Langaton videonsiirto on nykyään kuuma kysyntä markkinoilla. Tuotteet, kuten vauvanvahtilaitteet, videovieraskellot ja lelut, jotka tarvitsevat etäohjausta ja videon sekä äänen siirtoa, on suunniteltava vähävirtaisiksi, vähäkaistaisiksi (noin 1,3 Mbit/s) ja suoraan langattomaan viestintään pitkän kantaman sovelluksissa. Tässä artikkelissa esittelemme langattoman videonsiirron ratkaisun ymmärtääksemme tämän referenssisuunnittelun suunnittelukonseptin ja siihen liittyvien laitteiden toiminnalliset ominaisuudet.
Vähäkaistainen, vähävirtainen langaton videonsiirtojärjestelmä
Tämä referenssisuunnittelu käyttää STMicroelectronicsin suorituskykyistä, vähävirtaista, Arm® Cortex®-M7-pohjaista STM32H7 MCU -perhettä rakentaakseen vähäkaistaisen, vähävirtaisen langattoman videonsiirtojärjestelmän. Suunnittelussa vältetään virtaa kuluttavien yhteysratkaisujen, kuten Wi-Fi:n tai kalliiden langattomien HDMI-ratkaisujen, käyttöä ja hyödynnetään suoraa pisteestä pisteeseen -datansiirtoa, jolloin Wi-Fi-yhteyden tarve poistuu ja hakkeroinnin sekä internetin turvallisuusongelmien riski pienenee. Lisäksi suunnittelu poistaa käyttöjärjestelmän tarpeen, mikä vähentää järjestelmämuistin tarvetta, ja tukee pitkän kantaman siirtoa mahdollisuudella lisätä PA/LNA-vahvistimia kantaman kasvattamiseksi jopa 300 metriin.
Ratkaisun kustannusten minimoimiseksi valittiin edullinen SoC (System-on-Chip) -toteutus, jossa käytetään ST:n STM32H7 MCU -perhettä, joka perustuu Arm® Cortex®-M7 -prosessoriin. Prosessori hyödyntää ST:n ei-haihtuvaa muistiteknologiaa (NVM) saavuttaakseen Cortex-M-mikrokontrollerin alan johtavan 1 327 DMIPS:n ja 3 224 CoreMarkin suorituskyvyn, joka on alan korkein vertailuarvo, ja suorittaa koodin upotetusta Flash-muistista. Lisäksi se sisältää JPEG-laitteistokiihdyttimen nopeaan JPEG-koodaukseen ja -dekoodaukseen CPU:n kuormituksen vähentämiseksi, yhdistettynä monitehoaluearkkitehtuuriin, joka voidaan asettaa optimoimaan virrankulutusta eri tehoaluekonfiguraatioilla matalatehotilassa.
Videon siirron laadun optimoimiseksi valitaan RF-moduuli, joka tukee vähäistä virrankulutusta, pitkää kantamaa ja vahvaa häiriönsietokykyä. Se toimii 2,4 GHz ISM-kaistalla, moduloi GFSK:lla, joka sopii tähän sovellukseen, ja toteuttaa sekä vastaanotto- että lähetyspään upotetussa järjestelmässä.
Kattavat langattomat RF-ratkaisut
Ratkaisun laitteistosuunnittelu demonstroi langatonta videonsiirtoa ja vastaanottoa vähävirtaisella RF-yhteydellä, joten se sisältää kaksi yksikköä: AV-lähettimen ja AV-vastaanottimen.
AV-lähettimen demoyksikkö integroi kameramoduulin videodatan tallentamiseen, pulssitiheysmoduloidun mikrofonin (PDM) äänidatan tallentamiseen ja RF-moduulin AV-datan lähettämiseen. Videodata syötetään Arm® Cortex®-M7-ytimen pohjaisen laitteistokiihdytetyn JPEG-kooderin kautta videon pakkaamiseksi. Mikrokontrollerin dekoodausohjelmisto muuntaa PDM-äänidatan pulssikoodimodulaatioksi (PCM), yhdistää video- ja äänidatan ja siirtää sen SPI-liitännän kautta RF-moduulille lähetettäväksi vastaanottimelle. Valinnainen LCD-paneeli toimii käyttöliittymänä ja tallennetun videon näyttönä.
