Lage energiekoppeling met STM32H7B3I-DK Discovery-kit
05 Jul 2024
0 Opmerkingen
Draadloze videotransmissie is tegenwoordig een grote vraag op de markt. Producten zoals babyfoons, videodeurbellen en speelgoed die video- en audiostreams op afstand moeten bedienen en verzenden, moeten worden ontworpen met een laag vermogen, een lage bandbreedte (circa 1,3 Mbit/s) en directe draadloze communicatie voor toepassingen over lange afstanden. In dit artikel introduceren we de oplossing voor draadloze videotransmissie om het ontwerpconcept van dit referentieontwerp en de functionele kenmerken van de gerelateerde apparaten te begrijpen.
Draadloos videotransmissiesysteem met lage bandbreedte en laag vermogen
Dit referentieontwerp maakt gebruik van de krachtige, energiezuinige, op Arm® Cortex®-M7 gebaseerde STM32H7 MCU familie van STMicroelectronics om een draadloos videotransmissiesysteem met lage bandbreedte en laag vermogen te bouwen. Het ontwerp vermijdt het gebruik van energieverslindende connectiviteitsoplossingen zoals Wi-Fi of dure draadloze HDMI, en maakt gebruik van directe point-to-point datatransmissie, waardoor de noodzaak om verbinding te maken via Wi-Fi wordt vermeden om hacking en internetbeveiligingsproblemen te minimaliseren . Bovendien elimineert het ontwerp de noodzaak van een besturingssysteem, waardoor de benodigde hoeveelheid systeemgeheugen wordt verminderd, en ondersteunt het langeafstandstransmissie met de mogelijkheid om extra PA/LNA's toe te voegen om het transmissiebereik tot 300 meter te vergroten.
Om de kosten van de oplossing te minimaliseren werd gekozen voor een goedkope SoC-implementatie (System-on-Chip), waarbij gebruik werd gemaakt van ST's STM32H7 MCU-familie gebaseerd op de Arm® Cortex®-M7, aangezien de processor gebruikmaakt van ST's Non-Volatile Memory (NVM)-technologie om de toonaangevende 1.327 DMIPS per 3224 CoreMark van de Cortex-M-microcontroller te bereiken, de hoogste benchmarkscore in de branche, en wordt uitgevoerd vanuit ingebed Flash-geheugen. Bovendien bevat het een JPEG-hardware-gaspedaal voor snelle JPEG-codering en decodering om de belasting van de CPU te verminderen, gecombineerd met een multi-power domeinarchitectuur die kan worden ingesteld om de energie-efficiëntie te optimaliseren door verschillende power domain-configuraties in te stellen op een laag energieverbruik modus.
Om de transmissiekwaliteit van de video te optimaliseren, is een RF-module geselecteerd die een laag stroomverbruik, een groot bereik en sterke anti-jamming-eigenschappen ondersteunt, die werkt in de 2,4 GHz ISM-band, moduleert met GFSK die geschikt is voor deze toepassing, en implementeert zowel de ontvangende als de verzendende kant in het ingebedde systeem.
Uitgebreide draadloze RF-oplossingen
Het hardwareontwerp van de oplossing demonstreert draadloze videotransmissie en -ontvangst met behulp van een RF-verbinding met laag vermogen. Daarom is de oplossing uitgerust met twee units, waaronder een AV-zender en een AV-ontvanger.
De demo-eenheid van de AV-zender integreert een cameramodule voor het vastleggen van videogegevens, een pulsdichtheidsgemoduleerde microfoon (PDM) voor het vastleggen van stemgegevens en een RF-module voor het verzenden van AV-gegevens. De videogegevens worden naar een hardwareversnelde JPEG-encoder gevoerd, gebaseerd op een Arm® Cortex®-M7 kernmicrocontroller, om videocompressie uit te voeren. De decoderingssoftware van de microcontroller converteert de PDM-audiogegevens naar gegevens in Pulse Code Modulation (PCM)-formaat, combineert vervolgens de video- en audiogegevens en geeft deze via de SPI-interface door aan de RF-module voor verzending naar de ontvanger. Een optioneel LCD-paneel wordt gebruikt voor de gebruikersinterface en de functies voor vastgelegde videoweergave.
