Trådlös videotransmission är en het efterfrågan på marknaden idag. Produkter som babymonitorer, videodörrklockor och leksaker som behöver fjärrstyra och överföra video- och ljudströmmar måste utformas med låg effekt, låg bandbredd (ca 1,3 Mbit/s) och direkt trådlös kommunikation för långdistansapplikationer. I denna artikel kommer vi att introducera lösningen för trådlös videotransmission för att förstå designkonceptet för denna referensdesign och de funktionella egenskaperna hos de relaterade enheterna.
Låg bandbredd, låg effekt trådlöst videosändningssystem
Denna referensdesign använder STMicroelectronics högpresterande, lågströms, Arm® Cortex®-M7-baserade STM32H7 MCU-familj för att bygga ett lågbandbredds- och lågströms trådlöst videosändningssystem. Designen undviker användning av strömkrävande anslutningslösningar som Wi-Fi eller kostsamt trådlöst HDMI och använder direkt punkt-till-punkt dataöverföring, vilket undviker behovet av att ansluta via Wi-Fi för att minimera hackning och internet säkerhetsproblem. Dessutom eliminerar designen behovet av ett operativsystem, vilket minskar mängden systemminne som krävs, och stöder långdistansöverföring med möjlighet att lägga till ytterligare PA/LNA för att öka överföringsavståndet till 300 m.
För att minimera kostnaden för lösningen valdes en lågkostnads-SoC (System-on-Chip)-implementation, med ST:s STM32H7 MCU-familj baserad på Arm® Cortex®-M7, eftersom processorn använder ST:s icke-flyktiga minnesteknologi (NVM) för att uppnå Cortex-M mikrokontrollerns branschledande 1 327 DMIPS per 3 224 CoreMark, den högsta benchmarkpoängen i branschen, och körs från inbäddat Flash-minne. Dessutom inbäddas en JPEG-hårdvarupedal för snabb JPEG-kodning och -avkodning för att minska belastningen på CPU:n, kombinerat med en arkitektur med flera strömdomäner som kan ställas in för att optimera energieffektiviteten genom att konfigurera olika strömdomäner i lågströmsläge.
För att optimera överföringskvaliteten för videon väljs en RF-modul som stöder låg strömförbrukning, lång räckvidd och starka störningsskyddsegenskaper, som arbetar i 2,4 GHz ISM-bandet, modulerar med GFSK lämplig för denna applikation och implementerar både mottagande och sändande ändar i det inbäddade systemet.
Omfattande trådlösa RF-lösningar
Hårdvarudesignen för lösningen demonstrerar trådlös videoöverföring och mottagning med en lågströms RF-anslutning, så den är utrustad med två enheter inklusive en AV-sändare och en AV-mottagare.
Demouniten för AV-sändaren integrerar en kameramodul för att fånga videodata, en pulstäthetmodulerad mikrofon (PDM) för att fånga röstdata och en RF-modul för att sända AV-data. Videodata matas till en hårdvaruaccelererad JPEG-kodare baserad på en Arm® Cortex®-M7-kärnbaserad mikrokontroller för videokomprimering. Mikrokontrollerens avkodningsprogramvara konverterar PDM-ljuddata till Pulse Code Modulation (PCM)-formatdata, kombinerar sedan video- och ljuddata och skickar det via SPI-gränssnittet till RF-modulen för överföring till mottagarenheten. En valfri LCD-panel används för användargränssnitt och visning av inspelad video.
För att påskynda utvecklingen valdes STM32H7B3I-DK Discovery kit för utveckling, vilket är en komplett demo- och utvecklingsplattform för STM32H7B3LIH6QU-mikrokontrollern baserad på STMicroelectronics Arm® Cortex®-M7-kärna. Kitet inkluderar nästan alla kringutrustningar såsom USB OTG_HS, microSD, USART, FDCAN, Audio DAC Stereo, Kamera, SDRAM, Octo-SPI Flash och RGB-gränssnitt LCD med kapacitiv pekpanel. Dessutom möjliggör ARDUINO® Uno V3-kontakten enkel anslutning till expansionskort, och RF-modulen är designad för att passa in i denna ARDUINO® Uno V3-kontakt som ett dotterkort för att ansluta RF-modulen till mikrokontrollern för att sända AV-data.
AV-mottagardemouniten innehåller å andra sidan en RF-modul för att ta emot AV-data från sändaren. Den mottagna videon matas till mikrokontrollerens hårdvaruaccelererade JPEG-avkodare baserad på Arm® Cortex®-M7-kärnan för att dekomprimera videodata till RGB-format, en ljudkodek för att avkoda mottagen ljuddata och en DSI till HDMI-adapter för att skicka RGB-videon till HDMI-porten.
AV-mottagaren använder STM32H747I-DISCO Discovery Kit, en komplett demo- och utvecklingsplattform för STMicroelectronics Arm® Cortex®-M7 och -M4 dual-core-baserade STM32H747XIH6-mikrokontroller med fyra I2C, sex full-duplex SPI med två multiplexade full-duplex SPI, fyra I2C, sex SPI med två multiplexade full-duplex I2S-gränssnitt, SDRAM, Quad-SPI Flash, DCMI-kontakt, MIPI DSI-gränssnitt och mer. Dessutom möjliggör ARDUINO® Uno V3-kontakten enkel anslutning till expansionskort. RF-modulen är designad för att passa som ett dotterkort som ansluts till denna ARDUINO® Uno V3-kontakt, vilket kopplar RF-modulen till mikrokontrollern för att ta emot AV-data.
