一種用于家庭可視門(mén)鈴的無(wú)線(xiàn)視頻通信系統

　　摘要：介紹一種用于家庭可視門(mén)鈴的無(wú)線(xiàn)視頻通信系統。該系統將數字攝像頭采集的圖像數據經(jīng)過(guò)濾波、放大等處理，調制到2.4GHz的載波上，由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊發(fā)射擊去;接收端將該視頻數據解調還原，并傳送到顯示模塊，在LCD顯示出來(lái)。 關(guān)鍵詞：nRF2401 無(wú)線(xiàn)視頻信號 AT89C52 攝像頭7260 目前，國內安裝的可視門(mén)鈴多數是有線(xiàn)的，或是通過(guò)類(lèi)似于電視系統的調幅或調頻方式來(lái)發(fā)送圖像的。出于成本的考慮，這些可視門(mén)鈴系統傳輸距離受限制，信號質(zhì)量不高，抗干擾性差。隨著(zhù)用戶(hù)要求的提高，尤其是在大型別墅中，門(mén)鈴和圖像接收端相距較遠，這就需要將有線(xiàn)變?yōu)闊o(wú)線(xiàn)，模擬信號調幅或調頻無(wú)線(xiàn)傳輸變?yōu)閿底中盘栒{制(FSK，QFSK，GFSK)無(wú)線(xiàn)傳輸。FSK(Frequency Shift Keying)即鍵控頻移，QFSK(Quadrature Frequency Shift Keying)即正交鍵控頻移，GFSK(Guassian Frequency Shift Keying)即高斯鍵控頻移。通過(guò)系統的數字化，圖像信號質(zhì)量得到提高，抗干擾性得到大大加強;同時(shí)，整個(gè)系統的體積相比其它的傳輸方式將會(huì )減小很多，因此，具有廣泛的商業(yè)應用價(jià)值和發(fā)展前景。

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　　由于我們的系統用于別墅單用戶(hù)的可視門(mén)鈴，因此對圖像的連續性要求不高。設想一直，在戶(hù)主聽(tīng)到門(mén)鈴響，再到門(mén)口查看監視器的畫(huà)面最少需要3s。只需要傳輸 1幀圖像到監視終端，讓?xiě)糁骺吹絹?lái)訪(fǎng)者是誰(shuí)就可以了。因此由于成本的原因，我們會(huì )把采集到的圖像直接傳輸出去而中間不會(huì )加上昂貴的圖像壓縮解壓縮芯片。 整個(gè)數字無(wú)線(xiàn)視頻通信系統主要由三個(gè)模塊構成：圖像采集模塊、數據傳輸模塊、圖像接收顯示模塊，如圖1所示。

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　　1 圖像采集模塊 該模塊的硬件框圖如圖2所示。 攝像頭7620是256色30萬(wàn)像素的CMOS攝像頭。它輸出并行16位圖像信號，包括8位的色度信號、8位的亮度信號以及場(chǎng)同步與行同步信號。1幀圖像(640%26;#215;480)的尺寸是640%26;#215;480%26;#215;16=4 915 200(位) 如果以RF發(fā)送模塊nRF2401的最大速度1Mbps來(lái)計算，發(fā)送1幀圖像所要的時(shí)間為 4 915 200/1 000 000=4.9152(s) 這顯然太長(cháng)了。不過(guò)，7620還有一種工作模式就是，通過(guò)降低分辨率來(lái)減少圖像尺寸。這種模式提供了320%26;#215;240的圖像。這樣，圖像數據不到3s就可以到達接收端，滿(mǎn)足可視門(mén)鈴的要求。 圖3 8位色度信號、8位亮度信號以及場(chǎng)同步與行同步信號先通過(guò)FPGA緩存到RAM，同時(shí)轉換為異步串行數據，通過(guò)RF模塊發(fā)送。圖3是7620的工作時(shí)序。 圖3中，Y信號是8位亮度信號，UV是8位色度信號。VSYNC是場(chǎng)同步信號，HREF是行同步信號。 FPGA的工作是完成圖像數據的緩存控制以及啟動(dòng)RF模塊發(fā)送圖像數據。這里，采用Altera公司的EPF6016。它是一顆16000門(mén)的FPGA。圖4為FPGA與攝像頭7260、MCU以及RF模塊的連接示意圖。 圖4中，U1為EPF6016ATC100，J1是FPGA與攝像頭7260的連接插座。Y、UV、VSYNC和HREF的定義如前，READY是MCU 對FPGA的控制信號，DATA是FPGA與RF模塊之間的串行數據線(xiàn)。

