基于2.4GHz的无线短距离图像声音数字化传输


华南理工大学 硕士学位论文 基于2.4GHz的无线短距离图像声音数字化传输 姓名:朱锋 申请学位级别:硕士 专业:控制理论与控制工程 指导教师:许少云;毛宗源 20050501摘要摘要早在大半个世纪之前,控制论鼻祖维纳就说过:“要有效的生活,就要有足够的信息”。统计表明,人类80%的外部信息的获取都是通过图像和声音两大途径。因此,图声信息技术很早就已经渗透到社会生活的方方面面。当今社会是数字信息全球化的社会,数字化技术已经成为当今各电子信息领域的主流技术和热门话题。另一方面,无线通信技术的高速发展,人们追求更高的生活质量,更少的束缚。特别是近年柬短距离无线射频技术的发展,人们的家庭生活,学习工作环境都有了极大的改善,使以前错综复杂的电缆连线成为多余。随着电子技术的发展,无线短距离通讯必将具有广阔的市场前景和美好的未来。本文依据广东欧宇信息控制技术有限公司研发项目一一2.4GHz无线短距离图像声音传输系统,给出了整个系统的实现方案、设计方法和理论依据。论文的具体结构分为三部分:第一部分介绍了基于DSP技术的图像声音数字化处理的嵌入式系统开发的整体过程。介绍了图像声音的理论基础和DSP技术的基本知识,主要说明了图像压缩编码一一MJPEG编码算法、DSP系统的构成和设计流程以及DSP芯片的功能与特点;着重介绍了DSP嵌入式系统的软硬件设计,给出了相关的电路原理图和软件程序流程图等。第二部分介绍了无线射频通信的实现过程。首先介绍了无线射频的理论基础:接着介绍了核心芯片的功能和使用方法;重点介绍了无线射频通信的硬件和软件实现。第三部分介绍了课题中USB接口实现。首先介绍了USB技术的相关知识,包括USB技术概述,USB的优势,USB软件通讯协议,核心芯片介绍;着重介绍了USB接口的硬件电路设计和设备端软件设计方法。在本文的最后,主要讨论了在本文课题研究中出现的一些问题和经验教训,给出一些经验和心得,希望能够对以后相关研发人员有一定的启发与帮助。并且最后对本文项目系统做了研究总结和对未来工作的展望。关键词:数字化,图像/声音处理,DSP技术,USB接口,2.4GHz射频通信华南理工大学硕十学位论文AbstractEarlyashalfacenturybefore,Vina,theoriginatorofcybernetics,hadsaid:‘‘Effectivelifeneedsenoughinformation”.Statisticsdatashowthat80%externinformationofhumanareobtainedbyimageandsound.Nowadaysasdigitalinformationglobalizing,image/audioinformationtechniquehasinfectedeveryaspectofoursociety,anddigitaltechniquehasbecomethemaintechniqueandhotissueofelectronicinformationarea.Intheotherhand,astherapiddevelopmentofwirelesscommunicationtechnique,humanpursuehigherlifequalityandlessbondage.Especiallyrecentyears,thedevelopmentofclosequarterswirelessRF(radiofrequency)techniquebringsgreatimprovementforourfamilylife,studyandworkenvironment,andmakescomplicatecablelinksurplus.Asthedevelopmentofelectronictechnique,theremustbewidemarketprospectandgoodfutureforwirelessclosequarterscommunication.2.4GHzwirelessclosequartersimage/audiotransmissionsystemisadevelopingprojectofE&UInformationandControlTechniqueCo.,Ltd,Guangdong.Thispaperprovidestherealizationscheme,designandtheoreticalbasisofthewholesystemanditisdividedintothreeparts:Inthefirstpart,thewholeprocessofthedevelopmentofimage/audionumeralizationembeddedsystembasedonDSPtechniqueisintroduced,includingthetheoreticalbasisofimageandaudio,basicinformationofDSPtechnique,andespeciallyimagecompressingcoding--MJPEGcodingarithmetic,thestructureofDSPsystem,designflowandthefunctionandcharacteristicofDSPCMOSchip.ThemajorpointofthispartissoftwareandhardwaredesignoftheDSPembeddedsystem,andrelativecircleschematicdiagramandsoftwareprogramflowisalsoprovided.Inthesecondpart,therealizationofwirelessradiofrequencycommunicationisintroduced.Firstthetheoreticalbasisofwirelessradiofrequency,thenthefunctionandutilitymethodofthecoreCMOSchip,andthemajorpointofthispartisthehardwareandsoftwarerealizationofthewirelessradiofrequencycommunicationsystem.Inthethirdpart,therealizationoftheUSBinterfaceisintroduced,includingtherelativeinformationofUSBtechniquewhichincludesthegeneralofUSBtechnique,theadvantageofUSB,thesoftwarecommunicationprotocolofUSBandtheABSTRACTknowledgeofthecoreCMOSchip,themajorpointisthedesignofthehardwarecircuitoftheUSBandthesoftwaredesignoftheequipmentunit.Inthelastpartofthispaper,problemsandexperiencesarediscussedwiththehopethatthiscanbringsomehelptotherelativestudyinfuture.Intheend,systematicconclusionofthisprojectandprospectoffutureworkisprovided.Keywords:numeralization,image/audioprocess,USBinterface,DSPtechnique,2.4GHzradiofrequencycommunication华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名:采晦日期:上矿矿年多月多日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口,在——年解密后适用本授权书。本学位论文属于,不保密圈。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名:象影!;'导师签名:孟二季修Et期:渺年‘月6I:J日期:z以旷年6月7日第一章绪论第一章绪论1.1图像声音数字化技术的发展意义人类本身生活在一个物理的、模拟的现实之中。然而,信息时代的信息处理和传输都将反映人类各种活动的多种信息形式,无论是数字或文字,也无论是声音、图像或影像,都以数字化的方式来进行⋯。从最早的人类依靠眼睛和耳朵来直接接受外界的这些信息,后来,特别是近百年以来,电的发明以后,我们就丌始了大量的电子电气的产品和理论的研究和探讨,开始出现了大量的模拟电子化产品,例如:模拟电话,模拟电视,模拟照相等等。这是一次人类历史上的技术革命。社会发展到今天,我们的世界是一个信息全球化与数字全球化的世界。我们现实生活就是一个模拟的,并且我们人类也过得很好,为什么还要求数字化。从宏观的角度来说,数字化图像声音信息是为了人类能够更好的享有各种信息服务,提高生活质量。从具体的技术角度来说,则是因为数字化的信息与模拟化信息相比较,在存储、检索、处理、传输和利用等各个方面都具有无可比拟的优越性【l】。图像和声音的数字化技术已经成为当今社会的热门话题,在信息数字化程度最高的美国,他们基本实现了数字化的家庭。在我国也己经有一些企业和公司在进行数字化产品的研究与生产,这些产品在我国刚刚起步,还拥有十分美妙的前景和庞大的市场。1.2短距离无线射频技术的发展情况网络及通讯技术的飞速发展,人们对无线通讯的要求越来越高,短距离无线技术正在成为关注的焦点。目前使用较广泛的近距无线通信技术主要有蓝牙(Bluetooth)、无线局域网802.11(Ⅵ,i.Fi)、红外数据传输(IrDA)、家庭无线(HomeRF)和专用无线系统等。它们都有其立足的特点。或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求:或着眼于功能的扩充性;或符合某些单一应用的特别要求;或建立竞争技术的差异化等。但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求【31。蓝牙技术是近几年流行势头最强劲的近距离无线连接技术,由爱立信(Ericsson)公司发起,以10世纪丹麦的海盗国王名字命名。它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范,其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口,将通信技术与计算机技术进一步结合起来,使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下,能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的华南理工大学硕士学位论文2.4GHzISM频段,提供1Mbps的传输速率和lore的传输距离。但蓝牙技术遭遇了最大的障碍是过于昂贵。突出表现在芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息安全问题以及其复杂的协议等等。这就使得许多用户不愿意花大价钱来购买这种无线设备。因此,业内专家认为,蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规模12J。Wi-Fi(WirelessFidelity,无线高保真)技术也是一种无线通信协议,正式名称是IEEES02.1lb,与蓝牙一样,同属于短距离无线通信技术。wi.Fi速率最高可达lIMb/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些,但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹,可达100m左右。Wi.Fi是以太网的一种无线扩展,理论上只要用户位于~个接入点四周的一定区域内,就能以最高约11Mb/s的速度接入Web。但实际上,如果有多个用户同时通过一个点接入,带宽被多个用户分享,Wi.Fi的连接速度一般将只有几百kb/s的信号不受墙壁阻隔,但在建筑物内的有效传输距离小于户外12’4l。IrDA是~种利用红外线进行点对点通信的技术,是第一个实现无线个人局域网(队N)的技术。目前它的软硬件技术都很成熟,在小型移动设备,如PDA、手机上广泛使用。事实上,当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。但是红外信号要求设备之间必须具有无障碍的直线通道,即使具有上述条件,也必须把设备放得足够的近,因为一般红外的通信距离最大不能超过1米。并且红外技术目前只能实现点到点的简单数据传送和文件同步【¨1。专用无线芯片系统,现在已经悄然兴起。挪威NORDIC公司致力于无线芯片的研发,设计专业的射频芯片满足用户自行设计具有特殊用途的无线通信系统同样工作在全球通用免申请的2.4GHzISM(q-业、科学和医疗)频段,通信距离为lOre,简单的通讯协议和高集成的片上射频系统,外围芯片要求少t¨J。