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数字无线视频通信系统的设计

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作者：王尽秋
摘要：介绍一种用于家庭可视门铃的无线视频通信系统 。该系统将数字摄像头采集的图像数据经过滤波、放大等处理，调制到2.4GHz的载波上，由无线收发模块发射击去；接收端将该视频数据解调还原，并传送到显示模块，在LCD显示出来 。
要害词：nRF2401无线视频信号AT89C52摄像头7260
目前，国内安装的可视门铃多数是有线的，或是通过类似于电视系统的调幅或调频方式来发送图像的 。出于成本的考虑，这些可视门铃系统传输距离受限制，信号质量不高，抗干扰性差 。随着用户要求的提高，尤其是在大型别墅中，门铃和图像接收端相距较远，这就需要将有线变为无线，模拟信号调幅或调频无线传输变为数字信号调制（FSK，QFSK，GFSK）无线传输 。FSK（FrequencyShiftKeying）即键控频移，QFSK（QuadratureFrequency Shift Keying）即正交键控频移，GFSK（Guassian Frequency Shift Keying）即高斯键控频移 。通过系统的数字化，图像信号质量得到提高，抗干扰性得到大大加强；同时，整个系统的体积相比其它的传输方式将会减小很多，因此，具有广泛的商业应用价值和发展前景 。
由于我们的系统用于别墅单用户的可视门铃，因此对图像的连续性要求不高 。设想一直，在户主听到门铃响，再到门口查看监视器的画面最少需要3s 。只需要传输1帧图像到监视终端，让户主看到来访者是谁就可以了 。因此由于成本的原因，我们会把采集到的图像直接传输出去而中间不会加上昂贵的图像压缩解压缩芯片 。
整个数字无线视频通信系统主要由三个模块构成：图像采集模块、数据传输模块、图像接收显示模块，如图1所示 。
1; 图像采集模块
该模块的硬件框图如图2所示 。
摄像头7620是256色30万像素的CMOS摄像头 。它输出并行16位图像信号，包括8位的色度信号、8位的亮度信号以及场同步与行同步信号 。1帧图像（640×480）的尺寸是640×480×16=4915200（位）
假如以RF发送模块nRF2401的最大速度1Mbps来计算，发送1帧图像所要的时间为
4915200/1000 000=4.9152(s)
这显然太长了 。不过，7620还有一种工作模式就是，通过降低分辨率来减少图像尺寸 。这种模式提供了320×240的图像 。这样，图像数据不到3s就可以到达接收端，满足可视门铃的要求 。
8位色度信号、8位亮度信号以及场同步与行同步信号先通过FPGA缓存到RAM，同时转换为异步串行数据，通过RF模块发送 。图3是7620的工作时序 。
图3中，Y信号是8位亮度信号，UV是8位色度信号 。VSYNC是场同步信号，HREF是行同步信号 。
FPGA的工作是完成图像数据的缓存控制以及启动RF模块发送图像数据 。这里，采用Altera公司的EPF6016 。它是一颗16000门的FPGA 。图4为FPGA与摄像头7260、MCU以及RF模块的连接示意图 。
图4中，U1为EPF6016ATC100，J1是FPGA与摄像头7260的连接插座 。Y、UV、VSYNC和HREF的定义如前，READY是MCU对FPGA的控制信号，DATA是FPGA与RF模块之间的串行数据线 。
当用户按下门铃，MCU收到命令开启照明灯，同时初始化摄像头7260，并发送READY信号给FPGA，通知其预备接收图像信号 。由7260的工作时序可以看到，当摄像头采集到一帧图像后，VSYNC便发送1个高电平，FPGA预备接收信号 。1帧图像由很多行组成 。这些行在场同步信号VSYNC的两个高电平之间传送 。而每一行的信号传输现时由HREF同步 。当HREF的上升沿来到后，FPGA开始接收图像数据 。在PCLK的上升沿，每一行的图像数据通过Y口和UV口送出，从时序图可以看到1行包括640个点 。
FPGA需要将收到的图像缓存到512KB的RAM，需要有20位的地址信号线和8位的数据信号线 。

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