Trådløs videooverførsel er en stor efterspørgsel på markedet i dag. Produkter som babyalarmer, video-dørklokker og legetøj, der har brug for fjernbetjening og overførsel af video- og lydstrømme, skal designes med lavt strømforbrug, lav båndbredde (ca. 1,3 Mbit/s) og direkte trådløs kommunikation til langdistanceanvendelser. I denne artikel vil vi introducere løsningen til trådløs videooverførsel for at forstå designkonceptet for dette referencedesign og de funktionelle egenskaber ved de relaterede enheder.
Lav båndbredde, lavt strømforbrug trådløst videosystem
Dette referencedesign bruger STMicroelectronics' højtydende, lavstrøms, Arm® Cortex®-M7-baserede STM32H7 MCU-familie til at opbygge et lavbåndbredde, lavt strømforbrug trådløst videooverførselssystem. Designet undgår brugen af strømkrævende forbindelsesløsninger som Wi-Fi eller dyr trådløs HDMI og benytter direkte punkt-til-punkt dataoverførsel, hvilket undgår behovet for Wi-Fi-forbindelse for at minimere hacking og internet sikkerhedsproblemer. Derudover eliminerer designet behovet for et operativsystem, hvilket reducerer mængden af systemhukommelse, der kræves, og understøtter langdistanceoverførsel med mulighed for at tilføje ekstra PA/LNA'er for at øge transmissionsrækkevidden til 300 m.
For at minimere omkostningerne ved løsningen blev en lavpris SoC (System-on-Chip) implementering valgt, der bruger ST's STM32H7 MCU-familie baseret på Arm® Cortex®-M7, da processoren benytter ST's Non-Volatile Memory (NVM) teknologi til at opnå Cortex-M mikrokontrollerens branchens førende 1.327 DMIPS pr. 3224 CoreMark, branchens højeste benchmark-score, og kører fra indlejret Flash-hukommelse. Derudover indeholder den en hardware JPEG accelerator til hurtig JPEG kodning og dekodning for at reducere belastningen på CPU'en, kombineret med en multi-strøm-domæne arkitektur, der kan indstilles til at optimere strømforbruget ved at konfigurere forskellige strøm-domæner i lavstrømstilstand.
For at optimere transmissionskvaliteten af videoen vælges en RF-modul, der understøtter lavt strømforbrug, lang rækkevidde og stærke anti-forstyrrelses egenskaber, som opererer i 2,4 GHz ISM-båndet, modulerer med GFSK, der er egnet til denne anvendelse, og implementerer både modtager- og senderenden i det indlejrede system.
Omfattende trådløse RF-løsninger
Hardwaredesignet af løsningen demonstrerer trådløs videooverførsel og modtagelse ved hjælp af en lavstrøms RF-forbindelse, så den er udstyret med to enheder, herunder en AV-sender og en AV-modtager.
Demoenheden for AV-senderen integrerer et kameramodul til optagelse af video data, en pulstæthetsmoduleret mikrofon (PDM) til optagelse af lyddata og et RF-modul til overførsel af AV-data. Videodataene føres til en hardware-accelereret JPEG-koder baseret på en Arm® Cortex®-M7 kerne mikrokontroller for at udføre videokomprimering. Mikrokontrollerens dekoder-software konverterer PDM lyddata til Pulse Code Modulation (PCM) formatdata, kombinerer derefter video- og lyddata og sender det via SPI-grænsefladen til RF-modulet for transmission til modtagerenheden. Et valgfrit LCD-panel bruges til brugergrænseflade og visning af optaget video.
For at fremskynde udviklingen blev STM32H7B3I-DK Discovery kit valgt til udvikling, som er en komplet demo- og udviklingsplatform for STM32H7B3LIH6QU mikrokontrolleren baseret på STMicroelectronics Arm® Cortex®-M7 kerne. Kittet inkluderer næsten alle perifere enheder såsom USB OTG_HS, microSD, USART, FDCAN, Audio DAC Stereo, Kamera, SDRAM, Octo-SPI Flash og RGB interface LCD med kapacitiv touchpanel. Derudover tillader ARDUINO® Uno V3-stikket nem tilslutning til udvidelses-datterkort, og RF-modulet er designet til at passe ind i dette ARDUINO® Uno V3-stik som et datterkort for at forbinde RF-modulet til mikrokontrolleren for at transmittere AV-data.
AV-modtager demoenheden indeholder derimod et RF-modul til modtagelse af AV-data fra senderen. De modtagne videodata føres til mikrokontrollerens hardware-accelererede JPEG-dekoder baseret på Arm® Cortex®-M7 kernen for at dekomprimere videodataene til RGB-format, en lydcodec til at dekode de modtagne lyddata og en DSI til HDMI adapter til at sende RGB-videoen til HDMI-porten.
AV-modtageren benytter STM32H747I-DISCO Discovery Kit, en komplet demo- og udviklingsplatform for STMicroelectronics Arm® Cortex®-M7 og -M4 dual-core baserede STM32H747XIH6 mikrokontrollere med fire I2C, seks fuld-dupleks SPI med to multiplexede fuld-dupleks SPI, fire I2C, seks SPI med to multiplexede fuld-dupleks I2S interfaces, SDRAM, Quad-SPI Flash, DCMI-stik, MIPI DSI interface og mere. Derudover tillader ARDUINO® Uno V3-stikket nem tilslutning til udvidelses-datterkort. RF-modulet er designet til at passe som et datterkort, der sættes i dette ARDUINO® Uno V3-stik, som forbinder RF-modulet til mikrokontrolleren for at modtage AV-data.