用户在开发过程中编程及应用较为方便。开发费用和开发技术难度都较前面几种低了许多。现在在不少的无线通信场合都得到了广泛的应用。1.3本文课题研究的背景与意义图像、声音信号是人们进行交流的基础,视觉和听觉信息是人们活动的基本内容。从古以来人们就希望“亲眼所见”、“亲耳所问”。随着模拟电子技术的出现和发展,人们开始研发模拟电子产品来实现模拟视频信号和音频信号的存储和传输。这样使“亲眼所见”和“亲耳所闻”在空间上和时间上得到了极大的改善。人们可以不在现场或不见面就亲眼见到现场的视觉信息或听见空间与时间都很遥远的声音。随着各种电子技术的发展,特别是数字电子技术的发展以及全球数字化进程的推进,视频和音频的采集设备和方式都有了很大的发展。直接采集视频和音频的设备也得到了广泛的开发和应用。现第一章绪论在已经有不少的国内外企业或公司开发了一些用于某种专门用途的数字化视频,音频设备,例如:数字电视、网络摄像机、MP3、MP4等等。随着高性能专用无线射频芯片的研发问世,以及相关短距离无线通信技术的发展(1.2节中描述),短距离无线通讯已经成为了当前人们讨论的一个热门话题。在信息化的今天,各种数字设备已经数不胜数,它们之间的连接和通讯使用到太多的电缆,各种电缆的连接不仅使许多艰巨工程任务变得更加的繁重并且在许多场合给我们带来了极大的不便。现在我国已经有13亿人口,拥有数千万台计算机,2000多万网民,1亿多移动用户,2亿多固定电话用户,3亿多台电视机17j,从这些数据可以看到,我国的家用图像声音信息化网络产品市场将具有广阔的前景。因此,本文项目系统作为广东欧宇控制技术有限公司立项研发项目。广东欧宇控制技术有限公司作为一家广东省高新技术企业,为了在家用信息化产品领域和监控与检测领域抢先占领市场和技术储备,于2003年立项进行本课题系统的研究,投入了相当大的研发经费和技术力量,课题研究任务主要由笔者一人承担。本课题主要是以实现图像声音的短距离无线通信为目的,通过自主的硬件和软件设计来实现整个系统产品的研发和相关理论的研究与探讨。为公司在以后的家用信息化产品的研发奠定一些基础。1.4本课题研究的主要内容本文主要探讨图像声音的数字化处理及其短距离的无线射频通信的研究,本文项目系统的实现是一个十分复杂且庞大的工程。研究的主要内容有:1)图像声音处理模块的设计。基于DSP芯片的嵌入式系统的设计研究.包括其硬件设计和相关的软件设计方案与实现过程。硬件设计主要包括图像采集电路的设计,声音A/D、D/A转化电路设计和DSP整体硬件电路的设计。软件部分主要包括了图像声音的压缩程序设计,DSP的实时处理程序设计和DSP与无线通信接口的设计。文章还着重讨论图像压缩的相关原理,MJPEG压缩算法的理论研究和编码的具体实现。2)无线射频模块的设计。使用专用无线射频芯片的硬件电路的设计过程,以及相关的通讯协议和无线通信应用程序的设计。简要分析说明一些无线射频电路的原理和设计方法。3)USB接口的设计。通过了解相关的USB技术规范,深入分析USB的通讯协议和固件构架,采用USB接口芯片实现接口硬件设计,并且使用CYPRESS公司提供的相关软硬件开发平台进行USB设备端的应用程序和固件程序设计。本文的内容安排如下:第二章论述了图像声音的数字化处理与DSP的实现过程;第三章论述了短距离无线射频系统的硬件和软件设计;第四章讨论了USB接口的设计过程;第血章讨论在本文项目研发过程中出现的一些技术问题和经验。华南理丁大学硕士学位论文1.5本章小节本章主要简要介绍了图像声音的数字化的发展意义以及短距离无线通信技术的国内外发展概况。介绍了本文项目研究的背景和意义以及本文项目研究的主要内容与论文的整体安排。第二章图象数字化处理与DSP实现第二章图像声音的数字化处理与DSP实现2.1图像/声音的数字化处理概述图像/声音的数字化处理是一项热门且复杂的技术。本文对图像和声音信号的数字化处理主要通过DSP来实现。采用专门的图像和声音处理的专门芯片来设计硬件电路,通过对硬件电路相关器件的设置与控制来得到数字化的声音和图像信号。为了有效的传输和存储图像信息,我们采用了MJPEG压缩编码算法对图像进行压缩。声音信号经过A/D转化芯片直接由DSP系统滤波后输出。具体的图像和声音的采集与处理技术在本章将进行具体的描述。2.2图像压缩编码技术图像压缩的目的在于以较少的数据来表示图像,以减少传输时间和费用或节约存储费用。因此,几乎所有涉及到数字图像传输或存储的应用中都需要进行有效的数据压缩。图像压缩的基础是图像信息包含了大量冗余。主要有:(1)由于相邻象素之间存在关联而产生的大量的空间冗余;(2)出于彩色元素间存在关联而产生的大量的频谱冗余;(3)由于人类的视觉系统特点而引起的大量心理视觉冗余。2.2.1图像压缩编码的发展概述按照压缩冗余信息的机理不同,现在一般将图像的编码技术分成两代:1)第一代图像压缩编码技术1984年,Oliver提出了第一个编码理论——脉冲编码调翻J(PulseCodingModulation,简称PCM);1959年,Shannon进一步确立了码率失真理论,以上工作奠定了信息编码的理论基础。主要编码方法有预测编码、变换编码和统计编码,也称为三大经典编码方法。·预测编码预测编码的基本思想是:根据数据的统计特性得到预测值,然后传输图像像素与其预测值的差值信号,使传输的码率降低,达到压缩的目的。预测编码方法简单经济,编码效率较高。·变化编码变换编码的基本思路是:先将空间域图像通过某种萨交变换,获得一系列反映图像华南理工大学硕士学位论文空间相关性变换系数,然后对变换域中的系数采取适当的编码方法,达到压缩数据的目的。·统计编码统计编码的基本思想是:主要针对无记忆信源,根据信息码字出现概率的分布特征而进行压缩编码,寻找概率与码字长度间的最优匹配。常用的统计编码有游程编码、Huffman编码和算术编码三种。2)第二代图像压缩编码技术为了克服“第一代”图像编码技术的局限性,于1985年正式提出了“第二代”图像编码技术。从根本上讲,实时图像编码可分成两步:第一步,把图像数据变成消息序列;第二步,把码字分配给这些消息。“第一代”编码技术只是以信息论和数字信号处理技术为理论基础,旨在去除图像数据中的线性相关性的一类编码技术。其压缩比不高,大约在10:l左右。而“第二代”编码技术不局限于信息论的框架,要充分利用人的视觉生理、心理和图像信源的各种特征,实现从“波形”编码到“模型”编码的转变,以便获得更高压缩比。其压缩比多在30:1至70:1之间,有的甚至高达100:1。“第二代”编码方法主要有:基于分形的编码、基于模型的编码、基于区域分割的编码等。·分形编码分形的方法在图像编码中应用就是将一副数字图像,通过一些诸如颜色分割、边缘检测、频频分析、纹理分析等图像处理技术将原始图像分成许多子图像。·基于模型的编码这类编码把计算机视觉和计算机图形学中的方法应用到视频图像编码中来,综合利用图像分析、模式识别、纹理分析等手段进行编码传输。·基于区域分割的编码基于区域分割与合并的视频(图像)编码方法,是根据图像的空域特征将图像分成纹理和轮廓两部分,然后分别对它们进行编码。2.1.2图像压缩编码的国际标准近年来图像编码技术得到了迅速的发展和广泛的应用,一系列的国际标准制定出来,其范围涉及静态图像,活动图像与通用多媒体描述接口等方面。特别是活动图像的编码标准由一些国际组织制定出来,例如国际电信联盟[TU.T关于电视电话/会议电视的视频编码标准H.26l、H.263,IS0/IEC关于活动图像的编码标准MPEG一1、MPEG.2、MPEG一4等。下面分别介绍数字视频压缩的主要技术H.261、MPEGI、MPEG4。1)H.261压缩标准H.261压缩标准1990年12月由国际电报电话咨询委员会CCITT制定,是最早出现的视频压缩标准,目的是规范ISDN网上会议电视和可视电话应用中的视频压缩技术。为适用不同制式,无论625行的PAL还是525行的NTSC视频,都被编码成统一的中问格式CIF信号,即亮度信号的抽样结构是每帧288行,每行360个像素;彩色信号的第二章图象数字化处理与DSP实现采样结构是144行,帧×180像素/行,帧频规定为29.97帧/s。从而有效解决各厂商产品兼容问题,实现不同制式间连接,推动电视会议、视频监控迅猛发展。该标准适用于px64kbit/s码率:P取值较小时,只能传输清晰度一般的图像,适合于电视电话;P取值较大时,可传输清晰度较好的图像,适合于视频监控。其压缩技术的核心是离散余弦变换及运动补偿算法,主要思想是通过减少每帧图像时间、空间冗余性、相关性信息来压缩视频数据量。H.261标准适合在64~384Kbps低带宽下传输实时视频图像,但图像质量不太理想。虽然如此,该标准作为视频压缩经典之作,此后推出的MPEG系列标准核心框架和H.261基本一致。2)MPEGl压缩标准MPEGI压缩标准制定于1992年,是为工业级标准而设计的,可适用于不同带宽的设备。它解决了视频、音频的压缩、解压缩、同步问题,适用于数码率小于1.5Mbps,主要用于数字存储媒体的活动图像与伴音压缩。其视频压缩技术的基础为宏模块结构、运动补偿、宏模块的有条件再补给;其视频压缩部分基本算法与H.26l相似,也采用运动补偿的帧间预测、二维DCT、VLC游程压缩等措施,此外还引入帧内帧I、预测帧P、双向预测帧B和直流帧D等,进一步提高压缩率。目前该标准的图像压缩可达到:在人类视觉敏感范围内,静态图像压缩率为50:1,活动图像压缩率可达200:l。较MJPEG技术,MPEGl的实时压缩、帧数据量、处理速度均有显著提高。如PAL制式,MPEGl可满足多路25帧/秒(大于16路)速度,在500Kbps压缩码流(352*288)下,每帧大小仅2K,从而有效降低计算机负担,解决多路视频同时录像时计算机资源有限问题。但压缩率的提高,会导致解压缩后图像质量降低。0.8-2Mbps传输速率时,MPEGl图像清晰度与录像机相当。可根据监控场所需求,选用不同MPEGl压缩标准。3)MPEG4压缩标准MPEG4压缩标准1998年11月公布,是第一个具有交互性、综合性的动态图像标准。能有效解决甚低速率(64kbps以内)一定质量图像传输问题,同时实现多媒体信息共同传输。该标准由以下几部分组成:多媒体传输整体框架DMIF,解决交互网络中、广播环境下、磁盘应用中多媒体应用的操作问题:数据平面,分传输关系部分、媒体关系部分;缓冲区管理和实时识别,通过有效管理,更好利用有限缓冲区空间:音频编码,支持自然的、合成的声音编码;视频编码,支持自然的、合成的视觉编码;场景描述,用于描述各AV对象在某具体Av场景坐标下组织、同步等问题。因此,MPEG4在网络电视、动态图像、互联网、远程视频监控、移动多媒体通信、Intemet视频流与可视游戏、DVD交互等方面均有极其广泛的应用价值。2.1.3MJPEG压缩编码技术MJPEG(Motionjointphotographicexpertgroup)是在JPEG基础发展起来的动态图像压缩技术,它只单独的对某一帧进行压缩,而基本不考虑视频流中不同帧之间的变化,因此存在较大的空间冗余(2.1.2节提到),压缩比不太理想。但是MJPEG编码可获取华南理T大学硕士学位论文清晰度很高的视频图像,可灵活设置每路的视频清晰度和压缩帧数。并且其编码技术成熟,例程和相关的理论指导较多,实现起来比较上节中几种会简单不少。本文系统正是基于以上考虑选用MJPEG的编码方式进行图像压缩。下面将简要介绍其主要技术的理论依据。其主要技术有以下三个方面:1)离散余弦变换(DCT)。MJPEG编码的第一步是图像电平偏移128,也就是说图像数据减去128,完成第一步后,对图像数据作正向DCT变换,使原始的二维数据转换成一组系数的组合。其中一个系数值作为直流参数。正向DCT变换公式为:_,。=百1c。c,妾骞‘。;c。s学c。s学cz-·,上式写成矩阵形式为:y=A·X·A7(2—2)式中,X是8*8输入数据矩阵,A是8*8DCT系数矩阵,Y是DCT变换结果。正向DCT变换系数矩阵A为:A=ll11l11l√2√2√2√2√2√2√2√2It"3n5n"7n.7n.5x3n"7/"COS—CoS——COS——COS一一COS一一COS——一COS⋯COS16161616161616162n"6n.10n"14n"14n"10n.6n"2n.16161616161616163n"9n"15n.2In.2l石15n9n3x16161616161616164丌COS一16)7/"COS---——166n"COS——16|冗COS——1612n-COS——1615n.CoS——1618n"CoS—162In.COS一1620n.一COS——162In"一COS一16DSP支持指令“MAC”(乘一累加操作)(DCT变换的子程序在2.5.4节描述)。对这64个系数的每一个使用各自的量化表进行量化。应用时,量化表可以根据用户不同的图像特性,显示装置和观测状态所要求的图像质量定义。2)zIGZAG(ZZ)。在量化后,直流系数和63个交流系数是为平均信息量准备的,用于l-luffman编码。前面的量化直流系数是用来预测当前的量化直流系数,其差值用于编码。63个量化交流系数不进行差分编码,但是变换成一维的ZIGZAG序列,表示为ZZ(1)...ZZ(63)。轫一M铴一M断一M勖一MSSSSO00OCCCC一一一一幼一M切一M断一Mm—M惭一M惭一MSSSOOOCCC一一一丝盟百婴M∞∞∞叱qq撕~M姗~M锄~坫锄~MOoOO一一一一撕~M:誉~M锄~M锄一M0OoO撕一M撕一M妣一M渤一M哪{宝嘲|宝第二章图象数字化处理与DSP实现表2-1为ZIGZAG序列的顺序。