摘要 為實現(xiàn)近距離無線視頻傳輸，提出了一種基于MPEG-4編碼的近距離無線視頻傳輸方案,。由CMOS攝像頭OV7620采集到的數(shù)據(jù),，通過專用MPEG-4編碼器，ML86410得到速率低于2 Mbit·s-1的MPEG-4數(shù)據(jù)流,，在FPGA控制器的控制下,，通過nRF24L01無線發(fā)送；接收端利用同系列芯片nRF24LU1接收無線數(shù)據(jù),，其自帶USB協(xié)議和接口,，再把數(shù)據(jù)流送入PC顯示。通過仿真板電路測試,，獲得了良好的圖像,，證明電路可以實現(xiàn)視頻無線傳輸的結(jié)論。
關(guān)鍵詞 MPEG-4編碼,；ML86410；無線傳輸,；nRF24L01,；nRF24LU1

    無線視頻通信作為第三代移動通信關(guān)鍵技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。但其是為遠距離多用戶服務(wù)的,，開發(fā)難度大,，需要眾多輔助技術(shù)支持。然而,，近距離無線視頻通信可以采用較為成熟的技術(shù)實現(xiàn),，它可以應(yīng)用于視頻監(jiān)控中不易連線的部分以及近距離巡視，它不同于3G技術(shù)中的視頻傳輸,，具有易于開發(fā),、傳輸距離近等特點。要實現(xiàn)無線視頻傳輸,，就要應(yīng)用大壓縮比的視頻壓縮編碼滿足無線傳輸速率的苛刻要求,，MPEG-4編碼是基于圖像內(nèi)容的第二代視頻編碼方案，并將對象合成的編碼方案也結(jié)合在標準中,，它根據(jù)圖像的內(nèi)容將圖像分割為不同的視頻對象(VO),。在編碼過程中，前景和背景對像采用不同的編碼策略：前景對像的編碼壓縮盡可能保留壓縮對像的細節(jié)和平滑性,；對背景視頻對像,，采用大壓縮比的編碼策略,，而在解碼端用其他的背景拼成新的的背景。因此它可以實現(xiàn)大壓縮比的視頻編碼,，不僅解決了塊效應(yīng),，同時解決了無線傳輸時的帶寬限制問題，因此MPEG-4被作為無線通信系統(tǒng)中主要的視頻編碼標準,。

1 系統(tǒng)硬件總體方案
    圖1所示為無線視頻傳輸系統(tǒng)框圖,。采用專用MPEG-4編碼器，可以獲得良好的性價比,，因此采用日本OKI公司的ML86410芯片是較好的MPEG-4視頻壓縮解決方案,；同時采用挪威Nordic公司的nRF24L01和nRF24LU1芯片實現(xiàn)無線傳輸，它們不僅具有高達2 Mbit·s-1的無線空中速率,，而且后者帶有增強型8051內(nèi)核和USB2．0協(xié)議的無線Soc芯片,，較好地解決了與PC機的連接問題；控制器采用廣泛使用的低功耗FPGA來協(xié)調(diào)控制視頻流的無線傳輸以及對OV7620和ML86410進行控制和模式配置,，F(xiàn)PGA準確地邏輯性保證了傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

