基于WE904的實(shí)時(shí)圖像無(wú)線(xiàn)傳輸設計

關(guān)鍵詞：DSP McBSP WE904 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊 5B6B編碼

引言

隨著(zhù)短距離、低功率無(wú)線(xiàn)數據傳輸技術(shù)的成熟，特別是藍牙、802.11b等應用的推廣，無(wú)線(xiàn)數據傳輸應用再次成為應用的熱點(diǎn)。本文介紹一款基于新加坡Winedge公司WE904芯片的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，說(shuō)明其在一個(gè)實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)圖像數據傳輸系統中的應用，以其實(shí)現一個(gè)低發(fā)射功率和低成本的實(shí)際應用系統。為低成本中低速的無(wú)線(xiàn)數據傳輸提供一種新的解決方案。

1 系統簡(jiǎn)介

系統的簡(jiǎn)單框圖如圖1。此系統的簡(jiǎn)單工作過(guò)程為：①電腦眼負責圖像采集和圖像信號的A/D轉換。②電腦眼輸出的圖像信號由DSP芯片TMS320VC5402（以下簡(jiǎn)稱(chēng)5402）編碼壓縮。③5402通過(guò)McBSP(多通道緩沖串口)實(shí)現與WE904模塊的接口，實(shí)現WE904模塊的配置，并且將編碼后的圖像信號以RS232協(xié)議的信號格式輸到WE904模塊，經(jīng)調制后發(fā)送出去。④接收端的WE904模塊輸出TTL電平的信號，經(jīng)過(guò)RS232電平接口的電平轉換后由串口輸入PC機。⑤PC機將收到的圖像信號解碼并顯示出來(lái)。

2 WE904無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊WE915CTX1介紹

WE915CTX1無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的主芯片是新加坡Winedge公司的WE904。WE904是一款支持全雙工的單片調頻收發(fā)芯片，僅需少量外部元件即可實(shí)現無(wú)線(xiàn)收發(fā)功能，工作頻率范圍可以從0.1GHz到1GHz。WE904提供串行編程接口，通過(guò)串行編程接口可以靈活地調整收發(fā)頻率、信號輸出模式、是否支持全雙工等參數。本系統在設計初期直接使用了WE904的模塊WE915CTX1。WE915CTX1集成了WE904芯片和所需的外部元件，并提供了簡(jiǎn)明的使用接口，可以非常方便地嵌入到應用系統中。其主要的特點(diǎn)是：