Høj effektivitet, høj kvalitet RF- og billedsensor modul
STM32WB55 RF SOC transceiver og RF EFM til 2,4 GHz bånd RF EFM er et modul i lille formfaktor med UART og SPI interfaces til kontrol og dataoverførsel. Det har en maksimal udgangseffekt på op til 20 dBm i 2,4 GHz båndet og kan transmittere data op til 200 m i fri sigtelinje. Modulet benytter frekvenshoppeteknologi for at undgå interferens med andre systemer, hvilket muliggør multi-bruger og Wi-Fi-venlig sameksistens.
STM32WB er en 32-bit Arm® Cortex®-M4 baseret MCU med en multi-protokol trådløs RF transceiver integreret chipset, der håndterer al behandling relateret til RF-laget, inklusive datatab genudsendelse, RSSI, RF effektkontrol og FIFO, hvilket gør hele den trådløse kommunikationsproces transparent for systemet.
Billedsensor modulet i demoen understøtter 2 kameramoduler, ud over CMOS sensor modulet, der leveres med STM32H7 EVB, findes også et modul bygget med MT9M114 billedsensor, linse og filter fra ON Semiconductor. Bygget på et FPC-kort med standard parallel interface, tillader modulet brugere nemt at udvikle billedbehandlingssystemer uden at bekymre sig om fokusering, filtrering og optisk justering.
Kameramodulet bruger ON Semiconductors 720p billedsensor, MT9M114, som er en høj-kvalitets billedsensor designet med en SOC. SOC implementerer en række kamerafunktioner, herunder autofokus, autohvidbalance og autoeksponering, hvilket gør det til en omkostningseffektiv, kompakt, enkelt-chip løsning, der leverer overlegen billedkvalitet og nem integration, hvilket reducerer de samlede systemomkostninger og fremskynder time-to-market.
Avanceret, gratis og udvideligt softwareudviklingsmiljø
Til softwareudvikling anvendes STM32CubeIDE ver.1.6.1 til kildekodeprogrammering og fejlfinding. STM32CubeIDE er et alt-i-et, multi-operativsystem udviklingsværktøj, der leveres gratis af STMicroelectronics, og som er en avanceret C/C++ udviklingsplatform med periferkonfiguration, kodegenerering, kodekompilering og fejlfinding for STM32 mikrokontrollere og mikroprocessorer.
Softwareudviklingen af AV-senderen starter med initialisering af RF-modulet, kameramodulet og PDM-mikrofonen. Kameraet optager videodata gennem DCMI-grænsefladen på STM32H7. Hver optaget videoramme genererer en afbrydelse, rammebufferen overføres til systemhukommelsen via en DMA-kanal, og derefter føres rammebufferen til STM32H7's indbyggede hardware JPEG accelerator, som komprimerer videorammerne til JPEG-format for at minimere den nødvendige båndbredde. Samtidig optager PDM-mikrofonen lyddata gennem DFSDM-grænsefladen på STM32H7 med en samplingsfrekvens på 8 kHz og konverterer pulstæthetsmodulationsdata til 16-bit pulskodemodulationsdata via softwaredekodning, og en proprietær komprimeringsmetode implementeres for at reducere båndbredden af de transmitterede lyddata.
Softwareudviklingen af AV-modtageren starter derefter med initialisering af RF-modulet, lydcodec og DSI-til-HDMI adapter, hvorefter STM32H7 mikrokontrolleren overvåger status for RF-modulet, og når AV-data modtages, udtrækkes videodataene og føres til STM32H7's indbyggede hardware JPEG accelerator, som dekomprimerer videodataene til RGB-rammedata. RGB-rammedataene overføres derefter til displaybufferen, og videoen outputtes til LCD-skærmen, hvis et LCD er installeret. Ellers outputtes videoen til en ekstern HDMI-skærm via en DSI-til-HDMI adapter. For de modtagne lyddata dekomprimeres de og forstærkes derefter til en 16 kHz samplingsfrekvens for at imødekomme en ekstern HDMI-enhed (f.eks. et TV med minimumskrav til samplingsfrekvens).
Referencedesignet vil blive videreudviklet i fremtiden, herunder pakke-tab detektion og fejlhåndtering for trådløs transmission for at forbedre stabiliteten og holdbarheden af videooverførslen. På den anden side bruger designet i øjeblikket proprietære komprimerings- og dekomprimeringsalgoritmer, og for at understøtte højere samplingsfrekvenser og opretholde en minimumsbåndbredde kan andre lydcodecs, såsom G722, MP3-koder, implementeres. Derudover kan STM32H7 processoren i visse applikationer som dørklokkeovervågning anvendes til at integrere en ansigtsgenkendelsesalgoritme, der registrerer ansigtet, før RF aktiveres til videooverførsel for yderligere at reducere strømforbruget.
Konklusion
Denne artikel benytter STMicroelectronics' lavpris, højtydende Arm® Cortex®-M7 kerne-baserede STM32H7 familie af mikrokontrollere til at opbygge en lavbåndbredde og lavt strømforbrug trådløs videooverførselsdemonstrationsløsning, der optimerer brugen af STM32H7's indbyggede hardware-accelererede JPEG-motor for at reducere den nødvendige båndbredde til videooverførsel, og det lavstrøms RF-modul benytter 2,4 GHz ISM-båndet og en proprietær kommunikationsprotokol for at forbedre strøm-effektiviteten af RF-transmissionen. RF-modulets indlejrede streaming API firmware forkorter udviklingstiden for løsningen og tillader udviklere at fokusere på forskellige applikationer, såsom en babyalarm eller dørklokkeovervågningssystem, og dette referencedesign vil gavne designere, der er interesserede i at udvikle relaterede produkter.