表2-IZIGZAG序列顺序表Table2—1ZIGZAGsequence01561415272824713162629423812172530414391118243140445310192332394552542022333846515560213437475056596135364849575862633)Huffman编码。使用两个编码过程:一个对直流系数zz(0),另一个对交流系数zz(1)⋯ZZ(63)。这些系数是按照zz中存在的顺序进行编码,从直流系数开始。4)直流系数编码。直流系数使用一维预测器PRED进行差分编码,PRED是最接近当前图像块的直流量化系数。差分值从下式(2—3)得到:DIFF=ZZ(0)-PRED(2-3)全部差分幅度分成12类别。根据12种差分幅度类别创建亮度和色度直流差分Huffman编码表。5)交流系数编码。因为存在大量的0系数,所以采用零游程检测可以使码字更有效,如果ZZ的最后一部分完全是0,那么码字明确指示块结束fEOB)。ZZ中每一个非零的交流系数由一个8比特值组成的(R/S),R/S表示成“RRRR/SSSS”。4比特“SSSS”定义为ZZ中下一个非零系数的幅度类别。分类定义与直流系数的分类定义十分类似,如表2—2所示。4比特“RRRR”由ZZ中相对于前一个非零系数的位置确定。对于每一个可能的组成值,Huffman交流系数表由Huffman码组成。亮度和色度交流系数Huffman编码表如表2.3、2.4所示。表2.2交流系数分类定义表Table2—2ACquotietyclassdefinitionSSSS差分幅度1.1,12—3,一2,2,33—7,⋯,一4,4,⋯,74—15,⋯,一8,8,⋯,155—3l,⋯,.16,16,⋯,3l6-63⋯一32,32~.,637一127,⋯,一64,64,...,1278-255,⋯,一128,128,⋯,2559—511,...,.256,256,⋯,51l10—1023,⋯一512,512,⋯,102311—2047,⋯,-1024,1024,⋯,2047华南理工大学硕十学位论文表2-3亮度交流系数Huffm∞编码表Table2—3LuminanceACquotietyhuffmancodingRRRR/SSSS码长码字0/0(EOB)410100/12000/220l0/331000/44101l0/5511010o/67111000Qn8lllll000o/8101111110110表2-4色度交流系数Huffman编码表Table2-4ChrominanceACquotietyhuffmancodingRRRR,SSSS码长码字OIO(EOB)200o/l2010/231000/3410100/4511000o/561100102.3DSP技术DSP(digitalsignalprocessing),数字信号处理技术。它是利用计算机或专用处理设备,以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理,以得到符合人们需要的信号形式。2.3.1DSP系统概述2.3.1.1DSP系统构成DSP的系统构成框图如图2-1所示图2-1典型的DSP系统框图Figure2-1DSPsystemblockdiagram第珊二章图象数字化处理与DSP实现输入信号首先进行带限滤波和抽样,然后进行A/D(AnalogtoDigital)变换将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理,为保证信息不丢失,抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2倍。DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号,DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理(DsP的关键)。最后,经过处理后的数字样值再经D/A(DigitaltoAnalog)变换转换为模拟样值,之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形输出。2.3.1.20SP系统的设计过程在现阶段,对于DSP系统的设计还没有十分规范的设计方法,图2—2所示是DSP系统设计的一般流程。图2-2DSP系统设计的一般流程图Figure2-2GeneralflowchartofDSPsystemdesign在设计DSP系统之前,首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标、信号处理的要求,通常可用数据流程图、数学运算序列、正式的符号或自然语言来描述。第二步是根据系统的要求进行高级语言的模拟。一般来说,为了实现系统的最终目标,需要对输入的信号进行适当的处理,而处理方法的不同会导致不同的系统性能,要得到最佳的系统性能,就必须在这一步确定最佳的处理方法,即数字信号处理的算法(Algorithm),因此这一步也称算法模拟阶段。算法模拟所用的输入数据是实际信号经华南理工大学硕士学位论文采集而获得的,通常以计算机文件的形式存储为数据文件。有些算法模拟时所用的输入数据并不一定要是实际采集的信号数据,只要能够验证算法的可行性,输入假设的数据也是可以的。在完成第二步之后,接下来就可以设计实时DSP系统,实时DSP系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成本限制以及体积、功耗等要求选择合适的DSP芯片。然后设计DSP芯片的外围电路及其他电路。软件设计和编程主要根据系统要求和所选的DSP芯片编写相应的DSP汇编程序,若系统运算量不大且有高级语言编译器支持,也可用高级语言(如C语言)编程。接下来就需要进行硬件和软件的调试。一般借助于DSP开发工具,本文使用TI公司提供的开发平台和CCS2.0应用软件(将在2.5.1节中具体描述)。系统的软件和硬件分别调试完成后,就可以将软件脱离开发系统而直接在应用系统上运行。当然,DSP系统的开发,特别是软件开发是一个需要反复进行的过程,虽然通过算法模拟基本上可以知道实时系统的性能,但实际上模拟环境不可能做到与实时系统环境完全一致,而且将模拟算法移植到实时系统时必须考虑算法是否能够实时运行的问题。如果算法运算量太大不能在硬件上实时运行,则必须重新修改或简化算法。DSP生产厂商为我们提供了相应的硬件开发平台和软件开发工具,使得我们的开发时间大大的缩短并且减少了很多的盲目性。2.3.2可编程DSP芯片2.3.21DSP芯片概念DSP芯片,也称数字信号处理器,它是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器,其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求,DSP芯片一般具有如下主要特点:(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法;(2)程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据;(3)片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;f41具有低开销或无丌销循环及跳转的硬件支持;(5)快速的中断处理和硬件I/O支持:(61具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器:f71可以并行执行多个操作;f8)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。第二章图象数字化处理与DSP实现2.3.2.2DSP芯片的基本结构DSP系统为了实现高速的数字信号处理,其采用特殊的软硬件结构,现介绍课题系统中采用TI公司的TMS320VC5402芯片(本文以下称VC5402)的DSP基本结构。TMS320系列DSP芯片的基本结构包括:(1)哈佛结构;(2)流水线操作:(3)专用的硬件乘法器;(4)特殊的DSP指令;(5)快速指令周期。f11哈佛结构是不同于传统的冯·诺曼(VonNeuman)结构的并行体系结构,其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中,即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器,每个存储器独立编址,独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线,从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯·诺曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中,统一编址,依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址。取指令和取数据都访问同一存储器,数据吞吐率低。在哈佛结构中,由于程序和数据存储器在两个分开的空间中,因此取指和执行能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性,TMS320系列DSP芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进,一是允许数据存放在程序存储器中,并被算术运算指令直接使用,增强了芯片的灵活性:二是指令存储在高速缓冲器(Cache)中,当执行此指令时,不需要再从存储器中读取指令,节约了一个指令周期的时问。如TMS320C30具有64个字的Cache。(2)流水线操作。由于采用了哈佛结构,DSP广泛采用流水线。处理器可以并行处理2-4条指令,每条指令处于流水线的不同阶段,图2—3显示了一个四级流水线操作。,N、N+I、,N十2.,N+3、、,、,、、,,N一1、,NN+1,N+2、、,、,N一2N—l、,N、N+l,、,、,N一3、,N一2、,N—l、N、图2-3四级流水线操作Figure2-3Fourlevelspipelining(3)专用的硬件乘法器。在一般的微处理中,乘法指令由加法操作完成,而在DSP芯片上使用了专用的硬件乘法器,乘法可以在一个指令周期内完成,大大提高了微处理器的性能。(4)快速的指令周期。哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计,可使DSP芯片的指令周期在50ns以下。TMS320VC5402的指令周期为10ns。华南理下大学硕十学位论文2.4图像/声音处理的硬件电路设计2.4.1图像/声音处理电路的概述图像传感器OV6620获得图像信号后数字化输出,将图像数据传递给中央处理器DSP芯片VC5402,DSP芯片对图像信号进行实时处理,主要进行滤波、图像平滑、锐化、二值化、特征点提取和图像数据的MJPEG的压缩编码算法等。声音信号编解码芯片TLC320AD545将转化的数字语音信号传递给DSP芯片进行滤波处理。然后,DSP芯片负责将处理好的数字图像、声音信号传递给上层的无线射频传输电路。整体功能的实现:(1)通过VC5402芯片的0号串行通信接口(McBSP0)对OV6620的内部寄存器进行参数配置。主要参数包括:将输出图像分辨率设置为352×288,将输出图像帧的速率设置为25帧/秒,将数字图像的输出格式设置为Yuv分量4:2:2格式(2)将OV6620芯片输出的图像数据利用MJPEG算法进行数字图像压缩;(3)通过VC5402芯片的l号串行通信接121(MeBSPll对TLC320AD545的内部寄存器进行参数配置;(4)对TLC320AD545输出的数字化声音信号进行滤波传输。(具体硬件电路在2.4.4小节中描述)。影音处理电路的原理框图如图2-4所示:图2—4视音频处理硬件框图Figure2-4Video/audiohardwareblockdiagram2.4.2图像传感芯片0V66202.4.2.10V6620简介OV6620是OmniVision公司开发的CMOS彩色图像采集芯片。在它内部集成了一个356×292的彩色图像阵列。该图像传感器能对所拍摄的图像进行预处理,包括自动曝光控制、自动白平衡调节、gamma校正、自动图像增强:具有可编程控制与视频模/数4第二章图象数字化处理与DSP实现混合输出等功能,其输出的视频为彩色图像,与CCIR601标准兼容。多种图像和视频数据格式输出,SCCB总线接口设置。通过OV6620内部嵌入了两个8位的A/D,因而可以同步地输出8位或16位的数字视频流。在输出数字视频流的同时,还提供象素时钟PCLK、水平参考信号HREF、垂直同步信号VSYNC,便于外部电路读取图像。原理框图如图2—5所示:图2.5OV6620内部硬件框图Figure2-5OV6620CMOSimageSensorblockdiagram2.4.2.2工作原理和设置OV6620通过硬件实现模拟图像信号的数字化处理,我们主要是通过芯片提供的SCCB总线接口对其相关寄存器进行设置和控制来实现用户要求。SCCB总线支持多字节读写操作,OV6620的功能和配置寄存器的读写都是通过SCCB总线来完成。