①工作于902MHz～928MHz美國ISM頻段，可以提供20個(gè)通道；

②使用FM/FSK的調制方式，頻道寬度100kHz；

③提供數字信號和模擬信號兩種輸出模式，可用于數字和模擬信號的傳輸；

④靈敏度為-115dBm；

⑤在低輸出功率0dBm時(shí)，可以提供約80m(數字信號) 和300m(話(huà)音等模擬信號)的有效傳輸距離；

⑥傳輸速率可達57.6kbps，與傳輸距離有關(guān)；

⑦提供串行編程接口，可能靈活配置收發(fā)頻率等參數；

⑧提供RSSI接收信號強度指示。

3 WE904模塊WE915CTX1的接口

WE915CTX1提供簡(jiǎn)單的用戶(hù)接口，如圖2所示。①VCC和GND為電源，電源電壓為3.3～4.5V。②A(yíng)udio In為待調制基帶信號的輸入引腳。其輸入信號可以是話(huà)音等模擬信號，也可以是數字信號。對輸入信號的要求是，其交流有效值通常為140mV～200mV，更大的輸入有效值能得到更好的信噪比，但也將占用更大的帶寬。通常200mV將產(chǎn)生25kHz的頻偏。TTL電平的數字信號輸入Audio In引腳時(shí)，必須先降低其電壓有效值，這可以通過(guò)使用2個(gè)串聯(lián)電阻分壓來(lái)實(shí)現。例如，可以用1個(gè)10kΩ和1個(gè)1.8kΩ的電阻串聯(lián)分壓，但使用的電阻阻值不能太大，否則會(huì )使輸入的方波波形產(chǎn)生嚴重的畸變。③Audio Out為接收信號的輸出引腳。當輸出模式設置為模擬輸出（analog）時(shí)，輸出信號有效值通常為140mV～180mV的已解調基帶信號。當輸出模式設置為數字模式（digital）時(shí)，輸出信號Vp-p為3V左右的數字信號方波。④LNA_ON為低哭聲放大器電源控制引腳，低電平有效。在接收時(shí)必須置低，能夠得到約15dB的增益；在不接收信號時(shí)可以關(guān)掉，以降低功耗。⑤ANT為天線(xiàn)連接引腳，其輸出阻抗為50Ω。⑥RSSI為接收信號強度提示。接收信號從-110dBm變化到-50dBm時(shí)，RSSI的電平大約從0.65V變化到1.70V。⑦CLK、DATA和LE為串行編程控制端口，用來(lái)實(shí)現對WE904芯片的編程控制。以下將詳細介紹。

4 WE904模塊WE915CTX1的編程控制接口

WE904芯片內部有4個(gè)控制寄存器，用來(lái)對WE904芯片的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。這4個(gè)寄存器分別是參考頻率寄存器、發(fā)送頻率寄存器、接收頻率寄存器和模式寄存器。這4個(gè)控制寄存器的相應位的功能定義此處不作介紹，讀者可以參考W904的芯片資料。對這4個(gè)寄存器的寫(xiě)入控制則是通過(guò)CLOCK、DATA和LE三個(gè)引腳業(yè)實(shí)現的，分別與模擬WE915CTX1的CLK、DATA和LE相對應，其寫(xiě)入時(shí)序如圖3所示。

寫(xiě)入的基本過(guò)程為：①LE開(kāi)始時(shí)為低電平。②當LE變?yōu)楦唠娖胶?，數據在CLOCK的驅動(dòng)下開(kāi)始由DATA引腳移入內部的移位寄存器。數據的移位操作是在CLOCK的上升沿進(jìn)行的。所以設計接口時(shí)通常使時(shí)鐘CLOCK的下降沿和位邊界對齊，這樣在CLOCK的上升沿能有效的采樣到數據。③在最后一個(gè)數據位移入內部移位寄存器后，LE在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿之前變低。在LE的下降沿，數據將由內部移位寄存器寫(xiě)入控制寄存器。④數據具體寫(xiě)入4個(gè)控制寄存器中的哪一個(gè)，是由DATA的最低兩位的值來(lái)決定的。這兩位稱(chēng)為裝載控制位（load control bit）。⑤WE915CTX1要求在CLOCK上升沿到來(lái)之前，DATA的數據至少已經(jīng)保持45ns,所以CLOCK的頻率不能太高，建議取10MHz以下。

5 5402r McBSP簡(jiǎn)介

5402是TI公司一款性?xún)r(jià)比非常優(yōu)越的通用DSP芯片，有著(zhù)廣泛 的應用。它提供有兩個(gè)McBSP。McBSP是一種全雙工的高速同步串行口，可以用來(lái)與系統中其它的DSP芯片、編碼解碼器等進(jìn)行高速的串行通信。McBSP的操作由DSP芯片中一系列寄存器來(lái)控制。圖4是McBSP的標準操作時(shí)序。無(wú)論是發(fā)送還是接收的移位操作，都是由幀同步信號FSX或者FSR的上升沿觸發(fā)的，并且由時(shí)鐘CLKR或CLKX來(lái)同步位邊界。從FSX或FSR的上升沿到移位操作開(kāi)始可以有幾個(gè)時(shí)鐘的延遲，圖4所示為1個(gè)時(shí)鐘的延遲。這可以由控制寄存器XCR2和RCR2中的相應的位來(lái)設定。在每一個(gè)幀同步信號之后發(fā)送或者接收的數據的位數也在控制寄存器XCR2和RCR2中有相應的設定，圖4是McBSP的最簡(jiǎn)單的操作時(shí)序，對一般的應用已經(jīng)足夠，更強大的功能則需要更復雜的設計。