    從圖中可以看出,，在視頻采集電路中，F(xiàn)PGA是整個系統(tǒng)的核心控制器,。它的作用是無線接收配置參數(shù),，對圖像CMOS傳感器和ML86410進行初始化配置；當(dāng)開始圖像采集后,，其負責(zé)接收MPEG-4視頻數(shù)據(jù),，并進行無線傳輸。設(shè)計重點是實現(xiàn)了視頻的無線傳輸,，采用具有nRF24系列芯片,，具有2 Mbit·s-1的空中速率；這樣的速率對一般視頻數(shù)據(jù)流是不能實現(xiàn)無線傳輸?shù)?，所以要采取具有高壓縮率的MPEG-4視頻編碼,，其要求的傳輸速率較低，當(dāng)圖像分辨率為176×144時,，速率為4 800～64 000 bit·s-1,。
1．1 視頻采集模塊電路
1．1．1 OV7620
    OV7620是一種CMOS圖像傳感器，被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)攝像頭,、攝像手機等產(chǎn)品中,。它是一種CMOS彩色／黑白圖像傳感器，支持連續(xù)和隔行兩種掃描方式,，VGA和QVGA兩種圖像格式,；最高像素為664×492，幀速率為30 f·s-1,；數(shù)據(jù)輸出格式包括YUV,、YcrCb和RGB這3種,，能夠滿足一般圖像采集系統(tǒng)的要求。OV7620內(nèi)部具有可編程功能寄存器,，設(shè)置有上電模式和SCCB編程模式,，設(shè)計中采用了SCCB編程控制協(xié)議，連續(xù)掃描,，8位YUV數(shù)據(jù)輸出,。
1．1．2 ML86410壓縮芯片
    ML86410是日本OKI公司面向監(jiān)視攝像機、網(wǎng)絡(luò)攝像機等圖像監(jiān)控設(shè)備開發(fā)的一種能夠?qū)崟r進行MPEG-4圖像壓縮(編碼)處理的單芯片,。以往面向網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視攝像機的視頻編碼方式一般采用Motion-JPEG方式,，存在著壓縮率低的問題。在網(wǎng)絡(luò)上進行視頻傳輸時,，受網(wǎng)絡(luò)帶寬的影響,，使得傳輸圖像的尺寸縮小，并帶來畫質(zhì)下降和動畫圖像的幀率降低等限制,。于是,，OKI采用MPEG-4視頻編碼國際標準，開發(fā)了具有高壓縮率的高畫質(zhì)視頻MPEG-4編碼器芯片ML86410,。它采用了獨創(chuàng)的專用加速器,，無需高速CPU、DSP,，與以往方式相比實現(xiàn)了低功耗,，并大幅度降低了產(chǎn)品成本。
    ML86410由視頻接口,、MPEG-4編碼器、主機接口電路,、鎖相環(huán)PLL和DRAM存儲器控制組成,。其特性如表1所示。

1．1．3 SDRAM存儲器
    SDRAM存儲器在電路中主要完成對攝像頭采集到的大量數(shù)據(jù)進行緩存,，以使ML86410的,。MPEG-4編碼器部分進行有序編碼。設(shè)計中采用三星公司K4S643232F系列SDRAM實現(xiàn),，它是2×32 MbitSDRAM存儲器,，采用32位數(shù)據(jù)總線進行存取，工作頻率最高166 MHz,，可以滿足ML86410對緩存的要求,。它是一個具有67 108 864 bit的同步高數(shù)據(jù)率的動態(tài)RAM存儲器，由4塊512×32 kbit組成,。
1．1．4 連接電路
    ML86410和OV7620,、SDRAM的連接電路圖如圖3所示,。

1．2 無線傳輸方案
1．2．1 nRF24L01及其連接電路
    下位機的無線連接采用Nordic Semiconductor公司的nRF24L01。它是一款新型單片射頻收發(fā)器件,，工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段,，采用GFSK調(diào)制，硬件集成OSI鏈路層,，最高空中速率達到2Mbit·s-1,，采用SPI接口連接控制器。內(nèi)置頻率合成器,、功率放大器,、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊并融合了增強型ShockBurst技術(shù)，其輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置,，有125個頻道,。nRF24L01功耗低，在以功率為-6 dBm發(fā)射時,，工作電流只有9 mA,；接收時，工作電流為12．3 mA,。
    采用SPI接口與控制器FPGA進行連接,，負責(zé)開機時接收各個器件的配置信息，完成配置后進行視頻數(shù)據(jù)流的無線發(fā)送,。其中,，CE是發(fā)射和接收切換引腳，CSN為片選,，IRQ為中斷信號輸出引腳,，連接電路圖如圖4所示。

1．2．2 nRF24LU1及其應(yīng)用電路
    nRF24LU1+是Nordic推出的一款將高性能射頻收發(fā)器與單片USBdongle功能結(jié)合起的無線收發(fā)芯片,，它可實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)到USB數(shù)據(jù)形式的轉(zhuǎn)換,，這樣就實現(xiàn)了與PC機的連接。nRF24LU1+內(nèi)含1個增強型8051MCU內(nèi)核,、無線收發(fā)模塊,、符合全速USB2．0標準的器件控制器。nRF2ALU1+顯著地增強了抗寬帶干擾和互調(diào)失真(IMD)性能,。nRF24LU1+芯片需要的外部元件只是低成本的16 MHz晶振,、去耦電路、匹配網(wǎng)絡(luò)和天線,。USB工作電源電壓范圍4．0～5．25 V,。nRF24LU1+是單片結(jié)構(gòu)，外形尺寸5 mm×5 mm,。它的最高速率2 Mbit·s-1,，兼容所有nRF24系列芯片,；使用Enhanced ShockedBust技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的自動打包／解包和傳輸處理；使用MultiCeiver技術(shù)可同時支持6個無線裝置,，頻段,、輸出能量和其他射頻參數(shù)可通過射頻寄存器進行編程調(diào)節(jié)，電路圖如圖5所示,。