Om de ontwikkeling te versnellen werd voor de ontwikkeling gekozen voor de STM32H7B3I-DK Discovery-kit, een compleet demo- en ontwikkelingsplatform voor de STM32H7B3LIH6QU-microcontroller op basis van de STMicroelectronics Arm® Cortex®-M7-kern. De kit bevat bijna alle randapparatuur zoals USB OTG_HS, microSD, USART, FDCAN, Audio DAC Stereo, Camera, SDRAM, Octo-SPI Flash en RGB-interface LCD met capacitief aanraakpaneel. Bovendien maakt de ARDUINO® Uno V3-connector een eenvoudige aansluiting mogelijk voor uitbreidingsdochterkaarten, en de RF-module is ontworpen om geschikt te zijn voor de RF-module. De RF-module is ontworpen om in deze ARDUINO® Uno V3-connector te passen als dochterbord om de RF-module met de microcontroller te verbinden om AV-gegevens te verzenden.
De AV-ontvanger-demo-eenheid daarentegen bevat een RF-module voor het ontvangen van AV-gegevens van de zender. De ontvangen videogegevens worden naar de hardwareversnelde JPEG-decoder van de microcontroller gevoerd, gebaseerd op de Arm® Cortex®-M7-kern om de videogegevens te decomprimeren naar RGB-formaat, een audiocodec om de ontvangen audiogegevens te decoderen, en een DSI-naar-HDMI-adapter om geef de RGB-video door aan de HDMI-poort.
De AV-receiver maakt gebruik van de STM32H747I-DISCO Discovery Kit, een compleet demo- en ontwikkelingsplatform voor STMicroelectronics Arm® Cortex®-M7 en -M4 dual-core gebaseerde STM32H747XIH6 microcontrollers met vier I2C, zes full-duplex SPI met twee gemultiplexte full-duplex SPI met vier I2C, zes SPI met twee gemultiplexte full-duplex I2S-interfaces, SDRAM, Quad-SPI Flash, DCMI-connector, MIPI DSI-interface en meer. Bovendien maakt de ARDUINO® Uno V3-connector een eenvoudige aansluiting op uitbreidingsdochterkaarten mogelijk. De RF-module is ontworpen om te passen als een dochterbord dat is aangesloten op deze ARDUINO® Uno V3-connector, die de RF-module verbindt met de microcontroller om AV-gegevens te ontvangen.
Hoog rendement, hoogwaardige RF- en beelddetectiemodule
De STM32WB55 RF SOC-transceiver en RF EFM voor 2,4GHz-band RF EFM is een kleine vormfactormodule met UART- en SPI-interfaces voor besturing en datatransmissie. Het heeft een maximaal uitgangsvermogen van maximaal 20 dBm in de 2,4 GHz-band en kan gegevens verzenden tot een zichtlijn van 200 meter. De module maakt gebruik van frequentie-hopping-technologie om interferentie met andere systemen te voorkomen, waardoor coëxistentie voor meerdere gebruikers en Wi-Fi mogelijk wordt.
De STM32WB is een op 32-bit Arm® Cortex®-M4 gebaseerde MCU met een multi-protocol draadloze RF-transceiver geïntegreerde chipset die alle verwerkingen afhandelt die verband houden met de RF-laag, inclusief hertransmissie van gegevensverlies, RSSI , RF-vermogensregeling en FIFO, waardoor het gehele draadloze communicatieproces transparant wordt voor het systeem.
De beeldsensormodule in de demo ondersteunt 2 cameramodules. Naast de CMOS-sensormodule die bij de STM32H7 EVB wordt geleverd, is er ook een module opgebouwd uit de MT9M114-beeldsensor, lens en filter van ON Semiconductor. De module is gebouwd op een FPC-bord met een standaard parallelle interface en stelt gebruikers in staat eenvoudig beeldvormingssystemen te ontwikkelen zonder zich zorgen te hoeven maken over scherpstelling, filtering en optische uitlijning.
De cameramodule maakt gebruik van de 720p beeldsensor van ON Semiconductor, de MT9M114, die een hoogwaardige beeldsensor is ontworpen met behulp van een SOC. De SOC implementeert een verscheidenheid aan camerafuncties, waaronder autofocus, automatische witbalans en automatische belichting, waardoor het een kosteneffectieve, compacte, single-chip oplossing is die superieure beeldkwaliteit en eenvoudige integratie biedt, wat de totale systeemaankosten verlaagt en de time-to-market versnelt.
