Enlace de baja energía con el kit Discovery STM32H7B3I-DK
05 Jul 2024
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La transmisión de vídeo inalámbrica es una gran demanda en el mercado actual. Productos como monitores para bebés, timbres con video y juguetes que necesitan controlar y transmitir secuencias de video y audio de forma remota deben diseñarse con baja potencia, bajo ancho de banda (aproximadamente 1,3 Mbit/s) y comunicación inalámbrica directa para aplicaciones de larga distancia. En este artículo, presentaremos la solución para transmisión de video inalámbrica para comprender el concepto de diseño de este diseño de referencia y las características funcionales de los dispositivos relacionados.
Sistema de transmisión de vídeo inalámbrico de bajo ancho de banda y baja potencia
Este diseño de referencia utiliza la familia de MCU STM32H7 STM32H7 basados en Arm® Cortex®-M7 de alto rendimiento y bajo consumo de STMicroelectronics para construir un sistema de transmisión de video inalámbrico de bajo ancho de banda y bajo consumo de energía. El diseño evita el uso de soluciones de conectividad que consumen mucha energía, como Wi-Fi o HDMI inalámbrico de alto costo, y utiliza transmisión directa de datos punto a punto, evitando la necesidad de conectarse a través de Wi-Fi para minimizar la piratería y los problemas de seguridad de Internet. . Además, el diseño elimina la necesidad de un sistema operativo, lo que reduce la cantidad de memoria del sistema requerida y admite transmisiones de larga distancia con la capacidad de agregar PA/LNA adicionales para aumentar el rango de transmisión a 300 m.
Para minimizar el costo de la solución, se eligió una implementación SoC (System-on-Chip) de bajo costo, utilizando la familia de MCU STM32H7 de ST basada en Arm® Cortex®-M7, ya que el procesador utiliza La tecnología de memoria no volátil (NVM) de ST para lograr los 1327 DMIPS por 3224 CoreMark del microcontrolador Cortex-M, líder en la industria, la puntuación de referencia más alta de la industria, y se ejecuta desde la memoria Flash integrada. Además, incorpora un acelerador de hardware JPEG para una codificación y decodificación JPEG rápida para reducir la carga de la CPU, combinado con una arquitectura de dominio de energía múltiple que se puede configurar para optimizar la eficiencia energética estableciendo diferentes configuraciones de dominio de energía en modo de bajo consumo. modo.
Para optimizar la calidad de transmisión del video, se selecciona un módulo de RF que admite bajo consumo de energía, largo alcance y fuertes características anti-interferencias, que opera en la banda ISM de 2,4 GHz, modula con GFSK adecuado para esta aplicación e implementa Tanto el extremo receptor como el transmisor en el sistema integrado.
Soluciones RF Inalámbricas Integrales
El diseño de hardware de la solución demuestra la transmisión y recepción de video inalámbrica mediante una conexión RF de baja potencia, por lo que está equipada con dos unidades que incluyen un transmisor AV y un receptor AV.
La unidad de demostración del transmisor AV integra un módulo de cámara para capturar datos de video, un micrófono con modulación de densidad de pulso (PDM) para capturar datos de voz y un módulo de RF para transmitir datos AV. Los datos de video se envían a un codificador JPEG acelerado por hardware basado en un microcontrolador central Arm® Cortex®-M7 para realizar la compresión de video. El software de decodificación del microcontrolador convierte los datos de audio del PDM en datos de formato de modulación de código de pulso (PCM), luego combina los datos de video y audio y los pasa a través de la interfaz SPI al módulo de RF para su transmisión a la unidad receptora. Se utiliza un panel LCD opcional para la interfaz de usuario y las funciones de visualización de vídeo capturado.