1．2．3 PA和LNA
    單獨只采用nRF芯片只能近距離的無線通信,，為增加無線視頻傳輸?shù)木嚯x，需要加入PA,。從增加數(shù)據(jù)通信距離考慮,，還需要增加芯片輸入端的接收靈敏度，選用合適的LNA和濾波器成為必然,。設(shè)計選用Maxim公司的MAX2240和MAX2644,，連接電路如圖6所示。

    MAX224O專為2．4～2．5 GHz頻段的應(yīng)用而設(shè)計,，符合Bluetooth,、HomeRF、802．11標準以及其他FSK調(diào)制系統(tǒng)的要求,。：MAX2644是一款專為WLAN,，Bluetooth等工作在2．4 GHz頻段內(nèi)的設(shè)備設(shè)計的高三階交調(diào)點的低噪聲放大器。放大電路中,，微波開關(guān)采用Hittite公司生產(chǎn)的低成本SPDT微波開關(guān),，型號HMC545，該開關(guān)特別為3G和ISM頻段工作的設(shè)備設(shè)計,，其插入損耗僅有0．25 dB,，采用SOT封裝、體積小,，可用CMOS或TTL電平控制,。利用nRF芯片的VDD_PA引腳控制無線發(fā)送和接收的切換。

2 控制器FPGA設(shè)計
    FPGA選用Altrea公司的EP2C8208,。其硬件連接電路如圖7所示,。

3 初始化配置及工作流程
    (1)初始化配置方式,。
    1)OV7620配置,。OV7620的控制采用SCCB(Serial Camera Control Bus)協(xié)議。它是簡化的I2C協(xié)議,，SIO-1是串行時鐘輸入線,，SIO-0是串行雙向數(shù)據(jù)線，分別相當(dāng)于I2C協(xié)議的SCL和SDA,。SCCB的總線時序與I2C基本相同,。OV7620功能寄存器的地址為0x00～0x7C,。通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器，可以使OV7620工作于不同模式,。
    2)ML86410配置,。對ML86410進行配置需要對其寄存器進行配置，通過地址生成器產(chǎn)生地址XA0～9,，然后通過數(shù)據(jù)總線XD0～15對相應(yīng)寄存器進行寫值,。由于無線速率最高為2 Mbit·s-1，所以一定要對Bits Rate Setting Register(0x18C)進行設(shè)置,，有可變速率壓縮和固定速率壓縮兩種方式,。
    3)nRF24L01配置。對nRF24L01進行配置通過對其內(nèi)部的寄存器進行寫值完成,，通過SPI總線完成數(shù)據(jù)的寫入,。其需要用戶配置的寄存器地址為00～17，共18個8 bit寄存器,，當(dāng)要進行發(fā)送和接收的切換時,，同樣要寫入相應(yīng)的寄存器值。
    (2)工作流程,。
    1)開機配置：首先測試無線連接,，連接成功后由PC端下傳參數(shù)模式配置命令；下位機接到命令后,，由配置參數(shù)配置邏輯解析到參數(shù)模式后,，通過控制邏輯對ML86410和OV7620進行初始化配置，成功后即開始視頻采集,，失敗發(fā)送錯誤到PC端,。
    2)視頻無線發(fā)送：視頻采集開始后，視頻流在ML86410的控制下有序進入FPGA緩沖,，緩沖采用乒乓緩沖操作,，然后數(shù)據(jù)經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換，再通過SPI口送入nRF24L01無線發(fā)送,。
    3)視頻無線接收：nRF24LU1+接收到視頻流后,，經(jīng)過緩沖，即送入USB2．0協(xié)議槽通過USB接口傳入PC進行顯示,。
    4)視頻顯示：PC采用VC++編寫程序調(diào)用Windows自帶的視頻播放器,，同時調(diào)入MPEG-4視頻流，解碼后顯示,。

4 上位機軟件設(shè)計
    上位機采用VC++編寫成熟的視頻監(jiān)控軟件,，和通用的視頻監(jiān)控軟件相同，接收來自USB端口的數(shù)據(jù)進行解壓縮顯示即可。效果圖如圖9所示,。

5 結(jié)束語
    采用具有可靠邏輯功能的FPGA協(xié)調(diào)MPEG-4視頻流到無線數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)換和發(fā)送,，可以保證無線視頻傳輸?shù)男阅埽煌瑫r在終端采用帶有無線功能和USB2．0協(xié)議的SOC芯片來實現(xiàn)與PC連接,，不僅保證了無線傳輸?shù)目煽啃?，還使得電路小型化，方便使用,。測試表明,，無線速率低于2 Mbit·s-1時，可以實現(xiàn)無線視頻的可靠傳輸,。