6 5402與WE904模塊的接口設計

在本系統的設計中，圖像數據的發(fā)送和對WE904模塊的編程配置是使用DSP芯片5402的同一個(gè)McBSP來(lái)完成的。這了使這兩個(gè)過(guò)程互不影響，在設計中還使用了5402的一個(gè)I/O引腳XF。圖5為接口電路的簡(jiǎn)單原理，基本原理如下：①在對WE904模塊配置期間，XF為高電平，LE的輸入決定于McBSP的發(fā)送幀同步FSX，而發(fā)送時(shí)鐘CLKX和發(fā)送數據線(xiàn)DX分別驅動(dòng)WE904模塊的CLK和DATA。②為了對WE904模塊進(jìn)行配置，McBSP的設置為FSX周期大于24個(gè)CLKX的時(shí)鐘周期，高電平寬度設置為24個(gè)CLKX的時(shí)鐘周期。CLKX在驅動(dòng)CLK時(shí)先反相。這樣即可得到與圖4大體相同的時(shí)序，能夠完成對WE904模塊的配置。這里給出McBSP各個(gè)控制寄存器的參考值：SPCR1=0x0080,SPCR2=0x0262,RCR1=0x0000,SRGR2=0x301f,MCR1=0x0000,MCR2=0x0000,PCR=0x0b02。③在對WE904模塊的配置完成后，XF設置為低電平輸出，此時(shí)LE的輸入值恒為高電平，因此，CLK和DATA的輸入不會(huì )再改變WE904的設置。此時(shí)，發(fā)送的圖像數據從DX串行輸出，經(jīng)分壓后輸入EW904模塊的Audio In。發(fā)送的時(shí)鐘CLKX從FSR引腳輸入。這主要是因為本系統的DSP時(shí)鐘為100MHz，DSP的時(shí)鐘經(jīng)過(guò)內部計數器分頻后仍然無(wú)法從CLKX引腳得到要求的幾十kHz的時(shí)鐘，所要求的時(shí)鐘必須經(jīng)過(guò)再次分頻后（在寄存器FPER中設定分頻參數）從FSG得到，而發(fā)送幀同步FSX將設置成在數據從DXR拷貝到XSR時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生。在模塊的配置期間，FSR設置為輸入，不會(huì )影響CLK的輸入值。④XF在與FSX做或運算前經(jīng)過(guò)了一次反相，主要是因為XF在此系統中還同時(shí)用于其它結構的控制，在圖像的發(fā)送期間，要求XF為低電平。

圖4

7 RS232異步串行通信

本系統采用RS232異步串行通信協(xié)議。RS232異步串行通信接口是微機的傳統外設接口，特點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單，但速率較低。RS232接口在低速數據傳輸和工業(yè)控制、工業(yè)數據采集等方面有著(zhù)廣泛的應用。由于本系統要傳輸的圖像數據已經(jīng)得到較好的壓縮，速率在幾十kbps，所以本系統使用RS232串行口進(jìn)行通信。當不需要握手時(shí)，最簡(jiǎn)單的串口通信只需要3條線(xiàn)即可完成連接，單向通信甚至只需要2條線(xiàn)即可。但是由于RS232串行接口的電平較高（通常為正負4V～12V），不同于通常的TTL電平，所以必須經(jīng)過(guò)必要的電平轉換。本系統中使用MAXIM的MAX232完成電平轉換。RS232的通信協(xié)議的數據格式如圖6所示。在每一個(gè)字節的傳輸時(shí)，都是以一個(gè)起始位開(kāi)始，以停止位結束（停止位個(gè)數可設定）。在停止位前可以加入奇偶校驗位，在各個(gè)字節之間還可以插入空閑位。起始位為0，停止位為1?？臻e位也為1，與停止位有相同的電平。接收串口總線(xiàn)在檢測到起始位的下跳沿時(shí)開(kāi)始接收數據。在本系統設計中，由于數據是單向傳輸，RS232的數據格式直接由McBSP負責構建。之后送入WE904模塊的Audio In調制發(fā)送。如果要求雙向的數據傳輸，則可以加上一個(gè)異步串行通信的接口芯片來(lái)實(shí)現，如TI公司的TL16C750。接收方的微機負責串口數據接收。串口接收程序的編寫(xiě)通常有三種：①使用C或匯編語(yǔ)言控制硬件；②使用Windows的API函數；③使用VB提供的Mscomm控件。本系統使用的是VB的Mscomm控件。這種方法比較簡(jiǎn)單，但是效率稍低，如需要更高效率的程序，可以選擇前兩種方法。關(guān)于串口收發(fā)程序編寫(xiě)的資料很多，這里不再詳述。