Geavanceerde, gratis en uitbreidbare softwareontwikkelingsomgeving
Voor softwareontwikkeling wordt STM32CubeIDE versie 1.6.1 gebruikt voor het programmeren en debuggen van de broncode. STM32CubeIDE is een alles-in-één ontwikkelingstool voor meerdere besturingssystemen, gratis aangeboden door STMicroelectronics, een geavanceerd C/C++-ontwikkelingsplatform met randconfiguratie, codegeneratie, codecompilatie en foutopsporing voor STM32-microcontrollers en microprocessors. functies.
De softwareontwikkeling van de AV-zender begint met de initialisatie van de RF-module, de cameramodule en de PDM-microfoon. De camera legt de videogegevens vast via de DCMI-interface van de STM32H7. Elk vastgelegd videoframe genereert een interrupt, de framebuffer wordt via een DMA-kanaal naar het systeemgeheugen overgebracht en vervolgens wordt de framebuffer naar het ingebouwde hardware-JPEG-gaspedaal van de STM32H7 gevoerd, dat de videoframes comprimeert naar het JPEG-formaat om minimaliseer de vereiste bandbreedte. Tegelijkertijd vangt de PDM-microfoon de stemgegevens op via de DFSDM-interface van de STM32H7 met een bemonsteringsfrequentie van 8 Khz en converteert de pulsdichtheidsmodulatiegegevens naar 16-bits pulsgecodeerde modulatiegegevens via softwaredecodering. geïmplementeerd om de bandbreedte van de verzonden audiogegevens te verminderen.
De softwareontwikkeling van de AV-receiver begint vervolgens met het initialiseren van de RF-module, audiocodec en DSI-naar-HDMI-adapter, vervolgens bewaakt de STM32H7-microcontroller de status van de RF-module en zodra de AV-gegevens zijn ontvangen, worden de videogegevens geëxtraheerd en ingevoerd in het ingebouwde hardware-JPEG-gaspedaal van de STM32H7, dat de videogegevens decomprimeert in RGB-framegegevens. De RGB-framegegevens worden vervolgens overgebracht naar de weergavebuffer en de video wordt uitgevoerd naar de LCD-monitor als er een LCD is geïnstalleerd . Anders wordt de video uitgevoerd naar een extern HDMI-scherm via een DSI-naar-HDMI-adapter. De ontvangen audiogegevens worden gedecomprimeerd en vervolgens versterkt tot een bemonsteringssnelheid van 16 kHz om plaats te bieden aan een extern HDMI-apparaat (bijvoorbeeld een tv met minimale bemonsteringsvereisten).
Het referentieontwerp zal in de toekomst verder worden ontwikkeld, inclusief detectie van pakketverlies en foutafhandeling voor draadloze transmissie om de stabiliteit en duurzaamheid van de videotransmissie te verbeteren. Aan de andere kant maakt het ontwerp momenteel gebruik van eigen compressie- en decompressie-algoritmen, en om hogere samplefrequenties te ondersteunen en een minimale bandbreedte te behouden, kunnen andere audiocodecs, zoals de G722, MP3-encoder, worden geïmplementeerd. Bovendien kan de STM32H7-processor voor bepaalde toepassingen, zoals deurbelbewaking, worden gebruikt om een algoritme voor gezichtsdetectie op te nemen dat het gezicht detecteert voordat de RF voor videotransmissie wordt geactiveerd om het energieverbruik verder te verminderen.
Conclusie
Dit artikel maakt gebruik van de goedkope, krachtige Arm® Cortex®-M7 core-gebaseerde STM32H7-familie van microcontrollers van STMicroelectronics om een demonstratieoplossing voor draadloze videotransmissie met lage bandbreedte en laag vermogen te bouwen die het gebruik van de ingebouwde STM32H7 optimaliseert hardwareversnelde JPEG-engine om de bandbreedte die nodig is voor het verzenden van video te verminderen, en het lage vermogen. De RF-module maakt gebruik van de 2,4GHz ISM-band en een eigen communicatieprotocol om de energie-efficiëntie van RF-transmissie te verbeteren. De ingebouwde streaming API-firmware van de RF-module verkort de ontwikkelingstijd van de oplossing en stelt ontwikkelaars in staat zich te concentreren op verschillende toepassingen, zoals een babyfoon of deurbelbewakingssysteem. Dit referentieontwerp zal ten goede komen aan ontwerpers die geïnteresseerd zijn in het ontwikkelen van gerelateerde producten.
