Energiesparende Verbindung mit dem Discovery-Kit STM32H7B3I-DK
05 Jul 2024
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Die drahtlose Videoübertragung ist heute eine große Nachfrage auf dem Markt. Produkte wie Babyphone, Video-Türklingeln und Spielzeuge, die Video- und Audiostreams fernsteuern und übertragen müssen, müssen mit geringem Stromverbrauch, geringer Bandbreite (ca. 1,3 Mbit/s) und direkter drahtloser Kommunikation für Langstreckenanwendungen konzipiert sein. In diesem Artikel stellen wir die Lösung zur drahtlosen Videoübertragung vor, um das Designkonzept dieses Referenzdesigns und die Funktionsmerkmale der zugehörigen Geräte zu verstehen.
Drahtloses Videoübertragungssystem mit geringer Bandbreite und geringem Stromverbrauch
Dieses Referenzdesign nutzt die leistungsstarke, stromsparende Arm® Cortex®-M7-basierte STM32H7-MCU-Familie von STMicroelectronics zum Aufbau eines drahtlosen Videoübertragungssystems mit geringer Bandbreite und geringem Stromverbrauch. Das Design vermeidet den Einsatz energieintensiver Konnektivitätslösungen wie Wi-Fi oder teures drahtloses HDMI und nutzt die direkte Punkt-zu-Punkt-Datenübertragung, sodass keine Verbindung über Wi-Fi erforderlich ist, um Hackerangriffe und Internetsicherheitsprobleme zu minimieren . Darüber hinaus macht das Design ein Betriebssystem überflüssig, wodurch der erforderliche Systemspeicher reduziert wird, und unterstützt die Übertragung über große Entfernungen mit der Möglichkeit, zusätzliche PA/LNAs hinzuzufügen, um die Übertragungsreichweite auf 300 m zu erhöhen.
Um die Kosten der Lösung zu minimieren, wurde eine kostengünstige SoC-Implementierung (System-on-Chip) gewählt, die als Prozessor die STM32H7-MCU-Familie von ST auf Basis des Arm® Cortex®-M7 verwendet Die Non-Volatile Memory (NVM)-Technologie von ST erreicht die branchenführenden 1.327 DMIPS pro 3224 CoreMark des Cortex-M-Mikrocontrollers, den branchenweit höchsten Benchmark-Wert, und wird über eingebetteten Flash-Speicher ausgeführt. Darüber hinaus ist ein JPEG-Hardware-Gaspedal für eine schnelle JPEG-Kodierung und -Dekodierung integriert, um die CPU-Belastung zu reduzieren, kombiniert mit einer Multi-Power-Domain-Architektur, die so eingestellt werden kann, dass die Energieeffizienz optimiert wird, indem verschiedene Power-Domain-Konfigurationen auf Low-Power eingestellt werden Modus.
Um die Übertragungsqualität des Videos zu optimieren, wird ein HF-Modul ausgewählt, das einen geringen Stromverbrauch, eine große Reichweite und starke Anti-Jamming-Eigenschaften unterstützt, das im 2,4-GHz-ISM-Band arbeitet, mit für diese Anwendung geeignetem GFSK moduliert und implementiert sowohl die Empfangs- als auch die Sendeseite im eingebetteten System.
Umfassende drahtlose RF-Lösungen
Das Hardware-Design der Lösung demonstriert die drahtlose Übertragung und den Empfang von Video über eine RF-Verbindung mit geringem Stromverbrauch und ist daher mit zwei Einheiten ausgestattet, darunter einem AV-Sender und einem AV-Empfänger.
Die Demoeinheit des AV-Senders integriert ein Kameramodul zur Erfassung von Videodaten, ein pulsdichtemoduliertes Mikrofon (PDM) zur Erfassung von Sprachdaten und ein HF-Modul zur Übertragung von AV-Daten. Die Videodaten werden einem hardwarebeschleunigten JPEG-Encoder zugeführt, der auf einem Arm® Cortex®-M7-Core-Mikrocontroller basiert, um die Videokomprimierung durchzuführen. Die Dekodierungssoftware des Mikrocontrollers wandelt die PDM-Audiodaten in Daten im Pulse Code Modulation (PCM)-Format um, kombiniert dann die Video- und Audiodaten und leitet sie über die SPI-Schnittstelle an das RF-Modul zur Übertragung an die Empfängereinheit weiter. Ein optionales LCD-Panel wird für die Benutzeroberfläche und die Anzeigefunktionen für aufgenommene Videos verwendet.