SCCB相关的硬件引脚为SBB、SIO一1、SIO一0、MULT。工作原理:SBB(芯片12脚1通过一个10K欧姆的电阻连接在VDD,当SBB=l(高电平)时,OV6620工作在自动控制模式,最高速率可以达到400Kbps。OV6620从前一个写周期中取得读操作地址,在多字节读写操作中,操作地址在第一个数据字节后自动增加。因此一个总线周期可以工作在连续的地址段。数据的操作通过SIO.1(接口频率输入)、SIO.0(接口数据输入/输出)进行,当SIO一1=1(高电平)时,SIO一0数据保持不变,只有在SIO—l=O时,数据/j‘允许改变。OV6620内部有[00.4F]共80个寄存器。主要包括了自动增益控制(AGC)、饱和度(SAT)、对比度(CNT)、明暗度(BRT)、锐度(SHARPNESS)、自动白噪声(AWB)、自动曝光控制(AEC)和一些普通控制寄存器。具体的名称和细节在OV6620的使用手册中有详细的描叙。华南理工大学硕十学位论文2.4.3DSP芯片TMS320V54022.4.3.1TMS320VC5402芯片简介TMS320VC5402芯片是美国TI公司推出的第五代DSP芯片,具有很高的操作灵活性和速度,它具有先进的修正哈佛结构(一条程序总线、三条数据总线和四条地址总线)、专门硬件逻辑的CPU、片内存储器、片内外设和专用的指令集等。具有功耗低,高度并行的优点。(其工作特点与主要功能等在2.3节中已经描述)。2.4.3.2VC5402芯片的寄存器设置下面主要对三个重要的状态寄存器进行说明:ST0寄存器15.1312111098.0ARPTCC0VAOVBDP夺ARP~辅助寄存器指针夺Tc一测试/控制位,存储了ALU测试位操作的结果,受BIT,BITF,cMPM,CMPR,CMPS,SFTC指令的影响夺c一如果加法产生进位c为l,减法产生借位C为0。ADD指令只能置位C,而SUB指令只能清c夺OVA一累加器A溢出标志令OVB一累加器B溢出标志夺DP一数据存储空间页标志,由DP指定页,在此页中采用直接寻址指令。其绝对地址为DP指示的高9位加上直接寻址指令中的地址为其低7位构成。STI寄存器151413121110987654.OBRAFCPLXFHMINTM0oVMSXMC16FRCTCMPTASM夺BRAF一块重复指示。BRAF=l,块重复操作。夺CPL~编译器模式,指示相关直接寻址选用指针。CPL=0,使用DP指针;CPL=l,使用SP指针。夺XF一指示外部引脚XF状态。夺HM一挂起方式。指示CPU响应HOLD信号的方式。HM=O,外部接口呈高阻:HM=1,CPU停机。夺玳TM一全局中断控制位。INTM=0,开中断;INTM=l,屏蔽可屏蔽中断。夺O一读出值总为0。夺OVM一溢出处理方式。指示发生溢出时,对累加器中数值的处理。OVM=0,溢出第二章图象数字化处理与DSP实现值不变;OVM=1,载入正向最大值007FFFFFFFH或负向最大值0080000000H。夺sxM一符号扩展方式。SXM=0,符号不扩展;SXM=1,数据被ALu使用前先进行符号扩展。夺C16--C16=0,ALU操作采用双精度方式(全32位方式),C16=1,ALU操作采用双16位方式。◆FRcT一小数模式。FRCT=1,乘法器输出左移一位补偿多余的符号位。夺CMPT一兼容模式。CMPT=0,ARP在只有单数据存储器操作数的间接寻址方式中不更新,在这种方式下,ARP必须总置0:CMPT=1,ARP在上述条件下更新,除非使用AR0。夺ASM一累加器移位数。规定了移位范围.16一15,用于并行存储指令STH、STL、ADD、SUB和LD。PMST寄存器15.765432l0IPTRMP/MCoVLYAVISDRoMCLKOFFSMULSST夺IPTR一中断矢量指针。此9位指向内存空间中以128字为单位的页首址。即中断矢量必须位于页的起始部分。复位后IPTR为IFFH,指向FF80H的位置,可重新定义到任何页。夺MP/MC一微机/微处理器模式。MP/MC=0,微机模式,片内ROM可访问;MP/MC=l,微处理器模式,片内ROM不可访问。夺OvLY一片内RAM是否配置入程序空间。OVLY=0,片内RAM不配置入程序空间;0vLY=1,除00—7FH外,片内RAM配置入程序空间。夺AvIs一地址显示模式。控制对内部程序访问时,地址数据是否显示在地址线上。AVIS=O,不显示;AVIS=l,显示。夺DROM--数据ROM配置。DROM=0,片内ROM不配置在数据空间;DROM=l,部分片内ROM配置在数据空间。夺cLKOFF—CLKOuT关闭。CLKOFF=l,CLKOUT输出禁止,保持高电平。夺SMUL一乘法溢出处理。当SMUL=l,且OVM=1,FRCT=l时,对MAC(乘累加)和MAS(乘累减)指令的操作基于ETSIGSM规范。体现在在小数模式下,在进行后续DN/减之|ii『,8000H×8000H的结果被调整为7FFFFFFH。这等同于在OVM=1下MPY+ADD指令。如果只有OVM=1,而SMUL不为1,只在加/减结果后作溢出调整。夺SST一存储溢出处理。当SST----1,累加器中数据在存储到数据空划之前进行溢出。华南理T大学硕士学位论文2.4.4DSP外围电路2.4.4.1数据存储电路本文系统中使用了两片64K字的片外存储芯片CY7C1021CV33,用作数据和程序存储。还使用了一片128K字的FLASHROMSST39VF010,用于程序启动时的自举装载,FLASHROM是EEPROM的一种,具有在线重写功能。VC5402提供23位的地址总线,低16位可以复用,用来寻址外部存储器(数据和地址),高7位用来寻址外部程序存储器。提供16位的数据总线与外部的存储区交换数据。另外包括下列存储器控制信号如下表2—5所列。表2-5存储器控制信号Table2-5Memorycontrolsignal控制信号引脚说明Ds。Ps,Is数据,程序和I/O选通引脚M趼RB存储器选通信号READY数据准备信号R/∥读写选通信号ioSTRBI/O选通信号HoLD挂起输入信号HoLDA挂起应答MSC微状态完成删D指令捕获信号本文中采用的外部存储器工作电压都在3.3V,完全兼容VC5402,可以实现数据输入/输出的无缝连接,图像传感芯片的工作电压与DSP芯片不一致,在本文中使用到~片sN54ALVTHl6244来进行电平的转换。外部芯片的片选信号由CPLD芯片统一管理。FLASH与DSP连接框图如图2—6所示,CY7C1021CV33的连接与此大体相似。第二章图象数字化处理与DSP实现A[17:03A[17:0]D[15:03D[15:03VC5402PSCE^蕾STRB0EFLASH尼厶WE,WREADYHoLD2.4.4.2CPLD电路图2-6FLASH芯片与VC5402硬件接口连接框图Figure2—6ConnectingFLASH&VC5402blockdiagramOV6620芯片与VC5402芯片之间存在大量的数据传输,因此在系统中采用一片ALTERA公司的CPLD芯片EPM3064A作为DSP与图像和声音数据的传输接口,代替VC5402芯片管理外部数据存储区。在CPLD芯片中集成了一个512×16bits的FIFO和一个存储控制器。通过OV6620芯片输出的图像象素移位脉冲和图像的行、场同步脉冲的控制,将原始图像数据存入FIFO中。由于MJPEG图像压缩以8x8象素块基本运算单位,需要存储控制器将FIFO中以行顺序输入的原始图像数据进行存储地址调整,变换成按8×8像素块顺序存入外部数据存储区,并且它将声音数字化信号转化后存入外部数据存储区。同时,由于本文系统使用到的芯片和相关的控制较多,CPLD芯片还提供了DSP系统整体的逻辑控制和片选功能。在此,数据的传输过程是一个难点,这里讨论如何对奇数场的数字视频信号进行控制,对偶数场的控制类似于对奇数场的控制,本文不再多述。当奇数场控制电平为高电平时.表示CPLD向SRAM存储奇数场图像数据。当场同步信号VREF、行同步信号HREF、奇偶场标志信号RTSO为高电平时,改变相应SRAM的地址信号,并且把数字视频信号输出以DSP的内部缓冲器,当奇数场控制电平为低电平时,表示DSP『F在从SRAM读取奇数场图像数据。DSP内部用记录奇数场控制电平的变化,当发现有奇数场控制电平变化时,表示读取数据变成了存储数据或者存储数字变成了读取数据,此时需要把SRAM的地址值变成0。华南理工人学硕士学位论文2.4.4.3声音A/D与D/A转换电路本文音频采集电路使用了一片TI公司的TLC320AD545编解码器芯片与TMS320VC5402芯片的MeBSPl(多通道缓冲串口1)无缝串行连接来进行数据采集、存储和处理。TLC320AD545是一种单通道的数据/传真编解码器。它由一个单通道的编码器和带有一个串口的模拟混合电路组成,其中的串口用于和外接主处理器接口相连。AD545的主要特点有:差分和单端驱动模拟输出;采样速率最大可达11.025kHz;采样精度16位,2的补码数据格式;80dB动态范围;具有可编程增益放大器;带有可编程增益放大器的8E2Arr41差分话筒驱动器。转换电路的原理框图如图2—7所示:CLOC唑DTMCLKBDRlDTDOUTDTINBDXl一BSFRl二]BFSXlDTFSBCLKR!DTCLKBCLKXl一坦蛆SISELVC5402AD545图2.7VC5402与AD545的硬件连接框图Figure2-7ConnectingVC5402&AD545bloekdiagramTLC320AD545的帧同步信号可以是高电平有效,也可以是低电平有效,这取决于TLC320AD545串行接口模式选择引脚SISEL的状态。本文设计采用低电平有效方式和VC5402接口,因此,AD545的串行接口模式选择SISEL接高电平DVDD。2.4.4.4图像采集电路图像采集硬件电路主要是DSP芯片对OV6620的工作参数的设置与控制,本文系统通过OV6620的SCCB总线进行操作(SCCB说明在2.4.2节中已描述)。为实现VC5402与OV6620之间进行SCCB总线数据通信,同样采用TMs320Vc5402的多通道缓冲串行接口(McBSP0),具体的硬件连接与上小节中相似,由于OV6620芯片工作在5V,所以在数据传输接口之间不能直接相连而需要使用到电平转换器件柬实现电平转换(2.4.4.1节描述过)。第~:章图象数字化处理与DSP实现硬件连接原理罔如图2-8所示:幽2.8VC5402与OV6620之『日j数据通讯硬件连接图Figure2-8DatacommunicationbetweenVC5402&OV6620blockdiagram2.4.4.5电源电路VC5402的I/O口工作电压为3.3V,内核工作电压为1.8V。并且外围图像、声音转换芯片工作在5V,在硬件电路板上要实现多种电源的设计,本文采用MAXIM公司的MAX748构成的线性电路来提供3.3V和l_8V电源给DSP芯片供电。由于外部的芯片工作在5V,所以在数据传输接口之问不能直接相连而需要使用到电平转换器件来实现电平转换(2.4.4.1节描述过)。MAX748产生3.3V电源的原理图如图2-9所示:330pF图2-9MAX748产生3.3V电源的原理图Figure2-93.3VPowersupplyoutfromMAX749blockdiagram2.4.4.6复位电路VDSP芯片提供了硬件复位引脚RS,这个引脚的电平变化可以使程序从指定的存储地址FFSOH开始运行。本文采用看门狗电路来实现DSP芯片的复位功能,选用MAX706看门狗芯片,将其第七脚直接连接到VC5402的ii脚。MAX706的时钟(第六脚)由VC5402编程提供。工作原理:VC5402通过程序产生一个频率一定的脉冲信号,当华南理工大学硕十学位论文VC5402不正常工作时,脉冲信号消失,此时在第七脚将产生一个复位脉冲信号(不小于1.6S),确保系统重新复位,程序从新开始运行,使系统恢复正常。MAX706复位电路原理图如图2—10所示:图2.10MAX706复位电路原理图Figure2-10RESETcircuitblockdiagram2.5DSP软件实现方案2.5.1DSP集成开发环境(Ccs)DSP芯片的开发一般都需要一套完整的软硬件开发工具。通常,DSP芯片的软件开发工具可以分为代码生成工具和代码调试工具。代码生成工具的作用是将用C语言或汇编语言编写的DSP程序编译汇编并链接成为可执行的DSP程序。代码调试工具的作用则是对DSP程序及系统进行调试,使之能够达到设计目标。本文系统开发使用Tl公司提供的用于开发VC5402DSP应用程序的CCS2.0版本(在购买DSP开发板时能够提供)。CCS2.0运行在wINDOws操作系统下,它集成了非集成开发环境的所有功能,并且扩展了很多功能。上述的代码生成工具和代码调试工具都已经集成在CCS里面,并且操作变得十分的简便快捷。CCS2.0的安装不是一个难题,但是为了进行相关的DSP芯片的开发,我们得在运行CCS2.0应用程序之前进行正确的系统配置,也就是正确加载相关的驱动程序以及硬件仿真器的端口设置等。CCS2.0的具体操作以及本文项目软件开发应用较多的KEILC51开发工具比较类似。都具有友好且方便的操作界面,并且已经出版了很多相关的应用书籍可供参考,在本文不再详细描述其操作方法和步骤。