芯片,，具有2Mbit·s-1的空中速率,；這樣的速率對一般視頻數(shù)據(jù)流是不能實現(xiàn)無線傳輸?shù)模砸扇【哂懈邏嚎s率的MPEG-4視頻編碼,，其要求的傳輸速率較低,，當(dāng)圖像分辨率為176×144時,，速率為4800～64000 bit·s-1,。

1.1 視頻采集模塊電路

1.1.1 OV7620

OV7620是一種CMOS圖像傳感器，被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)攝像頭,、攝像手機等產(chǎn)品中,。它是一種CMOS彩色/黑白圖像傳感器,，支持連續(xù)和隔行兩種掃描方式，VGA和QVGA兩種圖像格式,；最高像素為664×492,，幀速率為30f·s-1；數(shù)據(jù)輸出格式包括YUV,、YcrCb和RGB這3種,，能夠滿足一般圖像采集系統(tǒng)的要求。OV7620內(nèi)部具有可編程功能寄存器,，設(shè)置有上電模式和SCCB編程模式,，設(shè)計中采用了SCCB編程控制協(xié)議，連續(xù)掃描,，8位YUV數(shù)據(jù)輸出,。

1.1.2 ML86410壓縮芯片

ML86410是日本OKI公司面向監(jiān)視攝像機、網(wǎng)絡(luò)攝像機等圖像監(jiān)控設(shè)備開發(fā)的一種能夠?qū)崟r進(jìn)行MPEG-4圖像壓縮(編碼)處理的單芯片,。以往面向網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視攝像機的視頻編碼方式一般采用Motion-JPEG方式,，存在著壓縮率低的問題。在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行視頻傳輸時,，受網(wǎng)絡(luò)帶寬的影響,，使得傳輸圖像的尺寸縮小，并帶來畫質(zhì)下降和動畫圖像的幀率降低等限制,。于是,，OKI采用MPEG-4視頻編碼國際標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)了具有高壓縮率的高畫質(zhì)視頻MPEG-4編碼器芯片ML86410,。它采用了獨創(chuàng)的專用加速器,，無需高速CPU、DSP,，與以往方式相比實現(xiàn)了低功耗,，并大幅度降低了產(chǎn)品成本。

ML86410由視頻接口,、MPEG-4編碼器,、主機接口電路、鎖相環(huán)PLL和DRAM存儲器控制組成,。其特性如表1所示,。

1.1.3 SDRAM存儲器

SDRAM存儲器在電路中主要完成對攝像頭采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，以使ML86410的,。MPEG-4編碼器部分進(jìn)行有序編碼,。設(shè)計中采用三星公司K4S643232F系列SDRAM實現(xiàn)，它是2×32 MbitSDRAM存儲器,，采用32位數(shù)據(jù)總線進(jìn)行存取,，工作頻率最高166MHz,，可以滿足ML86410對緩存的要求。它是一個具有67108864bit的同步高數(shù)據(jù)率的動態(tài)RAM存儲器,，由4塊512×32 kbit組成,。

1.1.4 連接電路

ML86410和OV7620、SDRAM的連接電路圖如圖3所示,。

1.2 無線傳輸方案

1.2.1 nRF24L01及其連接電路

下位機的無線連接采用Nordic Semiconductor公司的nRF24L01,。它是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段,，采用GFSK調(diào)制,，硬件集成OSI鏈路層，最高空中速率達(dá)到2Mbit·s-1,，采用SPI接口連接控制器,。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器,、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊并融合了增強型ShockBurst技術(shù),，其輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置，有125個頻道,。nRF24L01功耗低,，在以功率為-6dBm發(fā)射時，工作電流只有9mA,；接收時,，工作電流為12.3mA。

采用SPI接口與控制器FPGA進(jìn)行連接,，負(fù)責(zé)開機時接收各個器件的配置信息,，完成配置后進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)流的無線發(fā)送。其中,，CE是發(fā)射和接收切換引腳,，CSN為片選，IRQ為中斷信號輸出引腳,，連接電路圖如圖4所示,。

1.2.2 nRF24LU1及其應(yīng)用電路

nRF24LU1+是Nordic推出的一款將高性能射頻收發(fā)器與單片USBdongle功能結(jié)合起的無線收發(fā)芯片，它可實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)到USB數(shù)據(jù)形式的轉(zhuǎn)換,，這樣就實現(xiàn)了與PC機的連接,。nRF24LU1+內(nèi)含1個增強型8051MCU內(nèi)核、無線收發(fā)模塊,、符合全速USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的器件控制器,。nRF2ALU1+顯著地增強了抗寬帶干擾和互調(diào)失真(IMD)性能。nRF24LU1+芯片需要的外部元件只是低成本的16MHz晶振、去耦電路,、匹配網(wǎng)絡(luò)和天線,。USB工作電源電壓范圍4.0～5.25 V,。nRF24LU1+是單片結(jié)構(gòu),，外形尺寸5mm×5mm。它的最高速率2Mbit·s-1,，兼容所有nRF24系列芯片,；使用Enhanced ShockedBust技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的自動打包/解包和傳輸處理；使用MultiCeiver技術(shù)可同時支持6個無線裝置,，頻段,、輸出能量和其他射頻參數(shù)可通過射頻寄存器進(jìn)行編程調(diào)節(jié)，電路圖如圖5所示,。

