Liaison basse consommation avec le kit Discovery STM32H7B3I-DK
05 Jul 2024
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La transmission vidéo sans fil est aujourd’hui une demande très forte sur le marché. Les produits tels que les babyphones, les sonnettes vidéo et les jouets qui doivent contrôler et transmettre à distance des flux vidéo et audio doivent être conçus avec une faible consommation, une faible bande passante (environ 1,3 Mbit/s) et une communication sans fil directe pour les applications longue distance. Dans cet article, nous présenterons la solution de transmission vidéo sans fil pour comprendre le concept de conception de cette conception de référence et les caractéristiques fonctionnelles des appareils associés.
Système de transmission vidéo sans fil à faible bande passante et faible consommation
Cette conception de référence utilise la famille de microcontrôleurs STM32H7 hautes performances et faible consommation de STMicroelectronics, basée sur Arm® Cortex®-M7, pour créer un système de transmission vidéo sans fil à faible bande passante et faible consommation. La conception évite l'utilisation de solutions de connectivité gourmandes en énergie telles que le Wi-Fi ou le HDMI sans fil coûteux, et utilise la transmission directe de données point à point, évitant ainsi le besoin de se connecter via Wi-Fi pour minimiser les problèmes de piratage et de sécurité Internet. . De plus, la conception élimine le besoin d'un système d'exploitation, réduisant ainsi la quantité de mémoire système requise, et prend en charge la transmission longue distance avec la possibilité d'ajouter des PA/LNA supplémentaires pour augmenter la portée de transmission à 300 m.
Pour minimiser le coût de la solution, une implémentation SoC (System-on-Chip) à faible coût a été choisie, utilisant la famille de microcontrôleurs STM32H7 de ST basée sur le Arm® Cortex®-M7, car le processeur utilise La technologie de mémoire non volatile (NVM) de ST permet au microcontrôleur Cortex-M d'atteindre le niveau de 1 327 DMIPS par 3 224 CoreMark, le score de référence le plus élevé du secteur, et s'exécute à partir de la mémoire Flash intégrée. De plus, il intègre une pédale d'accélérateur matérielle JPEG pour un encodage et un décodage JPEG rapides afin de réduire la charge sur le processeur, combinée à une architecture de domaine multi-puissance qui peut être configurée pour optimiser l'efficacité énergétique en définissant différentes configurations de domaine d'alimentation en basse consommation. mode.
Afin d'optimiser la qualité de transmission de la vidéo, un module RF prenant en charge une faible consommation d'énergie, une longue portée et de fortes caractéristiques anti-brouillage est sélectionné, qui fonctionne dans la bande ISM de 2,4 GHz, module avec GFSK adapté à cette application et met en œuvre à la fois les extrémités de réception et de transmission dans le système embarqué.
Solutions RF sans fil complètes
La conception matérielle de la solution démontre la transmission et la réception vidéo sans fil à l'aide d'une connexion RF de faible puissance. Elle est donc équipée de deux unités, dont un émetteur AV et un récepteur AV.
L'unité de démonstration de l'émetteur AV intègre un module de caméra pour capturer des données vidéo, un microphone à modulation de densité d'impulsion (PDM) pour capturer des données vocales et un module RF pour transmettre des données AV. Les données vidéo sont transmises à un encodeur JPEG à accélération matérielle basé sur un microcontrôleur central Arm® Cortex®-M7 pour effectuer la compression vidéo. Le logiciel de décodage du microcontrôleur convertit les données audio PDM en données au format Pulse Code Modulation (PCM), puis combine les données vidéo et audio et les transmet via l'interface SPI au module RF pour transmission au récepteur. Un panneau LCD en option est utilisé pour l'interface utilisateur et les fonctions d'affichage vidéo capturées.