其操作流程大体为:(1)新建一个项目j-程,(2)在项目工程中添加已经编写好的汇编程序文件、库文件、C文件与链接命令文件等,(3)完成了上一步之后就是对文件进行编译、汇编和链接,在相应的信息框可能会提示相关的出错信息,在此我们得将所有的错误之处修改正确,(4)将.out文件加载到El标板上进行仿真运行和调试。第二章图象数字化处理与DSP实现2.5.2DSP程序整体程序设计2.5.2.1整体程序描述DSP整体的程序设计采用功能模块化的设计方法,主要分成g个功能模块:(1)图像压缩编码子程序,(2)声音数字化处理子程序,(3)无线接口子程序,(4)硬件驱动控制子程序。模块化的殴计使程序结构清晰,便于阅读和理解,并且对以后的功能扩展提供了方便。程序的大体结构是:DSP上电进行自装载的初始化,对DSP芯片装载应用程序,并对DSP芯片进行初始化的设置;然后图像、声音采集芯片的初始化设置和控制,控制读取图像数字信号与声音数字信号:接着进行图像压缩编码处理并进行相应的存储和传输以及对声音传输控制;控制无线通讯模块的通讯和循环操作,传输处理好的数据流信号给无线射频通信模块。2.5.2.2DSP主程序voidmain(void、(⋯⋯init_dsp0;净视始化DSP’}setup_video(&McBSP_ch0,codec—ctr0一ch0,N_delay_eh0);/*SCCB通讯设置+/setup_audio(&McBSP_chl,codec—ctrl—chl,N_delay_chl);严设置AD545通道+/videoA)rocess0;/+图像处理+/audio__trans0;/+声音传输控制+/while(1){,产无限循环+/2.5.3VC5402的初始化设置在初始化设置设计中主要包括了VC5402的上电初始化,OV5402与OV6620的数据通讯,AD545的初始化设置和控制以及数据传输的控制设置等工作。华南理工大学硕十学位论文2.5.3.1V05402与0V6620之间的数据通讯编程从硬件连线图(2.4.4.4节中描述)看出,在作为SCCB总线上的从设备,支持400kb/s、7bit的地址数据传送协议。对其进行写、读操作时的地址分别为22H、23H。其内部52个寄存器的地址为00H一34H,在进行SCCB总线操作时作为子地址使用。在对OV6620寄存器进行写操作时,VC5402为主设备发送器,OV6620为从设备接收器,其工作流程如图2—11所示:厣刊瑶焉需啊磊H磊面艇《露咂图2-llVC5402对OV6620的SCCB总线控制流程图Figure2-11SCCBbuscontrolflowchart下面是VC5402对OV6620的内部一寄存器进行SCCB控制的源码。供。VIDEOSET:LDPSPORTX:设置DP寄存器RESTART:cALLSTART:启动,开始子程序LD3,AR6;3个字节NEXT—BYTE:LD+AR】++,R1CALLWBYTE:发送一个字节,写一字节子程序CALLRBIT:读应答位读一位子程序TSTBl,ARl:判断应答位BNZRESTART:为l,重试SUBl,AR6:为0,发送下一字节BNZNEXT—BYTECALLSTOP:结束,调用结束子程序RETS由于篇幅关系,在此没有给出相关子程序的源码,现在网络上已经有大量的例程提2.5.3.2VC5402与AD545数据通讯之间的初始化设置VC5402与AD545数据通讯之间的初始化设置主要是对VC5402的McBSPl口寄存器设置和AD545的寄存器设置。(1)VC5402的McBSP寄存器设置本文DSP系统McBSP应该配置成单相位通信、16位字长的标准模式。由于AD545提供了串行时钟和帧同步时钟信号,因此,不必要配置McBSP的采样速率发生器。表第二章图象数字化处理与DSP实现2-6给出了McBSP控制寄存器的典型配置值。表2-6McBSP控制器的典型配置值Table2-6McBSPcontrollertypeconfigurationMcBSP的控制寄存器名设置值(16位)SPCRX(串口控制寄存器I)000000000000000lB(0001H)SPCR2x(串口控制寄存器2)1000000000000000B(8000H)RCRlx(接收控制寄存器1)0000000001000000B(0040H)RCR2x(接收控制寄存器2)0000000000000100B(0004H)XCRlx(发送控制寄存器1)0000000001000000B(0040H)XCR2x(发送控制寄存器2)0000000000000100B(0004H)(2)AD545寄存器设置DSP对AD545控制寄存器的设置是通过串行通信来完成的。主通信在DSP和AD545的ADC通道之间传输实际信号数据,二次通信用来配置AD545的控制寄存器。二次通信是在主通道期间通过设置所传输到AD545中数据字的最低有效位(LSB)的值来标识的。如果LSB是l,则下一个通信周期是二次通信周期,AD545所接收到的数据就会被变换来对控制寄存器进行写入操作。在二次通信期间,通过串口传输到AD545的数据包含了AD545控制寄存器的地址信息、一位表示寄存器是否正在被读或写的位信息以及在写寄存器状态下将被写到寄存器的数据信息。(3)AD545的初始化程序代码voidaudio_set(McBSPMcBSPx,imcodec—ctrl—data,unsigned){⋯⋯asm(SSBXINTM:严禁止全局中断+/p设置McBSP*/p设置AD545寄存器+/for(i21;i<=codec—etrl—data【0】;i++){+McBSPx一>DXRlx=Ox0001:严主通信中标识下一通道为二次通信,/while(!IFR&McBSPx->BXINTx_MASK)){}/*DXRlx寄存器中的主要通信数据,等待BXINT标志+/+IFR=McBsPx一>BXINTx_MASK;/+清除BXINTflag+/+McBSPx一>DXRIx2codecctrldata[i];/丰二次通信数据t/while(!(+IFR&McBSPx->BXINTx_MASK)){)/*DXRl寄存器中二次通信数据,等待BXlNT标志+/+IFR=McBSPx一>BXINTxMASK;/*清除BXINT标志+/}华南理_[大学硕士学位论文2.5.4图像压缩编码程序设计图像压缩编码的流程图如图2—12所示图2.12图像压缩编码流程图Figure2-12Imagecompresscodingflowchart程序的主要功能模块子程序:f1)将二维的图像数据变成8×8的矩阵数据块。在此主要是将图像数据减128操作;(2)MJPEG系数的初始化设置。在此子程序过程中,首先将DCT系数装载到相应的存储器,完成量化表和ZIGZAG表的初始化以及HUFFMAN表的初始化过程;(3)数据压缩处理。包括离散余弦变化DCT,频域系数量化QUANT和Huffman编码器HUFF三个模块。其中最为复杂的是MJPEG8×8数据块的操作和数据压缩处理,也是DSP设计‘程序的难点所在。程序代码较长,且编写起来也很复杂,由于TI公司的DSP芯片的广泛应用,现在已经有较多的共享资源可以利用.大量的源代码和相关的例程已经可以借鉴。2.5.5音频处理的软件设计音频处理的软件设计主要包括对VC5402的McBSP寄存器设置和AD545的寄存器初始化设置(2.5.2节已经描述)以及音频数据传输。AD545及DSP初始化在前已经说明,第一章图象数字化处理与DSP实现其控制传输的程序如下:voidaudiorrans(McBSP+McBSPx){⋯⋯if((McBSax->McBSPnum—OII(MeBSPx.->McBSPnum=_2)){*DMPREC=+DMPREC&0xff3f;r‘设置INTOSEL[1:O】-oob+/)+IFR_McBSPx.>BRINTxMASK;/*清除BRINT标志+/ternp=*DRRl0;/*读取DRRl0来清除RRDY位+/*IMR=*IMRIMcBSPx.>BRINTxMASK;/*使能BR/NT中断+/asm(RSBXINTM);p使能全局中断+/⋯⋯}2.6本章小节这一章主要介绍了本文项目系统的图像、声音处理系统完整的设计过程,从原理上介绍了图像的编码规范以及DSP的基本原理和结构。着重介绍了图像声音数字化的DSP软实现过程。在硬件设计部分介绍了本文项目系统DSP芯片和图像传感芯片的工作原理和相关设置以及DSP系统主要外围硬件电路的连接。在DSP软件实现部分主要介绍了DSP开发环境的使用,整体程序设计流程以及相关功能模块的设计和源码分析。DSP技术作为一门新型的技术,其中包含的内容实在太多。限于篇幅,在本章中的相关原理和设计过程主要是做到提纲挈领,使读者对本文项目能够进行理解。而若要从事实际的DSP开发或图像处理,一定要查阅大量的理论书籍和相关文档资料与例程。如:图像编码算法的原理、DSP设计的软件、硬件开发手册以及相关的丌发工具等等。华南理工大学硕七学位论文第三章短距离无线数字通信实现3.1数字通讯概念数字通信就是把数字信号作为载体传送信息,它传输的信号是“离散”或“数字”的。数字通信的原理如图所示:缩瀚编码凑锭邀编璐黎数!;(铵输系统———一数≯溺洌器啜声濒数:,淤潮黎绱邀涝戮嚣图3.1数字通讯系统的原理框图Figure3-1Digitalcommunicationsystemblockdiagram数字通信与模拟通信相比,它具有如下优点:(1)数字传输的抗噪声(抗干扰)能力强,由于数字通讯没有噪声干扰积累,并且传输的是“0”,“l”电平信号,容易判别。(2)数字通信可以通过差错控制编码,设法控制传输中的差错,不但可以发现差错还可以改正差错,因而大大提高了传输质量。(3)数字通信容易实现采用现代计算机技术对数字信息进行处理,实现通讯的智能化和自动化。(4)数字通信便于加密,现代对信息传输的安全性和保密性要求已经越来越高。数字通信系统可以通过不同的逻辑电路来实现传输的加密处理。(5)由于数字集成电路,特别是大、中规模集成电路技术的成熟,数字通信越来越成本低、体积小、可靠性高。(6)数字通讯系统可以传输更多的信息种类。例如,声音、图像、文本、控制等信息。便于与其他系统配套使用。第三章短距离无线数字通信实现3.2无线射频通信原理概念本文系统的无线通信电路都已经集成于射频芯片当中(3.2.2节中描述)。包括:锁相环、频率合成器、功率放大器、混频器、晶体振荡器和调制器等。3.2.1锁相环(PLL)一个基本的锁相环路由以下3个部件组成:压控振荡器(vco)、鉴相器(PD)和环路滤波器(LF),如图3-2所示。』避、1—riLJi—掣堕k。—广|。2。。】图3-2锁相环基本结构蚓Figure3-2BasicstructureofPLL当锁相环开始工作时,输入参考信号的频率E与压控振荡器的固有振荡频率f0总是不相同的,即f;≠岛,这一固有频率差△f=-fj—fo必然引起它们之间的相位差不断变化,并不断跨越2n角。由于鉴相器特性是以相位差2n为周期的,因此鉴相器输出的误差电压总是在某一范围内摆动。这个误差电压通过环路滤波器变成控制电压加到压控振荡器上,使压控振荡器的频率fo趋向于参考信号的频率£,直到压控振荡器的频率变化到与输入参考信号的频率相等,并满足一定条件,环路就在这个频率上稳定下来。两个频率之间的相位差不随时间变化而是一个恒定的常数,这时环路就进入“锁定”状态。当环路已处于锁定状态时,如果输入参考信号的频率和相位发生变化,通过环路的控制作用,压控振荡器的频率和相位能不断跟踪输入参考信号频率的变化而变化,使环路重新进入锁定状态,这种动态过程称为环路的“跟踪”过程。而环路不处于锁定和跟踪状态,这个动念过程称为“失锁”过程。下面对三个组成部分的相位模型进行推导:(1)鉴相器∞D)鉴相器是一个相位比较装置,用来比较输入信号与输出信号的相位,得出两个输入信号相位差的输出电压。鉴相器电路有不少种类,在课题系统无线射频芯片中集成了正弦形鉴相器,其工作的理论依据如下:若环路输入信号Ⅳ,(,)为:“,(f)=u。。sin[aJ,r+只(f)】(3-1)式中u。为输入信号振幅,脚,为输入信号角频率,只(f)为输入以其载波角频率珊。为参考的瞬时相位。压控振荡器的输出信号为:华南理J二人学硕士学位论文甜。O)=UomCOS[(-Ool+包p)】为了简化计算,把输入信号相位也写成以09.为参考角频率位可以表示为:09,r+o,t=∞。,+qf式中q,=(09,一珊。)f+只f输出的瞬时相位表示成09。r+Oot=09。t+Oj经过乘积鉴相器后,输出电压为:(3—2)这样,输入的瞬时相(3.3)(3-4)Ⅳ;(,)=世。“,(f)“。(f)=互1k‰Uomsin[2峨,+Or(t)+岛(f)J+i2x。U,mUotnsill旧(,)一巴(棚(3-5)再由低通滤波器滤除2090分量后得:“dO)=世。“,(f)“。(f)=1Kmuo.Uo,nsin[目.O)一BO)1=足sin0,,(3—6)这样鉴相器的相位模型可以表示为图3-3所示:图3-3鉴相器的相位模型Figure3-3PhaseModelofPD(2)压控振荡器(vCO)压控振荡器是一个电压-频率转换器,他的瞬时角频率甜。(,)受控制电压的控制压控振荡器的角频率.电压特性如图3’4所示:图中国。为未加控制电压时的振荡角频率,称为固有角频率。一般压控振荡器在原点附近都呈线性。可以近似表示为:∞o(f)=∞o+Kou。(,)(3-7)在环路中进行比较的不是角频率,而是相位。相位是角频率的积分,VCO的输出相位为:o(t)=I‰(t)dt=‰f+K。Ju。