基于DSP的圖像壓縮無線傳輸系統設計

提出一種基于DSP的無線圖像傳輸系統，該系統實現圖像的采集、壓縮、無線傳輸及顯示。概述系統設計過程，并重點討論DMA在圖像采集和JPEG壓縮過程中的應用。最終通過對系統圖像傳輸質量和傳輸速度的測試證明：該系統有效和實用。該系統設計適用于低端低價位無線圖像傳輸產品或消費電子類產品，特別適合于家庭和臨時場所使用的低端無線監控系統。
關鍵詞：DSP；JPEG；DMA；CPLD；圖像采集


1 引言
??? 隨著航空航天技術的發展，圖像無線傳輸技術日趨成熟。而嵌入式圖像無線傳輸技術以其安裝方便、靈活、適合廣泛普及等優點在廣大領域備受關注。本文介紹一種基于DSP的無線圖像傳輸系統的設計方案與實現方法。

2 系統總體設計方案
??? 圖1為該系統設計框圖。該系統分為圖像采集、圖像數據處理及無線通信3個模塊。圖像采集完成圖像數據的采集；圖像處理實現圖像數據的壓縮及相關處理：無線通信傳輸壓縮數據。該系統選用TMS320VC5509A型DSP作為主處理器。






3 系統硬件設計
3．1圖像采集模塊
??? 圖像信號采集電路的基本工作方法分為獨立和處理器兩種采集法。前者采用專用圖像采集器件，自動完成圖像采集、存儲器地址生成以及圖像數據的存儲和刷新，除設定采集模式外，處理器不參與采集過程，該方法采集過程不占用CPU時間，實時性好，適合采集活動圖像，但電路較復雜；后者采用普通視頻A／D轉換器和幀存儲器實現圖像采集。CPU控制完成采集過程，需占用CPU時間，實時性差，不適合實時采集視頻圖像，但電路簡單。因此，本系統采用第1種獨立采集方案。由專用圖像傳感器OV9650，CPLD和相應的外接電路等組成。OV9650是Omnision公司生產的CMOS圖像傳感器，其內部集成有MD轉換器，可提供SXGA(1 280x1 024)分辨率的圖像攝入和處理功能；采集圖像以全圖方式、局部方式或抽樣子圖方式輸出，并且可提供多種輸出格式。該系統通過SCCB總線配置OV9650，從而形成8位ITU-R BT．656格式的數字碼流。CPLD選用XC95144XL10TQ144C，其最高主頻可達178 MHz，144個宏單元和3 200個可用門電路，其TQFP封裝有117個可用I／O引腳，滿足各種采集設計需要；實現異步存儲器Flash擴展；完成對BT．656格式的數字碼流解碼，包括提取碼流中的同步信號、行起始和結束信號、取出亮度(Y)信息、色度信息，進行地址譯碼；實現SCCB總線接口；在DSF需要讀取狀態和圖像數據時，產生必要的邏輯控制和時序，通過DMA將數據從緩存區讀取SDRAM等。

?數據采集時，圖像采集模塊產生高速數字碼流，而DSP對外圍設備讀取速度較慢。為了解決圖像采集模塊與圖像處理模塊的速度匹配問題，在這兩模塊之間加入數據緩沖區，可采用FIFO或SRAM，本系統采用ISSI公司的64 Kx16 bit存儲空間的高速SRAM存儲器IS61LV6416作為緩存存儲解碼BT．656碼流得到的圖像亮度數據。
3．2 圖像數據處理模塊
??? TMS320VC5509A內部僅有256 KB的RAM和64 KB的ROM，無法滿足處理大量圖像數據的需求，必須通過EMIF擴展外部存儲器存放原始圖像數據和應用程序。該系統外接Hynix公司HY57V641620EP SDRAM，其8 MB的存儲空間用于存儲圖像數據；外接Spansion公司的S29AL008D Flash，其1 MB的存儲空間用于存儲應用程序和Boofloader。EMIF可與SDRAM無縫連接，接口連接如圖2所示。由于TMS320VC5509A最大只能外擴16 KB的異步存儲器，因此訪問1 MB Flash需按分頁方式訪問，連接示意圖如圖3所示。



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3．3 無線收發模塊
??? nRF24L01是一款2．4 GHz單片無線收發器，全球開放ISM頻段免許可證使用，126頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要，內置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制，最高工作速率2 Mb／s，高效GFSK調制，抗干擾能力強，只需少量外圍元件便可組成射頻收發電路，適用于工業控制場合。

4 系統軟件設計
??? 由于圖像數據量大，若在接收端實時顯示采集端圖像，必須提高DSP的工作效率。圖像采集時，通過DMA完成圖像數據從采集模塊到圖像處理模塊的傳輸；圖像壓縮利用DMA完成JPEG壓縮過程中的分塊操作，避免CPU對外圍存儲器的讀寫操作。無線通信時，將McBSP(多通道緩沖串口)配置成SPI接口與無線通信模塊nRF24L01進行連接，需要傳輸的壓縮數據由DMA送到McBSP緩沖區，最終完成圖像數據傳輸。DMA具有傳輸快速、高效的特性，并且數據傳輸丁作無需CPU參與，從而極大減小CPU的負擔，提高系統效率。
4．1 采用DMA讀取采集模塊的數據
??? 圖像采集模塊由CPLD控制，CPLD對OV9650解碼器產生的數據進行相應的譯碼并順序存儲到圖像采集模塊的緩沖區。采集圖像大小為320x200的8位灰度圖像，為擴展需要，緩沖區采用具有64 K×16 bit存儲空間的高速SRAM存儲器IS61LV6416-10T，存儲一幅完整圖像。一幅圖像采集完后，DMA與CPLD將緩沖區中的圖像數據轉存到DSP的外部存儲器。DMA的主要寄存器配置參考圖像壓縮的DMA配置。