Pour accélérer le développement, le kit Discovery STM32H7B3I-DK a été choisi pour le développement. Il s'agit d'une plate-forme complète de démonstration et de développement pour le microcontrôleur STM32H7B3LIH6QU basée sur le cœur STMicroelectronics Arm® Cortex®-M7. Le kit comprend presque tous les périphériques tels que USB OTG_HS, microSD, USART, FDCAN, Audio DAC Stereo, Caméra, SDRAM, Octo-SPI Flash et interface LCD RVB avec écran tactile capacitif. De plus, le connecteur ARDUINO® Uno V3 permet une connexion facile aux cartes filles d'extension, et le module RF est conçu pour être adapté au Le module RF est conçu pour s'insérer dans ce connecteur ARDUINO® Uno V3 en tant que carte fille pour connecter le module RF au microcontrôleur afin de transmettre des données AV.
L'unité de démonstration du récepteur AV, quant à elle, intègre un module RF pour recevoir les données AV de l'émetteur. Les données vidéo reçues sont transmises au décodeur JPEG à accélération matérielle du microcontrôleur basé sur le cœur Arm® Cortex®-M7 pour décompresser les données vidéo au format RVB, à un codec audio pour décoder les données audio reçues et à un adaptateur DSI vers HDMI pour passez la vidéo RVB au port HDMI.
Le récepteur AV utilise le kit de découverte STM32H747I-DISCO, une plate-forme complète de démonstration et de développement pour les microcontrôleurs STM32H747XIH6 à double cœur STMicroelectronics Arm® Cortex®-M7 et -M4 avec quatre I2C et six SPI en duplex intégral. avec deux SPI multiplexés en duplex intégral avec quatre I2C, six SPI avec deux interfaces I2S en duplex intégral multiplexées, SDRAM, Flash Quad-SPI, connecteur DCMI, interface MIPI DSI et plus encore. De plus, le connecteur ARDUINO® Uno V3 permet une connexion facile aux cartes filles d'extension. Le module RF est conçu pour s'adapter comme une carte fille branchée sur ce connecteur ARDUINO® Uno V3, qui connecte le module RF au microcontrôleur pour recevoir des données AV.
Module de détection d'image et RF haute efficacité et de haute qualité
L'émetteur-récepteur RF SOC STM32WB55 et RF EFM pour RF EFM dans la bande 2,4 GHz est un module à petit facteur de forme avec des interfaces UART et SPI pour le contrôle et la transmission de données. Il a une puissance de sortie maximale allant jusqu'à 20 dBm dans la bande 2,4 GHz et est capable de transmettre des données jusqu'à 200 m de ligne de vue. Le module utilise la technologie de saut de fréquence pour éviter les interférences avec d'autres systèmes, permettant ainsi une coexistence multi-utilisateurs et conviviale Wi-Fi.
Le STM32WB est un microcontrôleur basé sur Arm® Cortex®-M4 32 bits avec un chipset intégré d'émetteur-récepteur RF sans fil multiprotocole qui gérera tous les traitements associés à la couche RF, y compris la retransmission des pertes de données, RSSI , contrôle de puissance RF et FIFO, rendant l'ensemble du processus de communication sans fil transparent pour le système.
Le module de capteur d'image de la démo prend en charge 2 modules de caméra. En plus du module de capteur CMOS livré avec le STM32H7 EVB, il existe également un module construit à partir du capteur d'image MT9M114, de l'objectif et du filtre d'ON Semiconductor. Construit sur une carte FPC avec une interface parallèle standard, le module permet aux utilisateurs de développer facilement des systèmes d'imagerie sans avoir à se soucier de la mise au point, du filtrage et de l'alignement optique.
Le module caméra utilise le capteur d'image 720p d'ON Semiconductor, le MT9M114, qui est un capteur d'image de haute qualité conçu à l'aide d'un SOC. Le SOC implémente diverses fonctions de caméra, notamment la mise au point automatique, la balance des blancs automatique et l'exposition automatique, ce qui en fait une solution économique, compacte et monopuce qui offre une qualité d'image supérieure et une facilité d'intégration, ce qui réduit le coût global du système et accélère délai de mise sur le marché. délai de mise sur le marché.