(t)dt(3_8)将上式与式(3—2)比较可得:岛(,)=Ko恤(伽‘(3-9)30JL 厂/。图3-4压控振荡器的角频率.电压特性Figure3-4珊-VCharacterofVCO第三章短距离无线数字通信实现VCO的相位模型如图3-5所示_互P图3-5VCO的相位模型Figure3-5PhasemodelofVCOf3)环路滤波器(LF)环路滤波器是线性网络,它主要由RLC电路以及运算放大器组成。它的输入电压为%(f),输出电压为/de(r)二者之间的关系用环路滤波器的传递函数F(s)频域表示为:Uc(s)=F(J)·Ud(J)(3—10)从上面三个基本组成部分分析,可以得到环路相位模型以及相应的计算方程如下:%(,)=Kdsin眈r(3·11)Uc(』)2I¨(r)们一fm(3-12)此式由上式卷积可得,式中厂(f)2瓦1eF(J№一ds目2(f)=K。I“。(t)dt(3-13)包2鼠(,)一幺(f)(3-14)环路的相位模型如图3-6所示图3-6环路相位模型Figure3-6PhasemodelofLF本文系统的无线射频工作在2.4GHzlSM频段,锁相环路除了以上的三个基本组成部分在芯片中还集成了一个可编程固定分频模数M的ECL分频器,首先它变输入参考频率就可以改变压控振荡器VCO的输出频率,为实际应用提供了方便;其次是提高输出频率的分辨率和降低鉴相器的参考频率,进一步提高输出频率的精确度和稳定度,ECL固定分频器的工作频率可高达几GHz。当环路锁定时,这种频率合成器的输出频率为fo=N(M‘)式中,M是固定的,N是可变的(可编程的),£是输入参考信号的频率,频率的间隔为Mfi华南理工大学硕十学位论文3.2.2低噪音(LNA)与功率放大(PA)电路11低噪音放大器(LNA)低噪音放大器一般是工作在接收器的第一级,它的主要功能是提供足够的增益来克服后续各级的噪声。除了提供这一增益而又附加尽可能少的噪声外,LNA应当接收大的信号又不失真,并且还必须对输入信号还原表现为一个特定的阻抗。LNA的主要技术指标有增益放大、输入阻抗、噪声系数、功耗、线性度等。由于课题使用到已经集成于芯片的LNA电路,在此不深入研究。2)功率放大器(PA)功率放大器可以分成几类,这主要取决于它们是宽带还是窄带,它们的目的是为了线性工作还是恒包络工作。功率放大器主要分成四种类型:A类、AB类、B类、c类,这四种放大器都可以通过一个模型来理解。功率放大器的通用模型如图3—7所示:图3.7功率放大器通用模型Figure3-7GeneralmodelofPA在这个一般模型中R代表负载电阻,电感BFL把DC功率送入晶体管的漏极,并且保证通过它的电流基本不变(假设足够大就可以)。漏极通过电容BFC连至一个振荡电路以防止在负载中有任何的DC功耗。3.2.3高斯滤波的移频键控(GFSK)在无线通信系统中,为了适应信道传输,必须对要传输信号进行调制解调。调制就是将要传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号。调制过程一般工作在通信系统的发端。解调就是在接收端将已调信号还原成要传输的原始数据。本文无线通信芯片集成了GFSK技术。高斯滤波移频键控就是在移频键控调制(FSK)的前端增加一个高斯低通滤波器,它是连续相位的恒包络调制。GFSK的调制的原理框图如图3—8所示:第三章短距离无线数字通信实现幽≮巫匠H叠酽弩图3-8GFSK原理框图Figure3-8GFSKblockdiagram其中高斯低通滤波器的冲击响应为(3-15)式砸)=尻exp(_,一/-2a,2t2m=腼式中,吃为高斯滤波器的3dB带宽。3.3硬件实现及主芯片NRF2401应用3.3.1无线通讯的硬件设计概述(3.15)本文项目系统无线射频传输电路采用挪威NORDIC公司推出的高集成专用射频传输芯片nRF240l,微处理器单元采用CYPRESS公司的带USB内核的CY7C64613芯片(第四章讲述),控制器芯片通过三线接1:3与射频芯片NRF2401进行数据传输和相关的初始化设置。无线射频芯片的外围器件较少,该部分的硬件设计十分简便。其硬件连接图3_3.6节中所示。3.3.2无线射频芯片nRF2401简要介绍nRF2401是挪威NORDIc公司生产的单片射频收发芯片,工作于2.4~2.5GHzISM频段,世界范围免费使用。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块,不再需要外部连接SAW(声表面)滤波器件。数据传输速率可以高达lMbps,满足快速无线传输的要求。芯片能耗小,以一5dBm的功率发射时,工作电流只有13.5mA,接收时工作电流只有18mA,多种低功率工作模式,节能设计更方便。125频道,频道间切换时间小于20us,支持跳频设计。其DuoCeiverT”技术使nRF2401可以使用同一天线,同时接收两个不同频道的数据。芯片工作电压1.9~3.6v,nRF2401适用于多种无线通信的场合。nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器,功率放大器等功能模块,需要很少的外围元件,因此使用起来非常方便。QFN24引脚封装,外形尺寸只有5x5mm。nRF2401的功能模块华南理T大学硕士学位论文如图3-9所示引脚说明如下表3一l所示图3-9nRF2401的功能模块框图Figure3-9nRF2401functionblockdiagram表3-1nRF2401引脚说明Table3-1nRF2401pinsfunction引脚名称说明lCE使能nRF2401工作于接受或发送状态2DR2频道2接收数据准备好3CLK2频道2接收数据时钟输入/输出4DoUT2频道2接收数据5CS配置模式的片选端6DRl频道1接收数据准备好7CLKl频道l接收数据时钟输入/输出8DATA频道l接收/发送数据9DVDD电源的正数字输出t0VSS电源地1lXCl晶振112XC2晶振213VDDPA给功率放大器提供1.8V电压14ANTl天线接口115ANT2天线接口216VSSPA电源地17VDD电源正端18VSS电源地19IREF模数转换的外部参考电压20VSS电源地21VDD电源正端22VSS电源地23PWRUP芯片激活端24VDD电源正端第三章短距离无线数字通信实现3.3.3nRF2401芯片工作模式nRF2401有工作模式有四种:收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR—UP、CE、‘rx二EN和cS三个引脚决定,如表3—2所示:表3-2nRF2401上作模式Table3-2nRF2401operationmodes作模式PWRUPCECS收发模式ll0配置模式lOl空闲模式10O关机模式0××1)收发模式nRF2401的收发模式有ShockBurstlM收发模式和直接收发模式两种,收发模式由器件配置字决定,具体配置将在器件配置部分详细介绍。·ShockBurs(u收发模式ShockBurstxM收发模式下,使用片内的先入先出堆栈区,数据低速从微控制器送入,但高速(1Mbps)发射,这样可以尽量节能,因此,使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行,这种做法有三大好处:尽量节能;低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射);数据在空中停留时间短,抗干扰性高。nRF2401的ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。在ShockBurstl”收发模式下,nRF2401自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时,自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时,自动加上字头和CRC校验码,当发送过程完成后,数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。·直接收发模式在直接收发模式下,nRF2401如传统的射频收发器一样工作。收发配置如下:(1)直接发送模式当微控制器有数据要发送时,把CE置高。然后射频的前端将被激活并且所有的射频协议必须在微控制器程序中进行处理(包括字头、地址和CRC校验码)。(2)直接接收模式一旦nRF2401被配置为直接接收模式,DATA引脚将根据天线接收到的信号开始高低变化(由于噪声的存在),CLKl引脚也开始工作。当接收到有效的字头,CLKl引脚和DATA引脚将协调工作,把射频数据包以其被发射时的数据从DATA引脚送给微控制器。并且所有的地址和CRC校验必须在微控制器内部进行。2)配置模式在配置模式,nRF2401含15字节的配置字,通过CS、CLKl和DATA三个引脚完成,具体的配置方法在下面内容描述。华南理工大学硕士学位论文3)空闲模式nRF2401的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计,其最大的优点是,实现节能的同时,缩短芯片的起动时间。在空闲模式下,部分片内晶振仍在工作,此时的工作电流跟外部晶振的频率有关,如外部晶振为4MHz时工作电流为12uA,外部晶振为16MHz时工作电流为32uA。在空闲模式下,配置字的内容保持在nRF240l片内。4)关断模式在关断模式下,为了得到最小的工作电流,一般此时的工作电流小于luA。关断模式下,配置字的内容也会被保持在nRF2401片内,这是该模式与断电状态最大的区别。3.3.4nRF2401芯片的器件配置设置nRF2401的所有配置工作都是通过简单的三线接口(CS、CLKl/DATA)完成,ShockBurst⋯收发模式需要15字节的配置字,直接收发模式只需要2字节的配置字。由上文对nRF2401工作模式的介绍,由于在直接收发模式下对MCU的要求较高,所以nRF2401一般工作于ShockBurstT”收发模式。(1)ShockBurst⋯的配置的配置ShoekBurstTM的配置字使nRF2401能够处理射频协泌,在配置完成后,在nRF2401工作的过程中,只需改变其最低一个字节中的内容,就可以实现接收模式和发送模式之间切换。ShockBurstT”的配置字可以分为以下四个部分:数据宽度:声明射频数据包中数据占用的位数。这使得nRF2401能够区分接收数据包中的数据和CRC校验码:地址宽度:声明射频数据包中地址占用的位数。这使得nRF2401能够区分地址和数据;地址:接收数据的地址,有通道1的地址和通道2的地址;CRC:使nRF2401能够生成CRC校验码和解码。当使用nRF2401片内的CRC技术时,要确保在配置字中CRC校验被使能,并且发送和接收使用相同的协议。nRF2401配置字的各个位的描述如表3—3所示。(2)直接收发模式配置在直接收发模式下仅最低(bit[15:0])的两个字节配置字相关。第三章短距离无线数字通信实现表3-3nRF2401配置字说明Table3-3nRF2401configurationwords位位数名称功能说明143:12024TEST保留Sh119:1128DpLTA2W接收频道2有效数据的长度OC1ll:1048DAI’A1W接收频道l有效数据的长度kB103:6440ADDR2接收频道2的地址,最高5字节Ur63:2440ADDRl接收频道1的地址,最高5字节st23:186ADDRW接收频道地址位数删8或16位CRC171CRCL16lCRCEN使能CRC校验常151RX2EN使能第二频道用14lCM通讯方式设置器131RFDRSB发射数据速率件12:103XOF晶振频率配9:82RFPWR发射输出电源置7:l7RFCH拌频道设置01RXEN接收或发射操作3.3.5nRF2401外围应用电路nRF2401外围应用电路原理图如图3.10所示图3.10nRF2401的外围电路原理图Figure3-10nRF2401schematicforperipherycircuitHII·_,r华南理工人学硕士学位论文nRF2401应用电路一般工作于3V,它可用多种低功耗微控制器进行控制。在设计过程中,设计者可使用单鞭天线或环形天线,上图为50欧姆单鞭天线的应用电路。在使用不同的天线时,为了得到尽可能大的收发距离,电感电容的参数应适当调整。3.4软件实现3.4.1无线通信协议本文项目无线通信采用ShockBursdM收发模式。我们主要对ShockBurstTM的配置字进行配置,使nRF2401能够处理射频协议,在配置完成后,在nRF2401工作的过程中,只需改变其最低一个字节中的内容,就可以实现接收模式和发送模式之间切换。在ShockBurstlM收发模式下,nRF2401自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时,自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时,自动加上字头和CRC校验码,当发送过程完成后,数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。F文给出了收发流程图及其相关配置说明。1)ShockBurSO”发射流程CPU接口引脚为CE,CLKl,DAl’A(1)当MCU(微控制器)有数据要发送时.