Para acelerar el desarrollo, se eligió para el desarrollo el kit Discovery STM32H7B3I-DK, que es una plataforma completa de demostración y desarrollo para el microcontrolador STM32H7B3LIH6QU basado en el núcleo STMicroelectronics Arm® Cortex®-M7. El kit incluye casi todos los periféricos como USB OTG_HS, microSD, USART, FDCAN, Audio DAC Stereo, Cámara, SDRAM, Octo-SPI Flash e interfaz RGB LCD con panel táctil capacitivo. Además, el conector ARDUINO® Uno V3 permite una fácil conexión a placas secundarias de expansión, y el módulo RF está diseñado para ser adecuado El módulo RF está diseñado para encajar en este conector ARDUINO® Uno V3 como placa secundaria para conectar el módulo RF al microcontrolador para transmitir datos AV.
La unidad de demostración del receptor AV, por otro lado, incorpora un módulo de RF para recibir datos AV del transmisor. Los datos de video recibidos se envían al decodificador JPEG acelerado por hardware del microcontrolador basado en el núcleo Arm® Cortex®-M7 para descomprimir los datos de video en formato RGB, un códec de audio para decodificar los datos de audio recibidos y un adaptador DSI a HDMI para pasar el vídeo RGB al puerto HDMI.
El receptor de AV utiliza el kit de descubrimiento STM32H747I-DISCO, una plataforma completa de demostración y desarrollo para microcontroladores STM32H747XIH6 basados en doble núcleo Arm® Cortex®-M7 y -M4 de STMicroelectronics con cuatro I2C y seis SPI full-duplex. con dos SPI multiplexados full-duplex con cuatro I2C, seis SPI con dos interfaces I2S multiplexadas full-duplex, SDRAM, Flash Quad-SPI, conector DCMI, interfaz MIPI DSI y más. Además, el conector ARDUINO® Uno V3 permite una fácil conexión a placas hijas de expansión. El módulo de RF está diseñado para encajar como una placa secundaria conectada a este conector ARDUINO® Uno V3, que conecta el módulo de RF al microcontrolador para recibir datos AV.
Módulo de detección de imágenes y RF de alta eficiencia y alta calidad
El transceptor RF SOC y RF EFM STM32WB55 para RF EFM de banda de 2,4 Ghz es un módulo de factor de forma pequeño con interfaces UART y SPI para control y transmisión de datos. Tiene una potencia de salida máxima de hasta 20 dBm en la banda de 2,4 GHz y es capaz de transmitir datos hasta 200 m en línea de visión. El módulo utiliza tecnología de salto de frecuencia para evitar interferencias con otros sistemas, permitiendo así una coexistencia multiusuario y amigable con Wi-Fi.
El STM32WB es un MCU basado en 32 bits Arm® Cortex®-M4 con un transceptor de RF inalámbrico multiprotocolo integrado que manejará todo el procesamiento asociado con la capa de RF, incluida la retransmisión de pérdida de datos, RSSI. , control de potencia de RF y FIFO, haciendo que todo el proceso de comunicación inalámbrica sea transparente para el sistema.
El módulo de sensor de imagen en la demostración admite 2 módulos de cámara, además del módulo de sensor CMOS enviado con el STM32H7 EVB, también hay un módulo construido a partir del sensor de imagen, lente y filtro MT9M114 de ON Semiconductor. Construido sobre una placa FPC con una interfaz paralela estándar, el módulo permite a los usuarios desarrollar fácilmente sistemas de imágenes sin tener que preocuparse por el enfoque, el filtrado y la alineación óptica.
El módulo de la cámara utiliza el sensor de imagen de 720p de ON Semiconductor, el MT9M114, que es un sensor de imagen de alta calidad diseñado con un SOC. El SOC implementa una variedad de funciones de cámara, incluido el enfoque automático, el balance de blancos automático y la exposición automática, lo que lo convierte en una solución rentable, compacta y de un solo chip que ofrece una calidad de imagen superior y facilidad de integración, lo que reduce el costo general del sistema y acelera tiempo de comercialización. tiempo de comercialización.
