基于DSP的圖像壓縮無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

提出一種基于DSP的無線圖像傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像的采集、壓縮、無線傳輸及顯示。概述系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，并重點(diǎn)討論DMA在圖像采集和JPEG壓縮過程中的應(yīng)用。最終通過對系統(tǒng)圖像傳輸質(zhì)量和傳輸速度的測試證明：該系統(tǒng)有效和實(shí)用。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)適用于低端低價(jià)位無線圖像傳輸產(chǎn)品或消費(fèi)電子類產(chǎn)品，特別適合于家庭和臨時(shí)場所使用的低端無線監(jiān)控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：DSP；JPEG；DMA；CPLD；圖像采集

1 引言

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，圖像無線傳輸技術(shù)日趨成熟。而嵌入式圖像無線傳輸技術(shù)以其安裝方便、靈活、適合廣泛普及等優(yōu)點(diǎn)在廣大領(lǐng)域備受關(guān)注。本文介紹一種基于DSP的無線圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)方法。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

圖1為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。該系統(tǒng)分為圖像采集、圖像數(shù)據(jù)處理及無線通信3個(gè)模塊。圖像采集完成圖像數(shù)據(jù)的采集；圖像處理實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的壓縮及相關(guān)處理：無線通信傳輸壓縮數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)選用TMS320VC5509A型DSP作為主處理器。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(dú)立和處理器兩種采集法。前者采用專用圖像采集器件，自動(dòng)完成圖像采集、存儲器地址生成以及圖像數(shù)據(jù)的存儲和刷新，除設(shè)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(shí)間，實(shí)時(shí)性好，適合采集活動(dòng)圖像，但電路較復(fù)雜；后者采用普通視頻A／D轉(zhuǎn)換器和幀存儲器實(shí)現(xiàn)圖像采集。CPU控制完成采集過程，需占用CPU時(shí)間，實(shí)時(shí)性差，不適合實(shí)時(shí)采集視頻圖像，但電路簡單。因此，本系統(tǒng)采用第1種獨(dú)立采集方案。由專用圖像傳感器OV9650，CPLD和相應(yīng)的外接電路等組成。OV9650是Omnision公司生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器，其內(nèi)部集成有MD轉(zhuǎn)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(tǒng)通過SCCB總線配置OV9650，從而形成8位ITU-R BT．656格式的數(shù)字碼流。CPLD選用XC95144XL10TQ144C，其最高主頻可達(dá)178 MHz，144個(gè)宏單元和3 200個(gè)可用門電路，其TQFP封裝有117個(gè)可用I／O引腳，滿足各種采集設(shè)計(jì)需要；實(shí)現(xiàn)異步存儲器Flash擴(kuò)展；完成對BT．656格式的數(shù)字碼流解碼，包括提取碼流中的同步信號、行起始和結(jié)束信號、取出亮度(Y)信息、色度信息，進(jìn)行地址譯碼；實(shí)現(xiàn)SCCB總線接口；在DSF需要讀取狀態(tài)和圖像數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生必要的邏輯控制和時(shí)序，通過DMA將數(shù)據(jù)從緩存區(qū)讀取SDRAM等。

數(shù)據(jù)采集時(shí)，圖像采集模塊產(chǎn)生高速數(shù)字碼流，而DSP對外圍設(shè)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(shù)據(jù)緩沖區(qū)，可采用FIFO或SRAM，本系統(tǒng)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(shù)據(jù)。

3．2 圖像數(shù)據(jù)處理模塊

TMS320VC5509A內(nèi)部僅有256 KB的RAM和64 KB的ROM，無法滿足處理大量圖像數(shù)據(jù)的需求，必須通過EMIF擴(kuò)展外部存儲器存放原始圖像數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序。該系統(tǒng)外接Hynix公司HY57V641620EP SDRAM，其8 MB的存儲空間用于存儲圖像數(shù)據(jù)；外接Spansion公司的S29AL008D Flash，其1 MB的存儲空間用于存儲應(yīng)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(kuò)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。

3．3 無線收發(fā)模塊

nRF24L01是一款2．4 GHz單片無線收發(fā)器，全球開放ISM頻段免許可證使用，126頻道，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要，內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對多點(diǎn)通信地址控制，最高工作速率2 Mb／s，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路，適用于工業(yè)控制場合。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于圖像數(shù)據(jù)量大，若在接收端實(shí)時(shí)顯示采集端圖像，必須提高DSP的工作效率。圖像采集時(shí)，通過DMA完成圖像數(shù)據(jù)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(shí)，將McBSP(多通道緩沖串口)配置成SPI接口與無線通信模塊nRF24L01進(jìn)行連接，需要傳輸?shù)膲嚎s數(shù)據(jù)由DMA送到McBSP緩沖區(qū)，最終完成圖像數(shù)據(jù)傳輸。DMA具有傳輸快速、高效的特性，并且數(shù)據(jù)傳輸丁作無需CPU參與，從而極大減小CPU的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)效率。

4．1 采用DMA讀取采集模塊的數(shù)據(jù)

圖像采集模塊由CPLD控制，CPLD對OV9650解碼器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的譯碼并順序存儲到圖像采集模塊的緩沖區(qū)。采集圖像大小為320x200的8位灰度圖像，為擴(kuò)展需要，緩沖區(qū)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(qū)中的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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。