Bezdrátový přenos videa je dnes na trhu velmi žádaný. Produkty jako dětské monitory, video zvonky a hračky, které potřebují vzdáleně ovládat a přenášet video a audio streamy, musí být navrženy s nízkou spotřebou energie, nízkou šířkou pásma (přibližně 1,3 Mbit/s) a přímou bezdrátovou komunikací pro aplikace na dlouhé vzdálenosti. V tomto článku představíme řešení pro bezdrátový přenos videa, abychom pochopili návrhový koncept tohoto referenčního designu a funkční charakteristiky souvisejících zařízení.
Bezdrátový video přenosový systém s nízkou šířkou pásma a nízkou spotřebou energie
Tento referenční návrh využívá vysoce výkonné, nízkoenergetické mikrokontroléry STM32H7 založené na Arm® Cortex®-M7 od STMicroelectronics k vytvoření bezdrátového video přenosového systému s nízkou šířkou pásma a nízkou spotřebou energie. Návrh se vyhýbá použití energeticky náročných připojovacích řešení, jako je Wi-Fi nebo drahé bezdrátové HDMI, a využívá přímý bod-bod přenos dat, čímž eliminuje potřebu připojení přes Wi-Fi a minimalizuje tak rizika hackování a bezpečnostní problémy na internetu. Navíc návrh odstraňuje potřebu operačního systému, čímž snižuje množství požadované systémové paměti, a podporuje přenos na dlouhé vzdálenosti s možností přidání dalších PA/LNA pro zvýšení dosahu přenosu až na 300 m.
Pro minimalizaci nákladů na řešení byla zvolena nízkonákladová implementace SoC (System-on-Chip) využívající rodinu MCU STM32H7 od ST založenou na Arm® Cortex®-M7, protože procesor využívá technologii ST Non-Volatile Memory (NVM) k dosažení průmyslově vedoucího výkonu Cortex-M mikrokontroléru 1 327 DMIPS na 3 224 CoreMark, což je nejvyšší průmyslové skóre benchmarku, a provádí kód z vestavěné Flash paměti. Navíc obsahuje hardwarový akcelerátor JPEG pro rychlé kódování a dekódování JPEG, který snižuje zátěž CPU, v kombinaci s architekturou s více napájecími doménami, kterou lze nastavit pro optimalizaci energetické účinnosti nastavením různých konfigurací napájecích domén v režimu nízké spotřeby.
Pro optimalizaci kvality přenosu videa je vybrán RF modul podporující nízkou spotřebu energie, dlouhý dosah a silné protizakolísavé vlastnosti, který pracuje v pásmu 2,4 GHz ISM, moduluje pomocí GFSK vhodného pro tuto aplikaci a implementuje jak přijímací, tak vysílací část v embedded systému.
Komplexní bezdrátová RF řešení
Hardwarový návrh řešení demonstruje bezdrátový přenos a příjem videa pomocí nízkonapěťového RF připojení, takže je vybaven dvěma jednotkami včetně AV vysílače a AV přijímače.
Demo jednotka AV vysílače integruje kamerový modul pro zachycení video dat, mikrofon s pulzně hustotní modulací (PDM) pro zachycení hlasových dat a RF modul pro přenos AV dat. Video data jsou přiváděna do hardwarově akcelerovaného JPEG enkodéru založeného na mikrokontroléru s jádrem Arm® Cortex®-M7 pro provedení video komprese. Dekódovací software mikrokontroléru převádí PDM audio data do formátu Pulse Code Modulation (PCM), poté kombinuje video a audio data a předává je přes SPI rozhraní do RF modulu pro přenos do přijímací jednotky. Volitelný LCD panel se používá pro uživatelské rozhraní a funkce zobrazení zachyceného videa.