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　　當用戶(hù)按下門(mén)鈴，MCU收到命令開(kāi)啟照明燈，同時(shí)初始化攝像頭7260，并發(fā)送READY信號給FPGA，通知其準備接收圖像信號。由7260的工作時(shí)序可以看到，當攝像頭采集到一幀圖像后，VSYNC便發(fā)送1個(gè)高電平，FPGA準備接收信號。1幀圖像由很多行組成。這些行在場(chǎng)同步信號VSYNC的兩個(gè)高電平之間傳送。而每一行的信號傳輸現時(shí)由HREF同步。當HREF的上升沿來(lái)到后，FPGA開(kāi)始接收圖像數據。在PCLK的上升沿，每一行的圖像數據通過(guò) Y口和UV口送出，從時(shí)序圖可以看到1行包括640個(gè)點(diǎn)。 FPGA需要將收到的圖像緩存到512KB的RAM，需要有20位的地址信號線(xiàn)和8位的數據信號線(xiàn)。 FPGA采集到的圖像信號是并長(cháng)的數字信號。要將這些信號發(fā)射出去，還需要轉化為異步串行數據，這個(gè)工作由FPGA來(lái)完成。我們所規定的異步串行通信協(xié)議和通用的RS232協(xié)議類(lèi)似： 沒(méi)有信號時(shí)，DATA線(xiàn)為高電平;要傳送數據的時(shí)候，先發(fā)送1個(gè)低電平脈沖(起始位)，緊接著(zhù)2個(gè)字節的數據(Y[7：0]，UV[7：0]，然后再發(fā)送 1個(gè)高電平脈沖(停止位)。1幀有效的串行數據就由這幾部分構成。 微控制器MCU主要完成以下幾個(gè)任務(wù)： ①初始化數字攝像頭7620; ②控制其它外設，接收和處理鍵盤(pán)命令，控制照明設備的開(kāi)啟等; ③與FPGA協(xié)同工作，并提供人機接口。 MCU采用常用的AT89C52。圖像采集模塊的工作流程如圖5所示。

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　　2 圖像傳輸模塊 圖像傳輸模塊(RF module)由一塊單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF2401完成。NRF2401工作在2.4～2.5G ISM頻帶，集成了頻率綜合器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器。由于nRF902使用了晶體振蕩器和穩定的頻率合成器，因此頻率漂移很低。電源電壓范圍為2.4～3.6～，輸出功率為10dBm，電流消耗僅9mA。輸出功率和頻偏可通過(guò)外接電阻進(jìn)行編程。

　　輸出信號為調制的GFSK(高斯鍵控頻率信號)，很容易通過(guò)8線(xiàn)串行I/O口進(jìn)行收發(fā)。圖6為nRF2401在無(wú)線(xiàn)通信中擴展的外圍電路。 通過(guò)PWR-UP、CE、CS引腳的選擇，nRF2401可以工作在激活/等待/節能模式。這里，使nRF2401工作在激活的突發(fā)脈沖(shock burst)模式。該模式使用片上FIFO。在不使用MCU控制數據操作情況下，能以極低的功耗運行數字部分而又以極快的速度(最高為1Mbps)傳輸數據，從而大大減少了電流消耗，降低了系統成本并且減少了傳輸時(shí)的“空中沖突”冒險。 FPGA送來(lái)的異步串行數據經(jīng)過(guò)nRF2401內部的RF帶通濾波、低噪聲放大、頻率綜合和脈沖放大，被調制成2.4GHz上的GFSK信號，完成圖像信號的傳輸。 3 圖像接收顯示模塊 圖像接收顯示模塊主要由三部分組成：圖像接收、圖像轉換和暫存、圖像顯示。如圖7所示。 (1)圖像接收 圖像接收部分也是由無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF2401完成。nRF2401可以同時(shí)發(fā)射1組、接收2組信號。在突發(fā)脈沖模式下，將RX和CE置高，200μs的建立時(shí)間后，nRF2401開(kāi)始監測空中，接收到有效的數據包后解調為原來(lái)的數字信號，送以端頭、地址和CRC位，MCU發(fā)出中斷命令，DR1拉高。 MCU也可以置CE為低來(lái)中止RF字的接收，同時(shí)為載入數據輸出適當頻率的時(shí)鐘。當所有的數據載入后，將DR1拉低，準備接收下一個(gè)數據包。 圖6 (2)圖像轉換和暫存 nRF2401傳輸給FPGA的異步串行數據，經(jīng)過(guò)FPGA轉換為并行數據并暫存到緩沖區(512KB的外部RAM)，收到MCU的命令后將RAM內部的數據送到LCD顯示。當整幅圖像都被接收以后，FPGA將存儲的視頻發(fā)送到LCD控制器SED1353。出于安全性的考慮，系統同時(shí)還外掛有2MB的內存事保存視頻歷史記錄。圖像轉換和暫存的過(guò)程，其實(shí)是前面圖像采集的逆過(guò)程。接收部分FPGA的設計與發(fā)送部分類(lèi)似，這里不再詳述。