Kehityksen nopeuttamiseksi valittiin STM32H7B3I-DK Discovery -sarja, joka on täydellinen demo- ja kehitysalusta STM32H7B3LIH6QU-mikrokontrollerille, joka perustuu STMicroelectronicsin Arm® Cortex®-M7-ydinarkkitehtuuriin. Sarja sisältää lähes kaikki oheislaitteet, kuten USB OTG_HS, microSD, USART, FDCAN, Audio DAC Stereo, kameran, SDRAMin, Octo-SPI Flashin ja RGB-liitäntäisen LCD:n kapasitiivisella kosketuspaneelilla. Lisäksi ARDUINO® Uno V3 -liitin mahdollistaa helpon liitännän laajennuskortteihin, ja RF-moduuli on suunniteltu sopimaan tähän ARDUINO® Uno V3 -liittimeen tytärkorttina, joka yhdistää RF-moduulin mikrokontrolleriin AV-datan lähettämiseksi.
AV-vastaanottimen demoyksikkö puolestaan sisältää RF-moduulin AV-datan vastaanottamiseen lähettimestä. Vastaanotettu videodata syötetään mikrokontrollerin laitteistokiihdytettyyn JPEG-dekooderiin, joka perustuu Arm® Cortex®-M7-ydinarkkitehtuuriin, purkaen videodatan RGB-muotoon, äänikoodekki dekoodaa vastaanotetun äänidatan ja DSI-HDMI-sovitin siirtää RGB-videon HDMI-porttiin.
AV-vastaanotin käyttää STM32H747I-DISCO Discovery Kit -sarjaa, joka on täydellinen demo- ja kehitysalusta STMicroelectronicsin Arm® Cortex®-M7- ja -M4-kaksoisydinpohjaisille STM32H747XIH6-mikrokontrollereille, joissa on neljä I2C-, kuusi täysdupleksista SPI-liitäntää, kaksi moniplexattua täysdupleksista SPI-liitäntää, neljä I2C-liitäntää, kuusi SPI-liitäntää, kaksi moniplexattua täysdupleksista I2S-liitäntää, SDRAM, Quad-SPI Flash, DCMI-liitin, MIPI DSI -liitäntä ja muuta. Lisäksi ARDUINO® Uno V3 -liitin mahdollistaa helpon liitännän laajennustytärkortteihin. RF-moduuli on suunniteltu sopimaan tytärkortiksi tähän ARDUINO® Uno V3 -liittimeen, joka yhdistää RF-moduulin mikrokontrolleriin AV-datan vastaanottamiseksi.
Korkean tehokkuuden, korkean laadun RF- ja kuvantamismoduuli
STM32WB55 RF SOC -vastaanotin ja RF EFM 2,4 GHz:n kaistalle on pieni kokoinen moduuli, jossa on UART- ja SPI-liitännät ohjaukseen ja datansiirtoon. Sen maksimilähtöteho on jopa 20 dBm 2,4 GHz:n kaistalla, ja se kykenee siirtämään dataa jopa 200 metrin suoran näköyhteyden etäisyydellä. Moduuli hyödyntää taajuushyppelytekniikkaa häiriöiden välttämiseksi muiden järjestelmien kanssa, mahdollistaen monikäyttäjä- ja Wi-Fi-ystävällisen yhteiselon.
STM32WB on 32-bittinen Arm® Cortex®-M4 -pohjainen MCU, jossa on moniprotokollainen langaton RF-vastaanotinpiiri, joka hoitaa kaikki RF-kerrokseen liittyvät prosessoinnit, mukaan lukien datan uudelleenlähetyksen, RSSI:n, RF-tehon hallinnan ja FIFO:n, tehden koko langattomasta viestinnästä järjestelmälle läpinäkyvän.
Demon kuvantamismoduuli tukee kahta kameramoduulia; STM32H7 EVB:n mukana toimitetun CMOS-kennon lisäksi on myös moduuli, joka on rakennettu ON Semiconductorin MT9M114-kuvakennoa, linssiä ja suodatinta käyttäen. Moduuli on rakennettu FPC-levylle, jossa on standardi rinnakkainen liitäntä, mikä mahdollistaa käyttäjille helpon kuvantamisjärjestelmien kehittämisen ilman huolta tarkennuksesta, suodatuksesta ja optisesta kohdistuksesta.
Kameramoduuli käyttää ON Semiconductorin 720p-kuvakennoa MT9M114, joka on korkealaatuinen kuvakenno, suunniteltu SOC-ratkaisuna. SOC toteuttaa monia kameratoimintoja, kuten automaattitarkennuksen, automaattisen valkotasapainon ja automaattisen valotuksen, tehden siitä kustannustehokkaan, kompaktin, yhden sirun ratkaisun, joka tarjoaa erinomaisen kuvanlaadun ja helpon integroinnin, mikä vähentää kokonaisjärjestelmän kustannuksia ja nopeuttaa markkinoille pääsyä.
