Bezprzewodowa transmisja wideo to obecnie gorące zapotrzebowanie na rynku. Produkty takie jak monitory dla niemowląt, wideodomofony i zabawki, które wymagają zdalnego sterowania oraz przesyłania strumieni wideo i audio, muszą być zaprojektowane z myślą o niskim zużyciu energii, niskim paśmie (około 1,3 Mbit/s) oraz bezpośredniej komunikacji bezprzewodowej na duże odległości. W tym artykule przedstawimy rozwiązanie do bezprzewodowej transmisji wideo, aby zrozumieć koncepcję projektową tego wzorcowego rozwiązania oraz funkcjonalne cechy powiązanych urządzeń.
System bezprzewodowej transmisji wideo o niskiej przepustowości i niskim zużyciu energii
Ten projekt referencyjny wykorzystuje wysokowydajną, energooszczędną rodzinę mikrokontrolerów STM32H7 MCU opartą na Arm® Cortex®-M7 firmy STMicroelectronics do budowy systemu bezprzewodowej transmisji wideo o niskiej przepustowości i niskim zużyciu energii. Projekt unika stosowania energochłonnych rozwiązań łączności, takich jak Wi-Fi czy kosztowne bezprzewodowe HDMI, i wykorzystuje bezpośrednią transmisję danych punkt-punkt, eliminując potrzebę łączenia się przez Wi-Fi, aby zminimalizować ryzyko włamań i problemy z bezpieczeństwem Internetu. Ponadto projekt eliminuje potrzebę systemu operacyjnego, co zmniejsza ilość wymaganej pamięci systemowej, i wspiera transmisję na duże odległości z możliwością dodania dodatkowych wzmacniaczy PA/LNA w celu zwiększenia zasięgu transmisji do 300 m.
Aby zminimalizować koszt rozwiązania, wybrano niskokosztową implementację SoC (System-on-Chip), wykorzystującą rodzinę mikrokontrolerów STM32H7 firmy ST opartą na Arm® Cortex®-M7, ponieważ procesor wykorzystuje technologię Pamięci Nieulotnej (NVM) firmy ST, aby osiągnąć wiodącą w branży wydajność mikrokontrolera Cortex-M na poziomie 1 327 DMIPS przy 3224 CoreMark, najwyższy wynik w branży, i wykonuje operacje z pamięci Flash wbudowanej. Dodatkowo zawiera sprzętowy akcelerator JPEG do szybkiego kodowania i dekodowania JPEG, co zmniejsza obciążenie CPU, w połączeniu z architekturą wielodomenową zasilania, którą można ustawić w celu optymalizacji efektywności energetycznej poprzez konfigurację różnych domen zasilania w trybie niskiego zużycia energii.
Aby zoptymalizować jakość transmisji wideo, wybrano moduł RF obsługujący niskie zużycie energii, długi zasięg oraz silne właściwości przeciwzakłóceniowe, który działa w paśmie ISM 2,4 GHz, moduluje sygnał za pomocą GFSK odpowiedniego dla tej aplikacji oraz implementuje zarówno odbiornik, jak i nadajnik w systemie wbudowanym.
Kompleksowe bezprzewodowe rozwiązania RF
Projekt sprzętowy rozwiązania demonstruje bezprzewodową transmisję i odbiór wideo za pomocą niskomocowego połączenia RF, dlatego jest wyposażony w dwie jednostki, w tym nadajnik AV i odbiornik AV.
Jednostka demonstracyjna nadajnika AV integruje moduł kamery do przechwytywania danych wideo, mikrofon modulowany gęstością impulsów (PDM) do przechwytywania danych głosowych oraz moduł RF do transmisji danych AV. Dane wideo są przesyłane do sprzętowo przyspieszanego enkodera JPEG opartego na mikrokontrolerze Arm® Cortex®-M7, który wykonuje kompresję wideo. Oprogramowanie dekodujące mikrokontrolera konwertuje dane audio PDM na dane w formacie modulacji impulsowo-kodowej (PCM), następnie łączy dane wideo i audio i przesyła je przez interfejs SPI do modułu RF w celu transmisji do jednostki odbiorczej. Opcjonalny panel LCD jest używany do funkcji interfejsu użytkownika i wyświetlania przechwyconego wideo.