其把CE置高,使nRF2401工作;(2)把接收机的地址(RXADDRESS)和要发送的数据按时序送入nRF2401系统;(3)微控制器把CE置低,激发nRF2401进行ShockBurstTM发射;(4)nRF2401的ShockBurst⋯发射给射频前端供电:(5)射频数据打包(an字头、CRC校验码);(6)高速发射数据包;(7)发射完成,nRF240l进入空闲状态。2)ShockBurst⋯接收流程CPU接口引脚CE、DRl、CLKl和DATA(接收通道1)(1)配置本机地址和要接收的数据包大小;(2)进入接收状态,把CE置高;(3)200us后,nRF2401进入监视状态,等待数据包的到来;(4)当接收到正确的数据包(『F确的地址和CRC校验码1,nRF2401自动把字头、地址和CRC校验位移去;(5)nRF2401通过把DRI(这个引脚一般引起微控制器中断)置高通知微控制器:(6)微控制器把数据从nRF2401移出;(7)所有数据移完,nRF2401把DRI置低,此时,如果CE为高,则等待下一个数据包,如果CE为低,开始其它工作流程。38第二章短距离无线数字通信实现ShockBursiⅢ收发模式的发送与接收程序流程图如图3—1I所示矗)图3-11ShockBurstTM收发模式的发送与接收程序流程图(A)发射、B)接收)Figure3-llFlowchartShockBurstTMreceive&transmitofnRF24013.4.2无线通信程序无线通讯程序的编写和调试都使用KElLC5l应用软件柬进行。使用C语言来编写,采用功能模块化结构,程序简洁可读性强,便于移植和重复使用操作。华南理上大学硕士学位论文在此主要对无线通信应用程序部分的配置程序,收发程序进行简要说明。1)nRF2401的相关配置程序代码:structRFConfig//RF配置结构{unsignedcharn;unsignedcharbufU5】;//共15个字节的寄存器单元);typedefstructRFConfigRFConfig;#defineADDR—INDEX8//RFConfig.buf的地址字节引导#defineADDRCOUNT4//地址字节数constRFConflgtconf=//发送寄存器设置{15,0x08,0x08,Ox00,Ox00,0x00,Ox00,0x00,Ox00,Oxaa,0xbb,0x12,0x34,0x83,0x6f,0x04//配置字);constRFConfigreonf=//接受寄存器设置{15,0x08,0x08,0x00,0x00,0x00,Ox00,0x00,0x00,0xaa,0xbb,0x12,0x34,0x83,0x6f,0x05//配置字};2)收发子程序代码:voidTransmitPacket(unsignedcharb)//发包子程序{unsignedchari;CE=1;for(i=0;i控制传输方式控制传输是USB传输中最重要的传输,只有执行完控制传输,才能进行下一步的其他传输。控制传输用来提供主机和设备之间的配置、命令或状态的通讯协议。控制传输包括三种控制传输类型:控制读取、控制写入以及无数据控制。其中又可以分成三个阶段:设置阶段、数据阶段以及状态阶段。其关联性如图4.4所示:USB拣湖传褡l挖蠲浚取接涮霹入戈数攒捧制}1 釜飘rl没羚输段黢攥阶浚状恣输段I图4-4控制传输关联图Figure4-4Controltransfersrelatingmap—i转炎型¨“i令阶毁华南理工大学硕士学位论文每一个USB设备第一次执行控制传输时,都将占用端点0和地址0。其中端点0是作为控制传输的特定端点。而地址0是外围设备~丌始的预留地址。每一个阶段其实就是一个数据交换的过程,为了清晰的描述每一阶段的实现过程,先对数据交换进行简单的描述。在USB接口中主要有两种数据交换过程,除等时传输外,其余三种传输都由三个阶段(令牌、数据、握手)来组成一个数据交换过程。而等时传输只包含两个阶段(令牌、数据)。设置阶段:设置阶段是控制传输的第一阶段,其作用是执行一个设置数据交换,并定义控制传输的内容。(在本文的设备列举阶段将详细描述其实现过程)数据阶段:数据阶段用来传输主机和设备之间的数据。在此以DATAl开头的8字节开始传输,然后以DATA0、DATAl交替进行传输(DATATOGGLE方式),在数据传输阶段又分成两种令牌的数据交换IN(主机到设备)、OUT(设备到主机)。若无数据控制传输就不需要数据阶段。状态阶段:状态阶段用来表示整个传输的过程已经完全结束。状态传输的方向应该与数据阶段的方向相反,即原来是IN令牌封包现在则为OUT令牌封包,反之,则反。>中断传输方式中断传输是一种“轮询”过程,因为USB不支持硬件中断,所以必须靠PC机以周期性的方式进行轮询。在此,轮询的周期十分的重要。对于全速设备的最高轮询速度也只能达到1KHz,所以它主要用于一些小数据量的低速传输。≯批量传输方式属于单向或双向传输。它主要用来传送大量的数据,由于批量传输是针对未使用的USB带宽来向主机提出请求的,它将不断的调整本身的传输速率。所以在本文课题系统中的视频数据传输采用该种传输方式,我们在USB设置阶段对USB传输带宽要进行必要的分配。》等时传输方式该传输方式需要维持一定的传输速率,因此相对的要牺牲一些错误的发生。它采用预先与PC主机协议好的固定带宽,以确保发送端和接受端的速度能够匹配。本文项目的声音传输采用到等时传输的方式进行。4.2USB接口的硬件与USl3芯片CY7C646134.2.1USB设备端硬件设计USB设备端的硬件使用到专门的USB接口芯片,国内外的厂家已经推出了上百种48第四章USB接口实现的支持USB设备端接口的芯片,主要有两种:一种是不带微处理器的;一种是带有USB微处理器的。第一种仅包含USB的串行接口引擎(SIEO、FIFO内存、收发器以及电压调整器等的芯片。最常用的是philips公司的PDIUSBDll/11A/12系列,美国国家半导体公司(Ns)的USBN9602/9603等。这两种芯片方案在USB接口硬件设计上没有太多的区别,一般的USB接口芯片都会提供3个引脚用于USB接口的硬件连接。●3.3V电平输出脚(Vdd)●D+●D.USB设备端的硬件连接没有太多的区别。图4.5是CY7C64613芯片的设备端硬件连接原理图。DISCON耻D+图4-5USB硬件连接原理图Figure4-5USBconnectingblockdiagram4.2.2USB芯片CY7C646134.2.2.1EZ—USBFX系列单片机CY7C64613简介EZ.USBFX是CYPRESS公司开发的一系列全速的USB芯片。CY7C64613芯片是CYPRESS公司生产的第二代全速USB芯片,芯片为128脚封装,其简化的硬件框图如图4-6所示。内部包含增强8051微处理器,USB收发器,串行接口引擎(SIE),最高16位的通用可编程接口(GPIF),8K字节的内部RAM与高速处理的UO。主要特征有:1.单片集成了USB收发器,串行接N(SIE),加强的8051微处理器2.兼容USB规范1.1和2.0版本华南理_[大学硕士学位论文多种软件操作模式。程序代码可以通过USB接口下载,也可以通过EEPROM装载还可以通过外部存储器(如FLASH)执行多端点操作通用的可编程接口(GPIF)集成12C兼容控制器DMA控制器无缝外部存储器扩展图4-6CY7C64613硬件框图Figure4-6CY7C64613blockdiagram4.2.2.2CY7C64613芯片寄存器及其应用CY7C64613寄存器众多,内容比较复杂,在此,主要对在设计过程中应用密切且重要的寄存器内容和设置做简要描述。◆批量数据缓冲区寄存器批量数据缓冲区共提供16个内存区域。本文系统图像采用批量传输,使用端点2,其缓冲区内存地址为1E00lE3F(IN2BUF)与】DC0~lDFF(OUT2BUF)。◆CPU寄存器CPU寄存器主要是对CY7C64613芯片进行相关的工作设置。其格式如下:该寄存器的参数~般是工作在只读状态,其中bit3预设置为24MHz8051时钟,并且在激活以后,8051就无法再更改这个时钟。Bit2作为CLKOUT脚位输出使能位,CLKOUT信号可以通过CLKOUT的浮接来加以除能,8051可以通过bit2来清除。当然CLKOUT很多情况不用,可以大大降低EMI的干扰。◆端点0控制与状态寄存器第四章USB接口实现OUTBSY,OUT端点忙碌位:当SETUP封包到达时,只读位0uTBsY自动清除。805l通过将字节计数值写入到EPOUTBC寄存器来设置OUTBSY位;1NBSY,1N端点忙碌位:当SETUP封包到达时,只读位OUTBSY自动清除。8051通过将字节计数值写入到EPOUTBC寄存器来设置INBSY位;HSNAK,握手NAK位:当sETUP令牌到达时,该位自动清除,805l会将“1”写入;EPOSTALL,端点0停滞位:当SETUP令牌到达时,该位自动清除,8051会将“l”写入。◆I/O端口寄存器CY7C64613提供了五个I/0口,其设置与配置基本一致。端口A/B/C作为一类,端13D/E为另一类。当PORTnCFG(n为A,B,C)=0时,端口引脚功能就是一般的I/O引脚如果将相对应的输出使能位设为高电平,数据会写入到所呈现I/O端口脚位的OUTn寄存器中(工作设置情况就与端13D/E完全一致),当PORTnCFG(n为A,B,C)=l时,这个脚位会设置成切换功能。下面是端口A(PORTACFG)的配置寄存器情况:RxD[I/O]out:UART[1/o]MODE0数据输出;FRD:快速读取闪控;FWR:快速写入闪控;CS:外部芯片选择:OE:外部内存芯片输出使能;T[1O]out:定时器I/0溢出脉冲输出。◆快速传输控制寄存器寄存器FISO:使能快速等时传输位,805l设置此位为“1”,使能所有16个等时端点FIFO来执行快速等时传输,相反设置“0”除能;FBLK:使能快速批量传输位,“l”为使能,“0”除能,由8051设置;RPOL:FRD脉冲极性位,RPOL=O,表示低电平激活,“1”表示高电平激活:RMODI/0:FRD脉冲模式位,设置FRD脉冲的相位与宽度:WPOL:FWR脉冲极性位,“O”表示低电平激活,“1”表示高电平激活;WMODI/0:FWR脉冲模式位,设置FWR脉冲的相位与宽度。此外,USB的中断控制,SETUP数据缓冲,等时传输等等都是在设计过程中十分关心的内容。在此处不一一介绍,具体设置可以参考相关的理论应用书籍。4,2.2.30Y7064613芯片外围应用电路CY7C64613芯片外围应用电路主要是一些基本的数字电路。但是在本文系统中,它还作为了无线通信芯片的控制器电路,所以在硬件电路的实际设计过程中应该考虑到华南理工大学硕十学位论文对身撷电路的干扰问题以及整个系统的稳定性。CY7C64613芯片外围硬件电路图如图4—7所示:图4.7CY7C64613芯片外围硬件电路圈Figure4-7CY7C64613peripheralcircuitdiagram4.3USB接口设备端的软件设计USB设备的软件设计是一个十分复杂的设计过程,工作量将十分的大。对于本文项目系统的外围应用程序的框图大体如图4-8所示:软件设计主要包括了USB的固件程序、Windows设备驱动程序和Windows主机应用程序的编制。本文主要针对USB设备端的软件设计进行说明。对于WINDOWS设备驱动程序和主机应用程序没有提及。US8设器cY7C646138051{趋魁挂f≯蚓纷图4-8USB系统框图Figure4-8USBsystemblockdiagram第四章USl3接口实现4.》1USB设备列举过程设备列举是USB设计过程是一个重要且复杂的过程。通过设备列举PC才能知道接上的USB设备所含的各种信息,这样才能进一步与USB设备丌始进行数据传输工作。设备列举简要的可以概括为5个步骤:(1)使用预设置的地址0取得设备描述符;(2)设置设备的新地址;(3)使用新地址取得设备描述符;(4)取得配置描述符;(5)设置配置描述符。5个步骤都必须符合控制传输的基本架构(三个阶段和三种类型)。下面就本文项目的设备列举设置过程进行描述:≯使用预设置的地址0取得设备描述符在这个步骤中,USB主机将会发出控制请求(端点0)给设备地址0(ADDR为0X00H),使其取得设备描述符的8个字节数据(在新地址时将取得完整的设备描述符),这一步是控制读取类型。其三个阶段的完整数据包格式如下:设置阶段找出设备请求的命令格式如下图4-9所示:SYNCSETUPADDRENDPfCRC5IDLEOXOlOXB4ioX00OX00lOX085SYNCDATAODATACRCl6IDLE0XOIOXB4__80一塑塑!!—!幽04000OXBB29f!SYNC__ACK匹!堕0XOIOX4B11335LEOP1DLE4图4-9设置阶段找出设备请求的命令格式Figure4-9LocatedevicerequestformatinsetupphaseDATA数据域说明:8006代表请求的类型,OO01表示了描述符的类型与描述指针0000为指针0000h或语言ID,40oo表示了描叙符的长度。