1.2.3 PA和LNA

單獨只采用nRF芯片只能近距離的無線通信,，為增加無線視頻傳輸?shù)木嚯x，需要加入PA,。從增加數(shù)據(jù)通信距離考慮,，還需要增加芯片輸入端的接收靈敏度，選用合適的LNA和濾波器成為必然,。設(shè)計選用Maxim公司的MAX2240和MAX2644,，連接電路如圖6所示。

MAX224O專為2.4～2.5 GHz頻段的應(yīng)用而設(shè)計,，符合Bluetooth,、HomeRF、802.11標(biāo)準(zhǔn)以及其他FSK調(diào)制系統(tǒng)的要求,。MAX2644是一款專為WLAN,，Bluetooth等工作在2.4GHz頻段內(nèi)的設(shè)備設(shè)計的高三階交調(diào)點的低噪聲放大器。放大電路中,，微波開關(guān)采用Hittite公司生產(chǎn)的低成本SPDT微波開關(guān),，型號HMC545，該開關(guān)特別為3G和ISM頻段工作的設(shè)備設(shè)計,，其插入損耗僅有0.25dB,，采用SOT封裝、體積小,，可用CMOS或TTL電平控制,。利用nRF芯片的VDD_PA引腳控制無線發(fā)送和接收的切換。

2 控制器FPGA設(shè)計

FPGA選用Altrea公司的EP2C8208,。其硬件連接電路如圖7所示,。

3 初始化配置及工作流程

(1)初始化配置方式。

1)OV7620配置。OV7620的控制采用SCCB(Serial Camera Control Bus)協(xié)議,。它是簡化的I2C協(xié)議,，SIO-1是串行時鐘輸入線，SIO-0是串行雙向數(shù)據(jù)線,，分別相當(dāng)于I2C協(xié)議的SCL和SDA,。SCCB的總線時序與I2C基本相同。OV7620功能寄存器的地址為0x00～0x7C,。通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器,，可以使OV7620工作于不同模式。

2)ML86410配置,。對ML86410進(jìn)行配置需要對其寄存器進(jìn)行配置,，通過地址生成器產(chǎn)生地址XA0～9，然后通過數(shù)據(jù)總線XD0～15對相應(yīng)寄存器進(jìn)行寫值,。由于無線速率最高為2Mbit·s-1,，所以一定要對Bits Rate Setting Register(0x18C)進(jìn)行設(shè)置，有可變速率壓縮和固定速率壓縮兩種方式,。

3)nRF24L01配置,。對nRF24L01進(jìn)行配置通過對其內(nèi)部的寄存器進(jìn)行寫值完成，通過SPI總線完成數(shù)據(jù)的寫入,。其需要用戶配置的寄存器地址為00～17,，共18個8bit寄存器，當(dāng)要進(jìn)行發(fā)送和接收的切換時,，同樣要寫入相應(yīng)的寄存器值,。

(2)工作流程。

1)開機配置：首先測試無線連接,，連接成功后由PC端下傳參數(shù)模式配置命令,；下位機接到命令后，由配置參數(shù)配置邏輯解析到參數(shù)模式后,，通過控制邏輯對ML86410和OV7620進(jìn)行初始化配置,，成功后即開始視頻采集，失敗發(fā)送錯誤到PC端,。

2)視頻無線發(fā)送：視頻采集開始后,，視頻流在ML86410的控制下有序進(jìn)入FPGA緩沖，緩沖采用乒乓緩沖操作,，然后數(shù)據(jù)經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換,，再通過SPI口送入nRF24L01無線發(fā)送。

3)視頻無線接收：nRF24LU1+接收到視頻流后,，經(jīng)過緩沖,，即送入USB2.0協(xié)議槽通過USB接口傳入PC進(jìn)行顯示。

4)視頻顯示：PC采用VC++編寫程序調(diào)用Windows自帶的視頻播放器，同時調(diào)入MPEG-4視頻流,，解碼后顯示,。

4 上位機軟件設(shè)計

上位機采用VC++編寫成熟的視頻監(jiān)控軟件，和通用的視頻監(jiān)控軟件相同,，接收來自USB端口的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮顯示即可,。效果圖如圖9所示。

5 結(jié)束語

采用具有可靠邏輯功能的FPGA協(xié)調(diào)MPEG-4視頻流到無線數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)換和發(fā)送,，可以保證無線視頻傳輸?shù)男阅?；同時在終端采用帶有無線功能和USB2.0協(xié)議的SOC芯片來實現(xiàn)與PC連接,，不僅保證了無線傳輸?shù)目煽啃?，還使得電路小型化，方便使用,。測試表明,，無線速率低于2Mbit·s-1時，可以實現(xiàn)無線視頻的可靠傳輸,。

作者：關(guān)曉磊 李志強   來源：《電子科技》2011年06期