Aby przyspieszyć rozwój, wybrano zestaw STM32H7B3I-DK Discovery, który jest kompletną platformą demonstracyjną i rozwojową dla mikrokontrolera STM32H7B3LIH6QU opartego na rdzeniu STMicroelectronics Arm® Cortex®-M7. Zestaw zawiera niemal wszystkie peryferia, takie jak USB OTG_HS, microSD, USART, FDCAN, Audio DAC Stereo, kamerę, SDRAM, pamięć Flash Octo-SPI oraz interfejs LCD RGB z pojemnościowym panelem dotykowym. Dodatkowo, złącze ARDUINO® Uno V3 umożliwia łatwe podłączenie rozszerzeń, a moduł RF jest zaprojektowany tak, aby pasował do tego złącza ARDUINO® Uno V3 jako płytka rozszerzeń do podłączenia modułu RF do mikrokontrolera w celu transmisji danych AV.
Jednostka demonstracyjna odbiornika AV zawiera z kolei moduł RF do odbierania danych AV z nadajnika. Otrzymane dane wideo są przesyłane do sprzętowego dekodera JPEG mikrokontrolera opartego na rdzeniu Arm® Cortex®-M7 w celu dekompresji danych wideo do formatu RGB, kodeka audio do dekodowania odebranych danych audio oraz adaptera DSI na HDMI do przesyłania wideo RGB do portu HDMI.
Odbiornik AV wykorzystuje zestaw odkrywkowy STM32H747I-DISCO, kompletną platformę demonstracyjną i rozwojową dla mikrokontrolerów STM32H747XIH6 opartych na dwurdzeniowym procesorze Arm® Cortex®-M7 i -M4 firmy STMicroelectronics, wyposażonych w cztery interfejsy I2C, sześć pełnodupleksowych SPI z dwoma multipleksowanymi pełnodupleksowymi SPI, cztery I2C, sześć SPI z dwoma multipleksowanymi pełnodupleksowymi interfejsami I2S, SDRAM, pamięć Flash Quad-SPI, złącze DCMI, interfejs MIPI DSI i inne. Dodatkowo, złącze ARDUINO® Uno V3 umożliwia łatwe podłączenie rozszerzeń w postaci płytek rozszerzeń. Moduł RF jest zaprojektowany tak, aby pasował jako płytka rozszerzeń podłączana do tego złącza ARDUINO® Uno V3, które łączy moduł RF z mikrokontrolerem w celu odbioru danych AV.
Moduł RF i obrazowania o wysokiej wydajności i wysokiej jakości
Transceiver RF SOC STM32WB55 i RF EFM dla pasma 2,4 GHz to moduł o małym formacie z interfejsami UART i SPI do sterowania i transmisji danych. Ma maksymalną moc wyjściową do 20 dBm w paśmie 2,4 GHz i jest zdolny do przesyłania danych na odległość do 200 m w linii wzroku. Moduł wykorzystuje technologię skakania po częstotliwościach, aby unikać zakłóceń z innymi systemami, co umożliwia współistnienie wielu użytkowników i przyjazność dla Wi-Fi.
STM32WB to 32-bitowy Arm® Cortex®-M4 oparty na MCU z zintegrowanym chipsetem wieloprotokołowego bezprzewodowego transceivera RF, który obsługuje całe przetwarzanie związane z warstwą RF, w tym retransmisję utraconych danych, RSSI, kontrolę mocy RF oraz FIFO, czyniąc cały proces komunikacji bezprzewodowej przejrzystym dla systemu.
Moduł czujnika obrazu w demonstracji obsługuje 2 moduły kamer, oprócz modułu czujnika CMOS dostarczanego z STM32H7 EVB, istnieje również moduł zbudowany z czujnika obrazu MT9M114, obiektywu i filtra od ON Semiconductor. Zbudowany na płytce FPC ze standardowym równoległym interfejsem, moduł pozwala użytkownikom łatwo rozwijać systemy obrazowania bez konieczności martwienia się o ustawianie ostrości, filtrowanie i optyczne wyrównanie.
Moduł kamery wykorzystuje czujnik obrazu 720p firmy ON Semiconductor, MT9M114, który jest wysokiej jakości czujnikiem obrazu zaprojektowanym z użyciem SOC. SOC implementuje różne funkcje kamery, w tym autofokus, automatyczną równowagę bieli oraz automatyczną ekspozycję, co czyni go opłacalnym, kompaktowym, jednokristalowym rozwiązaniem, które zapewnia doskonałą jakość obrazu i łatwość integracji, co obniża całkowity koszt systemu i przyspiesza czas wprowadzenia na rynek.