Um die Entwicklung zu beschleunigen, wurde für die Entwicklung das STM32H7B3I-DK Discovery Kit ausgewählt, eine vollständige Demo- und Entwicklungsplattform für den STM32H7B3LIH6QU-Mikrocontroller auf Basis des STMicroelectronics Arm® Cortex®-M7-Kerns. Das Kit enthält fast alle Peripheriegeräte wie USB OTG_HS, microSD, USART, FDCAN, Audio DAC Stereo, Kamera, SDRAM, Octo-SPI Flash und RGB-Schnittstellen-LCD mit kapazitivem Touchpanel. Darüber hinaus ermöglicht der ARDUINO® Uno V3-Anschluss eine einfache Verbindung zu Erweiterungstochterplatinen, und das HF-Modul ist so konzipiert, dass es als Tochterplatine in diesen ARDUINO® Uno V3-Anschluss passt, um das HF-Modul mit dem Mikrocontroller zu verbinden, um AV-Daten zu übertragen.
Die AV-Receiver-Demoeinheit hingegen enthält ein HF-Modul zum Empfang von AV-Daten vom Sender. Die empfangenen Videodaten werden dem hardwarebeschleunigten JPEG-Decoder des Mikrocontrollers zugeführt, der auf dem Arm® Cortex®-M7-Kern basiert, um die Videodaten in das RGB-Format zu dekomprimieren, einem Audio-Codec zum Dekodieren der empfangenen Audiodaten und einem DSI-zu-HDMI-Adapter Leiten Sie das RGB-Video an den HDMI-Anschluss weiter.
Der AV-Receiver nutzt das STM32H747I-DISCO Discovery Kit, eine vollständige Demo- und Entwicklungsplattform für STMicroelectronics Arm® Cortex®-M7 und -M4 Dual-Core-basierte STM32H747XIH6-Mikrocontroller mit vier I2C und sechs Vollduplex-SPI mit zwei gemultiplexten Vollduplex-SPI mit vier I2C, sechs SPI mit zwei gemultiplexten Vollduplex-I2S-Schnittstellen, SDRAM, Quad-SPI-Flash, DCMI-Anschluss, MIPI-DSI-Schnittstelle und mehr. Darüber hinaus ermöglicht der ARDUINO® Uno V3-Anschluss den einfachen Anschluss an Erweiterungstochterplatinen. Das HF-Modul ist so konzipiert, dass es als Tochterplatine in diesen ARDUINO® Uno V3-Anschluss gesteckt wird, der das HF-Modul mit dem Mikrocontroller verbindet, um AV-Daten zu empfangen.
Hocheffizientes, hochwertiges HF- und Bilderfassungsmodul
Der STM32WB55 RF SOC-Transceiver und RF EFM für 2,4-GHz-Band RF EFM ist ein Modul mit kleinem Formfaktor und UART- und SPI-Schnittstellen zur Steuerung und Datenübertragung. Es verfügt über eine maximale Ausgangsleistung von bis zu 20 dBm im 2,4-GHz-Band und ist in der Lage, Daten über eine Sichtweite von bis zu 200 m zu übertragen. Das Modul nutzt die Frequenzsprungtechnologie, um Interferenzen mit anderen Systemen zu vermeiden und so eine Wi-Fi-freundliche Koexistenz für mehrere Benutzer zu ermöglichen.
Der STM32WB ist ein 32-Bit Arm® Cortex®-M4-basierter MCU mit einem Multiprotokoll-Wireless-RF-Transceiver-Chipsatz, der die gesamte mit der RF-Schicht verbundene Verarbeitung übernimmt, einschließlich Datenverlust-Neuübertragung (RSSI). , HF-Leistungssteuerung und FIFO, wodurch der gesamte drahtlose Kommunikationsprozess für das System transparent wird.
Das Bildsensormodul in der Demo unterstützt 2 Kameramodule. Zusätzlich zum CMOS-Sensormodul, das mit dem STM32H7 EVB geliefert wird, gibt es auch ein Modul, das aus dem MT9M114-Bildsensor, Objektiv und Filter von ON Semiconductor besteht. Das auf einer FPC-Platine mit einer standardmäßigen parallelen Schnittstelle aufgebaute Modul ermöglicht Benutzern die einfache Entwicklung von Bildgebungssystemen, ohne sich um Fokussierung, Filterung und optische Ausrichtung kümmern zu müssen.
Das Kameramodul nutzt den 720p-Bildsensor MT9M114 von ON Semiconductor, einen hochwertigen Bildsensor, der mit einem SOC entwickelt wurde. Das SOC implementiert eine Vielzahl von Kamerafunktionen, darunter Autofokus, automatischer Weißabgleich und automatische Belichtung, und macht es so zu einer kostengünstigen, kompakten Einzelchip-Lösung, die eine hervorragende Bildqualität und einfache Integration bietet, was die Gesamtsystemkosten senkt und beschleunigt Time-to-Market. Time-to-Market.