Pro urychlení vývoje byl zvolen STM32H7B3I-DK Discovery kit, což je kompletní demonstrační a vývojová platforma pro mikrokontrolér STM32H7B3LIH6QU založený na jádru STMicroelectronics Arm® Cortex®-M7. Kit obsahuje téměř všechny periferie, jako USB OTG_HS, microSD, USART, FDCAN, Audio DAC Stereo, kameru, SDRAM, Octo-SPI Flash a RGB rozhraní LCD s kapacitním dotykovým panelem. Kromě toho konektor ARDUINO® Uno V3 umožňuje snadné připojení rozšiřujících desek a RF modul je navržen tak, aby vyhovoval tomuto konektoru ARDUINO® Uno V3 jako dceřiné desce pro připojení RF modulu k mikrokontroléru pro přenos AV dat.
Demo jednotka AV přijímače na druhé straně obsahuje RF modul pro příjem AV dat od vysílače. Přijatá video data jsou přiváděna do hardwarově akcelerovaného JPEG dekodéru mikrokontroléru založeného na jádru Arm® Cortex®-M7, aby se video data dekomprimovala do formátu RGB, audio kodek pro dekódování přijatých audio dat a adaptér DSI na HDMI pro přenos RGB videa do HDMI portu.
AV přijímač využívá STM32H747I-DISCO Discovery Kit, kompletní demonstrační a vývojovou platformu pro mikrokontroléry STM32H747XIH6 založené na dvoujádrovém Arm® Cortex®-M7 a -M4 od STMicroelectronics s čtyřmi I2C, šesti plně duplexními SPI s dvěma multiplexovanými plně duplexními SPI, čtyřmi I2C, šesti SPI s dvěma multiplexovanými plně duplexními I2S rozhraními, SDRAM, Quad-SPI Flash, konektorem DCMI, rozhraním MIPI DSI a dalšími. Kromě toho konektor ARDUINO® Uno V3 umožňuje snadné připojení rozšiřujících dceřiných desek. RF modul je navržen tak, aby zapadl jako dceřiná deska připojená do tohoto konektoru ARDUINO® Uno V3, který propojuje RF modul s mikrokontrolérem pro příjem AV dat.
Vysoce účinný, vysoce kvalitní RF a obrazový snímací modul
RF SOC transceiver STM32WB55 a RF EFM pro pásmo 2,4 GHz je modul malých rozměrů s rozhraními UART a SPI pro řízení a přenos dat. Má maximální výstupní výkon až 20 dBm v pásmu 2,4 GHz a je schopen přenášet data až do vzdálenosti 200 m na přímou viditelnost. Modul využívá technologii frekvenčního přeskakování, aby se vyhnul rušení s jinými systémy, což umožňuje souběžné používání více uživateli a přátelské soužití s Wi-Fi.
STM32WB je 32bitový Arm® Cortex®-M4 založený MCU s integrovaným čipsetem s vícepřenosovým bezdrátovým RF transceiverem, který zvládne veškeré zpracování spojené s RF vrstvou, včetně opětovného přenosu ztracených dat, RSSI, řízení RF výkonu a FIFO, což činí celý proces bezdrátové komunikace pro systém transparentním.
Modul obrazového senzoru v demo verzi podporuje 2 kamerové moduly, kromě CMOS senzorového modulu dodávaného se STM32H7 EVB, je zde také modul postavený z obrazového senzoru MT9M114, objektivu a filtru od ON Semiconductor. Postavený na FPC desce se standardním paralelním rozhraním, modul umožňuje uživatelům snadno vyvíjet zobrazovací systémy, aniž by se museli starat o zaostřování, filtrování a optické zarovnání.
Modul kamery používá obrazový senzor ON Semiconductor 720p, MT9M114, což je vysoce kvalitní obrazový senzor navržený pomocí SOC. SOC implementuje různé funkce kamery, včetně automatického ostření, automatické vyvážení bílé a automatické expozice, což z něj činí nákladově efektivní, kompaktní, jednochipové řešení, které poskytuje vynikající kvalitu obrazu a snadnou integraci, což snižuje celkové náklady systému a urychluje uvedení na trh.