Entorno de desarrollo de software avanzado, gratuito y extensible
Para el desarrollo de software, se utiliza STM32CubeIDE ver.1.6.1 para la programación y depuración del código fuente. STM32CubeIDE es una herramienta de desarrollo de sistemas operativos múltiples todo en uno proporcionada de forma gratuita por STMicroelectronics, que es una plataforma avanzada de desarrollo C/C++ con configuración de periféricos, generación de código, compilación de código y depuración para microcontroladores y microprocesadores STM32. funciones.
El desarrollo del software del transmisor AV comienza con la inicialización del módulo RF, el módulo de la cámara y el micrófono PDM. La cámara captura los datos de video a través de la interfaz DCMI del STM32H7. Cada fotograma de vídeo capturado genera una interrupción, el búfer de fotogramas se transfiere a la memoria del sistema a través de un canal DMA y luego el búfer de fotogramas se envía al pedal de aceleración JPEG del hardware integrado del STM32H7, que comprime los fotogramas de vídeo en formato JPEG para minimizar el ancho de banda requerido. Al mismo tiempo, el micrófono PDM captura los datos de voz a través de la interfaz DFSDM del STM32H7 a una frecuencia de muestreo de 8 Khz y convierte los datos de modulación de densidad de pulso en datos de modulación codificados de pulso de 16 bits mediante decodificación de software, y se utiliza un esquema de compresión patentado. implementado para reducir el ancho de banda de los datos de audio transmitidos.
Luego, el desarrollo del software del receptor de AV comienza con la inicialización del módulo de RF, el códec de audio y el adaptador DSI a HDMI, luego el microcontrolador STM32H7 monitorea el estado del módulo de RF y, una vez que se reciben los datos AV, se extraen los datos de video. y se alimenta al pedal de aceleración JPEG de hardware incorporado del STM32H7, que descomprime los datos de video en datos de cuadros RGB. Los datos de cuadros RGB luego se transferirán al búfer de visualización y el video se enviará al monitor LCD si hay un LCD instalado. . De lo contrario, el vídeo se emitirá a una pantalla HDMI externa mediante un adaptador DSI a HDMI. Los datos de audio recibidos se descomprimirán y luego se amplificarán a una frecuencia de muestreo de 16 Khz para acomodar un dispositivo HDMI externo (por ejemplo, un televisor con requisitos mínimos de frecuencia de muestreo).
El diseño de referencia se desarrollará aún más en el futuro, incluida la detección de pérdida de paquetes y el manejo de errores para la transmisión inalámbrica para mejorar la estabilidad y durabilidad de la transmisión de video. Por otro lado, el diseño utiliza actualmente algoritmos patentados de compresión y descompresión y, para admitir frecuencias de muestreo más altas y mantener un ancho de banda mínimo, se pueden implementar otros códecs de audio, como el codificador MP3 G722. Además, para determinadas aplicaciones, como la monitorización de timbres, se puede utilizar el procesador STM32H7 para incorporar un algoritmo de detección de rostros que detecta el rostro antes de activar la RF para la transmisión de vídeo para reducir aún más el consumo de energía.
Conclusión
Este documento utiliza la familia de microcontroladores STM32H7 basados en núcleos Arm® Cortex®-M7 de bajo costo y alto rendimiento de STMicroelectronics para construir una solución de demostración de transmisión de video inalámbrica de bajo ancho de banda y bajo consumo de energía que optimiza el uso del STM32H7 integrado. Motor JPEG acelerado por hardware para reducir el ancho de banda requerido para transmitir video y el bajo consumo. El módulo de RF utiliza la banda ISM de 2,4 GHz y un protocolo de comunicación patentado para mejorar la eficiencia energética de la transmisión de RF. El firmware API de transmisión integrado del módulo de RF acorta el tiempo de desarrollo de la solución y permite a los desarrolladores centrarse en diferentes aplicaciones, como un monitor para bebés o un sistema de monitoreo de timbre, y este diseño de referencia beneficiará a los diseñadores interesados en desarrollar productos relacionados.