Hög effektivitet, högkvalitativ RF- och bildsensor-modul
STM32WB55 RF SOC-transceivern och RF EFM för 2,4 GHz-bandet är en modul med liten formfaktor med UART- och SPI-gränssnitt för kontroll och dataöverföring. Den har en maximal uteffekt på upp till 20 dBm i 2,4 GHz-bandet och kan överföra data upp till 200 m i fri sikt. Modulen använder frekvenshoppningsteknologi för att undvika störningar med andra system, vilket möjliggör samtidig användning av flera användare och Wi-Fi-vänlig samexistens.
STM32WB är en 32-bitars Arm® Cortex®-M4-baserad MCU med en integrerad multi-protokoll trådlös RF-transceiver-chipset som hanterar all bearbetning relaterad till RF-lagret, inklusive dataförluståteröverföring, RSSI, RF-effektkontroll och FIFO, vilket gör hela den trådlösa kommunikationsprocessen transparent för systemet.
Bildsensormodulen i demon stöder 2 kameramoduler, förutom CMOS-sensormodulen som levereras med STM32H7 EVB finns även en modul byggd av MT9M114-bildsensorn, lins och filter från ON Semiconductor. Byggd på ett FPC-kort med standard parallellt gränssnitt, tillåter modulen användare att enkelt utveckla bildsystem utan att behöva oroa sig för fokusering, filtrering och optisk justering.
Kameramodulen använder ON Semiconductors 720p-bildsensor, MT9M114, som är en högkvalitativ bildsensor designad med en SOC. SOC implementerar en mängd kamerafunktioner, inklusive autofokus, autovitt balans och autoexponering, vilket gör den till en kostnadseffektiv, kompakt, enkelskiktslösning som levererar överlägsen bildkvalitet och enkel integration, vilket minskar den totala systemkostnaden och påskyndar tiden till marknaden.
Avancerad, gratis och utbyggbar mjukvaruutvecklingsmiljö
För mjukvaruutveckling används STM32CubeIDE ver.1.6.1 för källkodprogrammering och felsökning. STM32CubeIDE är ett allt-i-ett, multi-operativsystem utvecklingsverktyg som tillhandahålls kostnadsfritt av STMicroelectronics, vilket är en avancerad C/C++ utvecklingsplattform med periferikonfiguration, kodgenerering, kodkompilering och felsökning för STM32 mikrokontroller och mikroprocessorer.
Mjukvaruutvecklingen för AV-sändaren börjar med initialisering av RF-modulen, kameramodulen och PDM-mikrofonen. Kameran fångar videodata via DCMI-gränssnittet på STM32H7. Varje videobildruta som fångas genererar en avbrottssignal, bildrutebufferten överförs till systemminnet via en DMA-kanal och sedan matas bildrutebufferten till STM32H7:s inbyggda hårdvaruaccelererade JPEG-pedal, som komprimerar videobilderna till JPEG-format för att minimera den nödvändiga bandbredden. Samtidigt fångar PDM-mikrofonen röstdata via DFSDM-gränssnittet på STM32H7 med en samplingsfrekvens på 8 kHz och konverterar pulstäthetmoduleringsdata till 16-bitars pulskodad modulationsdata via mjukvaruavkodning, och en egen komprimeringsmetod implementeras för att minska bandbredden för den överförda ljuddatan.
Mjukvaruutvecklingen för AV-mottagaren börjar sedan med att initiera RF-modulen, ljudkodeken och DSI-till-HDMI-adaptern, därefter övervakar STM32H7-mikrokontrollern statusen för RF-modulen, och när AV-data tas emot extraheras videodatan och matas in i STM32H7:s inbyggda hårdvaruaccelererade JPEG-pedal, som dekomprimerar videodatan till RGB-bildrutedata. RGB-bildrutedatan överförs sedan till displaybufferten och videon visas på LCD-skärmen om en LCD är installerad. Annars skickas videon till en extern HDMI-skärm via en DSI-till-HDMI-adapter. För den mottagna ljuddatan dekomprimeras de och förstärks sedan till en samplingsfrekvens på 16 kHz för att passa en extern HDMI-enhet (t.ex. en TV med minimikrav på samplingsfrekvens).
Referensdesignen kommer att vidareutvecklas i framtiden, inklusive paketförlustdetektion och felhantering för trådlös överföring för att förbättra stabiliteten och hållbarheten i videotransmissionen. Å andra sidan använder designen för närvarande proprietära kompressions- och dekompressionsalgoritmer, och för att stödja högre samplingsfrekvenser och bibehålla en minimal bandbredd kan andra ljudkodekar, såsom G722, MP3-kodare, implementeras. Dessutom kan STM32H7-processorn för vissa applikationer som dörrklockövervakning användas för att integrera en ansiktsdetekteringsalgoritm som upptäcker ansiktet innan RF aktiveras för videotransmission för att ytterligare minska strömförbrukningen.
Slutsats
Denna artikel använder STMicroelectronics lågkostnads-, högpresterande Arm® Cortex®-M7-kärnbaserade STM32H7-familj av mikrokontroller för att bygga en lågbandbredds- och lågströms trådlös videotransmissionsdemolösning som optimerar användningen av STM32H7:s inbyggda hårdvaruaccelererade JPEG-motor för att minska bandbredden som krävs för att överföra video, och den lågströms RF-modulen använder 2,4 GHz ISM-bandet och ett proprietärt kommunikationsprotokoll för att förbättra energieffektiviteten vid RF-överföring. RF-modulens inbäddade streaming-API-firmware förkortar utvecklingstiden för lösningen och tillåter utvecklare att fokusera på olika applikationer, såsom en babymonitor eller dörrklockövervakningssystem, och denna referensdesign kommer att gynna designers som är intresserade av att utveckla relaterade produkter.