Edistynyt, ilmainen ja laajennettava ohjelmistokehitysympäristö
Ohjelmistokehityksessä käytetään STM32CubeIDE versiota 1.6.1 lähdekoodin ohjelmointiin ja virheenkorjaukseen. STM32CubeIDE on STMicroelectronicsin tarjoama ilmainen, monikäyttöjärjestelmäinen kehitystyökalu, joka on edistynyt C/C++-kehitysalusta, jossa on oheislaitteiden konfigurointi, koodin generointi, käännös ja virheenkorjaus STM32-mikrokontrollereille ja -mikroprosessoreille.
AV-lähettimen ohjelmistokehitys alkaa RF-moduulin, kameramoduulin ja PDM-mikrofonin alustuksella. Kamera tallentaa videodataa STM32H7:n DCMI-liitännän kautta. Jokainen tallennettu videokehys aiheuttaa keskeytyksen, kehyspuskuri siirretään järjestelmämuistiin DMA-kanavan kautta, ja sitten kehyspuskuri syötetään STM32H7:n sisäänrakennetulle laitteistokiihdytetylle JPEG-kooderille, joka pakkaa videokehyksiä JPEG-muotoon kaistanleveyden minimoimiseksi. Samanaikaisesti PDM-mikrofoni tallentaa äänidataa STM32H7:n DFSDM-liitännän kautta 8 kHz:n näytetaajuudella ja muuntaa pulssitiheysmodulaatiodatan 16-bittiseksi pulssikoodimodulaatiodataksi ohjelmistodekoodauksella, ja käytetään omaa pakkausmenetelmää lähetetyn äänidatan kaistanleveyden vähentämiseksi.
AV-vastaanottimen ohjelmistokehitys alkaa RF-moduulin, äänikoodekin ja DSI-HDMI-sovittimen alustuksella. Tämän jälkeen STM32H7-mikrokontrolleri valvoo RF-moduulin tilaa, ja kun AV-data vastaanotetaan, videodata erotetaan ja syötetään STM32H7:n sisäänrakennetulle laitteistokiihdytetylle JPEG-dekooderille, joka purkaa videodatan RGB-kehyksiksi. RGB-kehysdata siirretään näyttöpuskurille ja video lähetetään LCD-näytölle, jos LCD on asennettu. Muussa tapauksessa video lähetetään ulkoiselle HDMI-näytölle DSI-HDMI-sovittimen kautta. Vastaanotettu äänidata puretaan ja vahvistetaan 16 kHz:n näytetaajuuteen ulkoisen HDMI-laitteen (esim. TV, jolla on miniminäytetaajuusvaatimukset) tarpeisiin.
Referenssisuunnittelua kehitetään tulevaisuudessa edelleen, mukaan lukien pakettihäviöiden tunnistus ja virheenkäsittely langattomassa siirrossa videonsiirron vakauden ja kestävyyden parantamiseksi. Toisaalta suunnittelu käyttää tällä hetkellä omaa pakkaus- ja purkualgoritmia, ja korkeampien näytetaajuuksien tukemiseksi ja minimikaistanleveyden ylläpitämiseksi voidaan toteuttaa muita äänikoodekkeja, kuten G722 tai MP3-kooderi. Lisäksi tietyissä sovelluksissa, kuten ovikellon valvonnassa, STM32H7-prosessoria voidaan hyödyntää kasvojentunnistusalgoritmin toteuttamiseen, joka tunnistaa kasvot ennen RF:n aktivoimista videonsiirtoa varten virrankulutuksen vähentämiseksi entisestään.
Yhteenveto
Tässä artikkelissa hyödynnetään STMicroelectronicsin edullista, suorituskykyistä Arm® Cortex®-M7-ydinpohjaista STM32H7-mikrokontrolleriperhettä rakentaakseen vähäkaistaisen ja vähävirtaisen langattoman videonsiirron demonstraatioratkaisun, joka optimoi STM32H7:n sisäänrakennetun laitteistokiihdytetyn JPEG-moottorin käytön videon siirrossa tarvittavan kaistanleveyden vähentämiseksi. Vähävirtaista RF-moduulia käytetään 2,4 GHz ISM-kaistalla ja omaa viestintäprotokollaa parantamaan RF-siirron energiatehokkuutta. RF-moduulin upotettu streaming-API-laiteohjelmisto lyhentää ratkaisun kehitysaikaa ja antaa kehittäjille mahdollisuuden keskittyä erilaisiin sovelluksiin, kuten vauvanvahtiin tai ovikellon valvontajärjestelmään. Tämä referenssisuunnittelu hyödyttää suunnittelijoita, jotka ovat kiinnostuneita kehittämään vastaavia tuotteita.