Pokročilé, bezplatné a rozšiřitelné vývojové prostředí softwaru
Pro vývoj softwaru se používá STM32CubeIDE ver.1.6.1 pro programování zdrojového kódu a ladění. STM32CubeIDE je všestranný vývojový nástroj pro více operačních systémů poskytovaný zdarma společností STMicroelectronics, který je pokročilou platformou pro vývoj v jazyce C/C++ s konfigurací periferií, generováním kódu, kompilací kódu a laděním funkcí pro mikrokontroléry a mikroprocesory STM32.
Vývoj softwaru AV vysílače začíná inicializací RF modulu, kamerového modulu a PDM mikrofonu. Kamera zachycuje video data přes rozhraní DCMI STM32H7. Každý zachycený video snímek generuje přerušení, rámcový buffer je přenesen do systémové paměti přes DMA kanál, a poté je rámcový buffer předán vestavěnému hardwarovému JPEG akcelerátoru STM32H7, který komprimuje video snímky do formátu JPEG, aby minimalizoval požadovanou šířku pásma. Současně PDM mikrofon zachycuje hlasová data přes rozhraní DFSDM STM32H7 s vzorkovací frekvencí 8 kHz a převádí data pulzní hustotní modulace na 16bitová data pulzní kódové modulace pomocí softwarového dekódování, a je implementován proprietární kompresní režim za účelem snížení šířky pásma přenášených audio dat.
Vývoj softwaru AV přijímače začíná inicializací RF modulu, audio kodeku a DSI-na-HDMI adaptéru, poté mikrokontrolér STM32H7 sleduje stav RF modulu a jakmile jsou přijata AV data, video data jsou extrahována a předána do vestavěného hardwarového JPEG akcelerátoru STM32H7, který dekomprimuje video data do RGB snímkových dat. RGB snímková data jsou pak přenesena do zobrazovacího bufferu a video je vyvedeno na LCD monitor, pokud je LCD nainstalováno. Jinak je video vyvedeno na externí HDMI displej přes DSI-na-HDMI adaptér. Přijatá audio data jsou dekomprimována a poté zesílena na vzorkovací frekvenci 16 kHz, aby vyhovovala externímu HDMI zařízení (např. TV s minimálními požadavky na vzorkovací frekvenci).
Referenční návrh bude v budoucnu dále rozvíjen, včetně detekce ztráty paketů a zpracování chyb pro bezdrátový přenos, aby se zlepšila stabilita a odolnost přenosu videa. Na druhou stranu návrh v současnosti používá proprietární algoritmy komprese a dekomprese, a aby bylo možné podporovat vyšší vzorkovací frekvence a udržet minimální šířku pásma, mohou být implementovány jiné audio kodeky, jako například G722, MP3 enkodér. Kromě toho může být pro určité aplikace, jako je monitorování zvonku, využit procesor STM32H7 k začlenění algoritmu detekce obličeje, který detekuje obličej před aktivací RF pro přenos videa, čímž se dále snižuje spotřeba energie.
Závěr
Tento dokument využívá nízkonákladovou, vysoce výkonnou rodinu mikrokontrolérů STM32H7 založenou na jádře Arm® Cortex®-M7 od STMicroelectronics k vytvoření demonstračního řešení bezdrátového přenosu videa s nízkou šířkou pásma a nízkou spotřebou energie, které optimalizuje využití vestavěného hardwarově akcelerovaného JPEG enginu STM32H7 ke snížení šířky pásma potřebné pro přenos videa, a nízkonapěťový RF modul využívá pásmo 2,4 GHz ISM a proprietární komunikační protokol ke zlepšení energetické účinnosti RF přenosu. Vestavěný firmware API pro streamování RF modulu zkracuje dobu vývoje řešení a umožňuje vývojářům soustředit se na různé aplikace, jako je dětská chůvička nebo systém sledování zvonku, a tento referenční návrh bude prospěšný návrhářům zajímajícím se o vývoj souvisejících produktů.