8 FSK無(wú)線(xiàn)數據傳輸中低頻分量引起的誤碼

在FSK無(wú)線(xiàn)數據傳輸中，輸入信號中的低頻分量有可能引起很高的誤碼率。在二相FSK中的具體表現為當短時(shí)間內輸入信號中的“1”或“0”的個(gè)數顯著(zhù)增多時(shí)，接收信號的誤碼率也顯著(zhù)上升。這主要是因為整個(gè)系統對信號中的低頻分成衰減造成的，如系統中的隔直耦合電容的影響等。低頻成分衰減后造成信號無(wú)法正確恢復，從而引起了很高的誤碼率。要提高系統性能，必須使輸入信號中的低頻成分盡量小并保持恒定，這就是所謂的均衡問(wèn)題。對于簡(jiǎn)單的二元輸入，就是要使輸入信號中的1和0的個(gè)數盡可能的平衡。通常為減小低頻分量，可以將輸入信號采用HDB3編碼和曼徹斯特編碼等。HDB3是三元輸入碼，信號傳輸中有三種電平，需要用專(zhuān)門(mén)的硬件實(shí)現。曼徹斯特碼是二元碼。它的簡(jiǎn)單規則是：1用1到0的跳變來(lái)表示，0用0到1的跳變來(lái)表示。顯然采用曼徹斯特編碼后，1和0的個(gè)數達到了完全的均衡，但同時(shí)它增加了一倍的數據量?？紤]到數據量的要求，本系統在設計中借用了高速光纖通信中使用的5B6B編碼。5B6B編碼將5位的二進(jìn)制數用6位二進(jìn)制數表示，它從6位二進(jìn)制數的64種組合中精選出32組對信碼進(jìn)行編碼。編碼時(shí)有正模式和負模式兩種，使用時(shí)成對選擇以使得碼序列中1、0碼個(gè)數趨于平衡。5B6B具有這樣的特性：該傳輸序列中最大的連及連1個(gè)數為5。累積的1、0碼個(gè)數的差值（稱(chēng)為數字和）在-3～+3范圍內變化。5B6B碼解決了輸入信號中1和0的均衡問(wèn)題，同時(shí)具有較高的傳輸效率，它只增加了20%的碼數。本系統采用5B6B編碼后（在RS232輸出前進(jìn)行），在降低系統的誤碼率方面取得了非常明顯的效果。

結語(yǔ)

本系統使用WE904模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)的無(wú)線(xiàn)數字圖像傳輸實(shí)驗，采用普通單天線(xiàn)，在傳輸速率為57.6kbps和極低發(fā)射功率0dBm時(shí)，可視傳輸距離大于100m(需更元的距離可加大發(fā)射功率)。采用自己的圖像壓縮算法，每秒能夠穩定地傳輸3～6幀圖像（黑白圖像384288像素）。為低成本的中低速的無(wú)線(xiàn)數據傳輸提供了一種很有競爭力的參考方案。