Zaawansowane, darmowe i rozszerzalne środowisko do tworzenia oprogramowania
Do tworzenia oprogramowania używa się STM32CubeIDE w wersji 1.6.1 do programowania i debugowania kodu źródłowego. STM32CubeIDE to kompleksowe narzędzie do tworzenia oprogramowania działające na wielu systemach operacyjnych, udostępniane bezpłatnie przez STMicroelectronics, będące zaawansowaną platformą do programowania w C/C++ z konfiguracją peryferiów, generowaniem kodu, kompilacją kodu oraz debugowaniem dla mikrokontrolerów i mikroprocesorów STM32.
Oprogramowanie nadajnika AV rozpoczyna się od inicjalizacji modułu RF, modułu kamery oraz mikrofonu PDM. Kamera przechwytuje dane wideo przez interfejs DCMI mikrokontrolera STM32H7. Każda przechwycona klatka wideo generuje przerwanie, bufor klatki jest przesyłany do pamięci systemowej przez kanał DMA, a następnie bufor klatki jest przekazywany do wbudowanego w STM32H7 sprzętowego akceleratora JPEG, który kompresuje klatki wideo do formatu JPEG, aby zminimalizować wymaganą przepustowość. Jednocześnie mikrofon PDM przechwytuje dane głosowe przez interfejs DFSDM STM32H7 z częstotliwością próbkowania 8 kHz i konwertuje dane modulacji gęstości impulsów na 16-bitowe dane modulacji impulsowo-kodowej za pomocą dekodowania programowego, a także implementowany jest własny schemat kompresji w celu zmniejszenia przepustowości przesyłanych danych audio.
Rozwój oprogramowania odbiornika AV rozpoczyna się od inicjalizacji modułu RF, kodeka audio oraz adaptera DSI-do-HDMI, następnie mikrokontroler STM32H7 monitoruje status modułu RF, a po odebraniu danych AV, dane wideo są wyodrębniane i przesyłane do wbudowanego sprzętowego dekodera JPEG STM32H7, który dekompresuje dane wideo do danych ramki RGB. Dane ramki RGB są następnie przesyłane do bufora wyświetlacza, a wideo jest wyświetlane na monitorze LCD, jeśli jest zainstalowany. W przeciwnym razie wideo jest wyprowadzane na zewnętrzny wyświetlacz HDMI za pośrednictwem adaptera DSI-do-HDMI. Otrzymane dane audio są dekompresowane, a następnie wzmacniane do częstotliwości próbkowania 16 kHz, aby dostosować się do zewnętrznego urządzenia HDMI (np. telewizora z minimalnymi wymaganiami dotyczącymi częstotliwości próbkowania).
Projekt referencyjny będzie dalej rozwijany w przyszłości, w tym wykrywanie utraty pakietów i obsługa błędów dla transmisji bezprzewodowej, aby poprawić stabilność i trwałość transmisji wideo. Z drugiej strony, obecny projekt wykorzystuje własne algorytmy kompresji i dekompresji, a w celu obsługi wyższych częstotliwości próbkowania i utrzymania minimalnej przepustowości, można zaimplementować inne kodeki audio, takie jak G722, enkoder MP3. Ponadto, dla niektórych zastosowań, takich jak monitorowanie dzwonka do drzwi, procesor STM32H7 może być wykorzystany do wprowadzenia algorytmu wykrywania twarzy, który wykrywa twarz przed aktywacją RF do transmisji wideo, aby jeszcze bardziej zmniejszyć zużycie energii.
Wniosek
Niniejszy artykuł wykorzystuje niskokosztową, wysokowydajną rodzinę mikrokontrolerów STM32H7 opartą na rdzeniu Arm® Cortex®-M7 firmy STMicroelectronics do stworzenia demonstracyjnego rozwiązania do bezprzewodowej transmisji wideo o niskiej przepustowości i niskim zużyciu energii, które optymalizuje wykorzystanie wbudowanego sprzętowego akceleratora JPEG w STM32H7 w celu zmniejszenia przepustowości wymaganej do przesyłania wideo, a moduł RF o niskim poborze mocy wykorzystuje pasmo ISM 2,4 GHz oraz własny protokół komunikacyjny w celu poprawy efektywności energetycznej transmisji RF. Wbudowane oprogramowanie układowe API strumieniowania modułu RF skraca czas opracowania rozwiązania i pozwala programistom skupić się na różnych zastosowaniach, takich jak monitor dla niemowląt lub system monitorowania dzwonka do drzwi, a ten projekt referencyjny będzie korzystny dla projektantów zainteresowanych opracowywaniem powiązanych produktów.