Environnement de développement logiciel avancé, gratuit et extensible
Pour le développement de logiciels, STM32CubeIDE ver.1.6.1 est utilisé pour la programmation et le débogage du code source. STM32CubeIDE est un outil de développement de système d'exploitation tout-en-un fourni gratuitement par STMicroelectronics, qui est une plate-forme de développement C/C++ avancée avec configuration périphérique, génération de code, compilation de code et débogage pour les microcontrôleurs et microprocesseurs STM32. fonctions.
Le développement logiciel de l'émetteur AV commence par l'initialisation du module RF, du module caméra et du microphone PDM. La caméra capture les données vidéo via l'interface DCMI du STM32H7. Chaque image vidéo capturée génère une interruption, le tampon d'image est transféré à la mémoire système via un canal DMA, puis le tampon d'image est transmis à la pédale d'accélérateur JPEG matérielle intégrée du STM32H7, qui compresse les images vidéo au format JPEG pour minimiser la bande passante requise. Dans le même temps, le microphone PDM capture les données vocales via l'interface DFSDM du STM32H7 à un taux d'échantillonnage de 8 kHz et convertit les données de modulation de densité d'impulsion en données de modulation codées par impulsion de 16 bits via un décodage logiciel, et un schéma de compression propriétaire est mis en œuvre afin de réduire la bande passante des données audio transmises.
Le développement logiciel du récepteur AV commence ensuite par l'initialisation du module RF, du codec audio et de l'adaptateur DSI vers HDMI, puis le microcontrôleur STM32H7 surveille l'état du module RF, et une fois les données AV reçues, les données vidéo sont extraites. et introduit dans la pédale d'accélérateur JPEG matérielle intégrée du STM32H7, qui décompresse les données vidéo en données d'image RVB. Les données d'image RVB seront ensuite transférées vers le tampon d'affichage et la vidéo sera sortie sur le moniteur LCD si un écran LCD est installé. . Sinon, la vidéo sera diffusée sur un écran HDMI externe via un adaptateur DSI vers HDMI. Pour les données audio reçues, elles seront décompressées puis amplifiées à une fréquence d'échantillonnage de 16 Khz pour s'adapter à un périphérique HDMI externe (par exemple un téléviseur avec des exigences de fréquence d'échantillonnage minimales).
La conception de référence sera développée davantage à l'avenir, y compris la détection des pertes de paquets et la gestion des erreurs pour la transmission sans fil afin d'améliorer la stabilité et la durabilité de la transmission vidéo. D'un autre côté, la conception utilise actuellement des algorithmes de compression et de décompression propriétaires, et afin de prendre en charge des taux d'échantillonnage plus élevés et de maintenir une bande passante minimale, d'autres codecs audio, tels que le G722, encodeur MP3, peuvent être implémentés. De plus, pour certaines applications telles que la surveillance par sonnette, le processeur STM32H7 peut être utilisé pour incorporer un algorithme de détection de visage qui détecte le visage avant d'activer la RF pour la transmission vidéo afin de réduire davantage la consommation d'énergie.
Conclusion
Cet article utilise la famille de microcontrôleurs STM32H7 à faible coût et hautes performances basés sur le cœur Arm® Cortex®-M7 de STMicroelectronics pour créer une solution de démonstration de transmission vidéo sans fil à faible bande passante et à faible consommation qui optimise l'utilisation du processeur intégré du STM32H7. Moteur JPEG accéléré par le matériel pour réduire la bande passante requise pour la transmission vidéo et la faible consommation. Le module RF utilise la bande ISM de 2,4 GHz et un protocole de communication propriétaire pour améliorer l'efficacité énergétique de la transmission RF. Le micrologiciel API de streaming intégré au module RF réduit le temps de développement de la solution et permet aux développeurs de se concentrer sur différentes applications, telles qu'un babyphone ou un système de surveillance par sonnette, et cette conception de référence profitera aux concepteurs intéressés par le développement de produits associés.