4．2 DMA在JPEG算法中的應用
??? 該系統采用JPEG壓縮算法，該算法是將圖像數據分成8x8的矩陣塊、離散余弦變換、量化、Z(Zigzag)形掃描和Huffman編碼，圖像數據JPEG壓縮時。需要分塊處理DSP外圍存儲器中的圖像數據。CPU對外圍存儲器的讀寫操作要慢于內部DRAM存儲區。為提高圖像壓縮速度，在算法移植時，內部DARAM建立兩個8x8的矩陣單元，DMA將外部存儲器的圖像數據以8x8的矩陣塊為單元傳輸到到內部DARAM中的一個數組中，同時實現JPEG算法的分塊操作。利用DMA與CPU并行工作的特性，在CPU操作一個塊時，另一分塊傳輸數據，兩個數組交替進行，構成乒乓結構。圖像壓縮過程中需多次配置DMA，才能實現整個圖像數據從外存到內存的傳輸和數據分塊。數據塊依次經離散余弦變換、量化、Z變換及哈夫曼編碼，形成JPEG碼流。圖4為圖像壓縮的程序流程。

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4．3 McBSP端口與無線模塊的連接
??? 無線通信模塊nRF24L01通過SPI接口實現與DSP的數據通信，只需占用4根數據線且傳播速度快。DSP的MeBSP的時鐘停止模式與SPI協議兼容。當McBSF設置成時鐘停止模式時，發送器和應答器內部同步，McBSP就作為一個SPI主／從設備使用。系統中DSP的McBSP作為SPI的主設備，主要的McBSP控制寄存器位設置如下：
RPHASE=XPHASE=0，∥單相幀
RFRLEN1=XFRLEN=0，／每幀一個數據單元
RWDLEN1=XWDLEN1=000b，／／數據單元字長8位
CLKRP=CLKXP=O，／／時鐘下降沿接收數據。在上升沿處發送數據
FSRP=FSXP=0，／／幀同步信號高有效
RDATDLY=XDATDLY=01b，／／1位數據延遲
??? 通過此種方式實現與nRF24L01串行通信。DMA的寄存器配置和圖像數據傳輸的DMA配置可以參考圖像壓縮DMA的配置。

4．4 nRF24L01無線通信模塊
??? 數據發送端首先配置nRF24L01寄存器，包括設置工作模式、使能自動應答等功能。發送數據時，將發送的數據塊按時序由SPI接口寫入nRF24L01緩存區，然后設置發送控制引腳為高電平并至少保持10 μs，延時130μs后發射數據，發射的數據自動打包并按寄存器的設置加入1個字節或2個CRC校驗碼；若開啟自動應答，nRF24L01在發射數據后立即進入接收模式，接收應答信號。如果收到應答信號，則認為發射成功；若在設定時間內沒有接收到應答信號，則自動重新發射數據，直到重發次數超過設定閾值，以上操作都影響狀態寄存器中的相應標志位。
??? 圖5(a)為數據無線發射的程序流程。在數據接收端接收數據，同樣先配置相關寄存器，設置為接收模式，延時130μs后進入接收狀態等待接收數據。當接收方檢測到有效地址和CRC校驗碼時，自動去除數據包頭和CRC校驗碼，存儲數據至接收堆棧中，更改狀態寄存器相應位，通知CPU讀取數據。若開啟自動應答，接收端進入發射狀態發射應答信號。圖5(b)為數據無線收發的程序流程。

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4．5 與上位機的通信
??? 接收端采用DSP與無線模塊連接，通過DSP的USB接口與PC機連接。圖像數據傳輸的開始與結束由JPEG協議的文件結束關鍵字OXFFD9標識，一幅圖像傳輸的接收標志也是下一幅圖像的開始標志。由于采集圖像不同，生成壓縮碼流長度也不同，所以在發送端圖像傳輸的最后一組數據空位用0X00填充；接收端讀取圖像結束標識后省去后續數據，并通過USB接口將數據傳輸至PC機。

5 系統測試結果及分析
??? 該系統設計已成功測試，測試結果達到預期要求，并對其進一步改進優化。圖6為系統采集的圖像和壓縮16倍后室內有阻隔傳輸30 m的結果。

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6 結束語
??? 本系統設計實現多點監控，便于安裝，可應用于廠房、化學實驗室等短距離監控及對突發事件現場的臨時監控。采用該系統設計思路為無線監控領域設計一套低成本的無線視頻監控系統，使得視頻監控系統具有更廣闊的應用領域，若采用更高壓縮比的圖像壓縮算法，系統性能將會得到進一步改善。