Erweiterte, kostenlose und erweiterbare Softwareentwicklungsumgebung
Für die Softwareentwicklung wird STM32CubeIDE Version 1.6.1 für die Quellcodeprogrammierung und das Debuggen verwendet. STM32CubeIDE ist ein All-in-One-Entwicklungstool für mehrere Betriebssysteme, das kostenlos von STMicroelectronics bereitgestellt wird. Dabei handelt es sich um eine fortschrittliche C/C++-Entwicklungsplattform mit Peripheriekonfiguration, Codegenerierung, Codekompilierung und Debugging für STM32-Mikrocontroller und Mikroprozessoren. Funktionen.
Die Softwareentwicklung des AV-Senders beginnt mit der Initialisierung des HF-Moduls, des Kameramoduls und des PDM-Mikrofons. Die Kamera erfasst die Videodaten über die DCMI-Schnittstelle des STM32H7. Jedes erfasste Videobild generiert einen Interrupt, der Bildpuffer wird über einen DMA-Kanal an den Systemspeicher übertragen und dann wird der Bildpuffer dem integrierten Hardware-JPEG-Gaspedal des STM32H7 zugeführt, das die Videobilder in das JPEG-Format komprimiert Minimieren Sie die erforderliche Bandbreite. Gleichzeitig erfasst das PDM-Mikrofon die Sprachdaten über die DFSDM-Schnittstelle des STM32H7 mit einer Abtastrate von 8 kHz und wandelt die Pulsdichtemodulationsdaten durch Software-Dekodierung und ein proprietäres Komprimierungsschema in 16-Bit-pulscodierte Modulationsdaten um implementiert, um die Bandbreite der übertragenen Audiodaten zu reduzieren.
Die Softwareentwicklung des AV-Receivers beginnt dann mit der Initialisierung des HF-Moduls, des Audio-Codecs und des DSI-zu-HDMI-Adapters. Anschließend überwacht der STM32H7-Mikrocontroller den Status des HF-Moduls, und sobald die AV-Daten empfangen wurden, werden die Videodaten extrahiert und in das integrierte Hardware-JPEG-Gaspedal des STM32H7 eingespeist, das die Videodaten in RGB-Frame-Daten dekomprimiert. Die RGB-Frame-Daten werden dann an den Anzeigepuffer übertragen und das Video wird auf dem LCD-Monitor ausgegeben, wenn ein LCD installiert ist . Andernfalls wird das Video über einen DSI-zu-HDMI-Adapter an ein externes HDMI-Display ausgegeben. Die empfangenen Audiodaten werden dekomprimiert und dann auf eine Abtastrate von 16 kHz verstärkt, um sie an ein externes HDMI-Gerät (z. B. einen Fernseher mit Mindestanforderungen an die Abtastrate) anzupassen.
Das Referenzdesign wird in Zukunft weiterentwickelt, einschließlich Paketverlusterkennung und Fehlerbehandlung für die drahtlose Übertragung, um die Stabilität und Haltbarkeit der Videoübertragung zu verbessern. Andererseits verwendet das Design derzeit proprietäre Komprimierungs- und Dekomprimierungsalgorithmen. Um höhere Abtastraten zu unterstützen und eine minimale Bandbreite aufrechtzuerhalten, können andere Audio-Codecs wie der MP3-Encoder G722 implementiert werden. Darüber hinaus kann der STM32H7-Prozessor für bestimmte Anwendungen wie die Türklingelüberwachung verwendet werden, um einen Gesichtserkennungsalgorithmus zu integrieren, der das Gesicht erkennt, bevor die HF für die Videoübertragung aktiviert wird, um den Stromverbrauch weiter zu senken.
Abschluss
In diesem Artikel werden die kostengünstigen, leistungsstarken, auf dem Arm® Cortex®-M7-Kern basierenden Mikrocontroller der STM32H7-Familie von STMicroelectronics verwendet, um eine Demonstrationslösung für die drahtlose Videoübertragung mit geringer Bandbreite und geringem Stromverbrauch zu entwickeln, die die Nutzung der integrierten Funktionen des STM32H7 optimiert Hardwarebeschleunigte JPEG-Engine zur Reduzierung der für die Videoübertragung erforderlichen Bandbreite und geringer Stromverbrauch. Das HF-Modul nutzt das 2,4-GHz-ISM-Band und ein proprietäres Kommunikationsprotokoll, um die Leistungseffizienz der HF-Übertragung zu verbessern. Die eingebettete Streaming-API-Firmware des RF-Moduls verkürzt die Entwicklungszeit der Lösung und ermöglicht es Entwicklern, sich auf verschiedene Anwendungen zu konzentrieren, beispielsweise ein Babyphone oder ein Türklingelüberwachungssystem. Dieses Referenzdesign kommt Designern zugute, die an der Entwicklung verwandter Produkte interessiert sind.