数据阶段取得设备描述符格式如图4.10所示:SYNCj1NADDRlENDP1CRE5}IDLE0XOl0X96OX00OX00{0X08l5SYNCDATAlDATACRCl6IDLE—丝堕!!121211塑!!!!!!!!!!Q!!?E78_|SYNC|ACKIDLE0X0lOX4B1332L旦鲤—__堕业;4图4-10数据阶段取得设备描述符格式Figure4-10Obtaindevicedescripetorformatindataphase53华南理下大学硕士学位论文状态阶段完成设备请求格式如图4.1l所示:SYNCOUTADDRENDPCRC5IDLE0X010X870X00OX00oxos]5【SYNCIDATAODATACRCl6lIDLEOX01OXC3OX00004SYNCACKIDLEOXOlOX4B1332图4-II状态阶段完成设备请求格式Figure4一liCompletedevicerequestformatinstatephase上面是设备列举第一步完整的过程,其余步骤的设置与工作情况完全类似,完成依照USB通讯协议(4.1.4节中描述)。限于篇幅,在本文中不再一一描述。》设置设备的新地址设置新地址在USB规范中表示为“SET”。这个设备请求遵循控制_ADDRESS(05H) 传输的无数据传输协议,所以只有两个阶段(设置阶段和状态阶段)本文项目依据USB规范取得的描述符数据域为“OO0502OOoooo00”。从中可以看到设备的新地址为0X02。≯使用新地址取得设备描述符在这一步,USB主机将取得完整的设备描述符,在此将使用到设备的新地址。由于设备描述符为18字节,因此,必须分三次来取得设备的描述符。具体的参数为:“12叭0001000000086D040001460000000001”。≯取得配置描述符在这一步中,需要设备送出多种描述符:配置描述符、接口描述符、群组描述符、端点描述符(本文中使用到了设备的多个端点来实现不同的数据传输)。本文系统具体参数如下:配置描述符:09022200叭0l00A032接口描述符:090400000l03叭0100群组描述符:09210001000122端点描述符:07058l02080000≯设置配置描述符设置配置描述符也是一种无数据控制传输协议,其具体参数为:“00090100oo00OO00”。当主机与设备完成设备列举的步骤之后,外围设备就可以与主机进行数据传送和接收工作。要一一通过固件来加以实现是十分困难的。CY7C64613芯片已经由CYPRESS公司提供了相应的库函数来实现。我们在程序编写过程中不需要修改或重新编写。这将使我们的开发难度得到不小的降低。第四章USB接口实现4.3.2USB固件设计USB固件架构实现了USB兼容设备所需要的基本功能。经过链接最小的描述符表文件就可以无需编写任何固件程序代码,构建出完整兼容的设备固件架构设备。在本课题中使用CYPRESS公司的芯片CY7C64613,过链接CYPRESS所提供的子程序代码就可以构建出完全兼容功能的设备。固件构架的基本流程图如图4一12所示:图4.12固件架构流程图Figure4-12Flowchartoffirmware在本文系统USB固件设计中,由于考虑到无线的射频传输速度和无线音频信号的传输,我们使用了USB控制器的外部中断1来控制USB的视频传输。为了避免与USB中断的冲突,需要在工程中自己编写一个汇编文件,内容如下:csegat43hljmp2000hend此外,在编写的KeilC源程序中需要加行代码,以解决USB中断和外部中断的地址重叠问题。#pragmaintvector(0xlFFD)华南理工大学硕十学位论文#pragmainterval(4)为了增加USB传输数字视频信号的速度,采用USB的快速读写模式,在KeilC源程序中内嵌对USB进行寄存器设置的汇编代码。配置了USB的时钟控制寄存器,采用全速访问数据存储器,MOVX指令在两个机器周期内实行,时钟频率为24MHz,因此USB产生的读选通宽度为83.3ns。配置端口A,使能PORTACFG(16进制地址为7F93H)寄存器中的快速读FRD。配置快速控制寄存器FASTXFR(16进制地址为7FE2H),采用快速块传输,使能快速读写信号。为了将端点2缓冲匹配置成FIFO,增加读写速度,805l将端点2缓冲区(IN2)的首地址7E00H装入自动指针AUTOPTRH(16进制地址为7FE3H)和AUTOPTRL(16进制地址为7FE4H),并且DPTR指向AUTODAlA(16进制地址为7FE5H),也就是指向了FIFO寄存器,这样805l可以完全像FIFO一样访问端点2缓冲区。并且应该注意,批量端点是单向端点,我们在使用端点2时(批量端点)其IN2与OUT2的寻址地址不同。CY7C64613芯片的固件构架是由KEILC5lC编辑器与其整合开发工具所构建出来的,编译、调试工具由CYPRESS提供,支持CYPRESS公司USB单片机内核。表4.1列出构建本文USB接口固件架构所需要的各种文件。CYPRESS公司提供的开发平台已经提供了其中大部分的例程,用户在其基础上做相关的修改应用。表4.1USB接口固件架构所需要的各种文件1hble4.1FilesforUSBinterfacefirmware文件名称描述REG80320.H8051寄存器的声N(KEtL提供)共同的EZUSB常数/宏/数据类型以及函EZUSB.H数库内副函数雏形结构EZREGS.HEZUSB寄存器声N(KEIL提供)FW℃固件架构的原始代码PERJPH.C用户的副函数钩子的相关定义STAfUUPA51固件构架的起始程序代码(KEIL提供)DSCR.A5lUSB描述符表范例EZUSB.LIBEZUSB函数库对象程序代码BUILD.BATBatch文件,用来构建出固件构架4.3.3设备端程序设计微控制器的应用程序任务主要是监视设备的状态,自动产生状态信息和用户命令信息,同时完成主机与设备之间的USB总线通讯,自动处理主机的控制和查询命令等等。按其功能大体分成五个模块:》USB控制服务例程>命令处理器第四章USB接口实现>批量图像数据传输模块》等时声音数据传输模块≯报告处理器USB控制服务例程处理USB的不同的通讯信息(如令牌、数据或应答等),发送端点0的SETUP、IN、OUT等控制信息给命令处理器,另外协助报告处理器发送待决的报告给等时传输端点,而图像数据报告的内容则由图像输入模块生成。命令处理器模块的主要实现过程就是固件函数部分内容(上面已述)。由于本文USB系统被定义为视频设备,它不仅需要响应标准的USB协议要求还要响应视频设备子协议的要求。同时为了完成视频、音频数据信息的传输,设备还必须支持批量端点和等时端点。另外为了使数据能被BIOS正确解释,USB设备必须按照报告定义的格式输入。报告处理器负责按规定格式转换无线射频接收到的数据(视频信息),并请求等时服务例程发送报告。图声传输模块则随时准备接收无线射频发来的图像和声音数据,修改报告数据字节,待一个完整的数据包接收完成后即通知报告处理器。4.4本章小节本章主要介绍了USB接口的实现过程。介绍了USB的基本结构和原理以及接口实现的设备端硬件和软件的设计情况。USB协议没有对USB硬件的开发带来多大的难度,主要问题在于芯片的选择。现在提供USB功能的芯片和方案太多,但是真正能方便的实现USB协议的不多。有不少芯片在开发过程中都出现一些问题,这是设计者在进行方案设计需要考虑的。USB设备开发的工作量绝大部分都集中在软件的设计上,包括设备端的协议栈实现和WINDOWS下的驱动程序的编写。本文仅对设备端程序设计进行了说明,编写过程中需要大量的文档和程序例程和专业技术书籍。USB项目开发本来是十分复杂的。限于篇幅,本文仅简单的描述其基本概念和开发的基本流程。华南理工大学硕十学位论文第五章系统实现过程中几个技术问题5.1DSP实现图像数字化处理的探讨图像处理的DSP实现技术是一个十分复杂的过程,在本文的第二章对本文系统的实现进行了简单的描述和说明。DSP作为数据处理芯片具有得天独厚的优势。它在算法处理上有强大的功能,但是其控制功能相对较弱。有时为了实现系统的复杂的控制功能,系统还要使用到单独的控制器单元(单片机或ARM)。6“文已经提到,图卢处理系统的最人特点是就是运算数据量人,数据量往往大于片内存储器容量。不仅如此,图像处理系统之中,运算过程产生的中间数据往往与源数据大小相当,这也限制了片内高速1莩储区的使用。然而为了提高处理的速度,计算源数据、中问数据必须尽可能多地在片内高速存储区进行,因此,使用直接存储器访问(DMA)在片内高速存储区与片外低速存储区之间进行数据交换成为了必要,以提高数据处理速度。另外,数据的排列往往不符合程序的要求,必须财数据进行重排达到程序要求。本文使用CPLD对数据重排后按照程序要求传送到外部的数据存储区。与数据重排如出一辙,图像处理中许多操作的基础都是对多重数组的操作,也就是矩阵运第。诸如求逆、取子图等图像处理中经常用到的运算。这吵j运算当然可用C语言编程实现,但是,如果程序实现足一个多熏循环,不利丁=:软件流水线操作,|=面且随着数据龟的增加,消耗的时钟周期也会成比例增加;使用并行汇编方式实现在时钟消耗卜可以有所减少,但是在实时性上还是升i进完美。本文通过DMA模块柬直接读写外部数据存储区中已经符合程序要求的数据.使其一个时钟周期内来完成运算过程。5.2高频电路印刷电路板(POB)设计PCB(primedcircuitboard),印刷电路板是电子产品的基石。PCB设计的好坏将直接影响到产品的性能和使用寿命1431。下面主要讨论其设计的步骤和相关的设计注意事项不讨论印刷电路板的制造工艺和原材料的要求。硬件设计的第一步就是进行原理图(scH)的设计,我在硬件电路的SCH/PCB设汁时使用PROTEL,PROTEL是EDA工具软件的流行家族,作为常用的电路图设计软件,在此不再对其功能和使用作介绍。在进行原理图设计之前是了解相关的电路原理框图,通过借鉴开发板/评估板或核心芯片的开发手册进行原理图的设计。在原理图设计时,元件都来自于元件库,我们得对在PROTEL元件库中不存在的元器件进行封装,这样就可以设计出SCH束。这是一步第百章系统实现过程中几个技术问题相对简单的工作,当然对于复杂系统的SCH画出也将是一个繁琐的过程。完成了原理图的设计之后,就是开始PCB的设计工作。首先是设定好电路板材的大小尺寸和使用空间,这是必须考虑的,否则完全有可能设计出电路板与机箱或模具不配套的情况。接下来就是排列元器件和布线工作了,元器件的封装选择一般在原理图设计时已经完成,通过装在网络表文件就可以自动装在PCB元件库中相应的元件。r1)元器件的布局。元器件的布局是PCB设计的第一步,合理的布局不仅可以增加PCB的视觉美感,还可以提高产品的性能,特别是电磁兼容水平。PCB元器件布局的基本原则1431是:按照电路信号的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能的保持一致方向:应该以核心元器件为中心,围绕它进行布局,尽量减少和缩短各个元器件之间的引线或连接;对于高频工作电路,电路的分布参数考虑成为了必要;尽量缩短高频元器件之间的引线或连接,设法减少它们之间大分布参数和相互间的电磁干扰:板上强电和弱电信号的隔离应该严格的分开布局,避免不必要的信号干扰;考虑整机的结构要求,对于机内调节元器件的布局应该考虑实用性和方便的原则。(2)布线。在完成了上述的元器件的布局工作以后就是进行布线工作。布线应该尽量减少传输延时、传输线不存在反射和串扰、减少信号损耗等。在布线时,需要注意的几点:对所有信号线进行分类,对控制、数据、地址总线进行分类,先布时钟和敏感信号线,再布高速信号线,主要是保证此类信号线的过空足够少;在传输线的拐角处一般走成圆弧或135度角,主要是考虑其电器性能;对于高频部分的走线要考虑到传输线的高频特性。在完成了元器件的布局和布线工作以后,PCB设计工作还需要进行检验工作:我们主要是进行NRC(电器网络规则检验)检验,NRC检验不到电路的原理错误,主要是对板上元器件的相关电器特性进行检测,对线宽、线间距和过空摆放的检测具体的相关设置在PROTEL工具书里面有详细介绍。这是电路板制作前的必须步骤。另外就是进行电磁兼容的测试在电路设计过程中也是相当重要的环节,电磁兼容在下一小节将具体介绍。完成了元器件布局与布线及相关的检测和检查工作之后,PCB的设计就已经基本完成,最后就是PCB试验板的加工和元器件的焊制与调试,课题系统中使用的PCB板都是FR4材料的1.6mm双层PCB板。华南理T大学硕士学位论文5.3高频电路的电磁兼容(EMC)问题研究5.3.1电子元器件的高频特性在课题系统的射频硬件电路部分,由于采用了高集成的射频芯片,其外围的元器件比较的少,主要是一些L/IiJC和晶体振荡器,但是由于工作频率很高(UHF),所以对外围元器件的高频特性在电路硬件设计过程中必须加以考虑。课题系统中射频电路采用的电阻、电容都是较小的封装形式0603,并且对于射频电路板的尺寸做了最小优化。在高频电路中电阻、电容和电感的特性都与与在纯数字电路中都不太一致。元器件在高低频的不同特性图如图5-1所示:鬣蹶特谯镑线——}皂瓣l√妒A一高颧豁住—_vyrr——V\^r一—市,ttN-4卜~——————州≥l燃——_州卜图5-l元器件在高低频的不同特性图Figure5—1Differencecharacteristicbetweenhigh&lowfrequencychart在纯数字电路中,电阻主要是作限流和固定电平,即所谓的上拉和下拉,而在射频系统中,特别是在GHz以上时,电阻的引线电容和电感都是设计时需要考虑的问题。并且对电磁干扰(EMI)产生也是有贡献的。电容的使用在数字电路中是最为广泛,当电路的频率超过了电容的自谐振频率时,现象,EMI现象就会发生。主要有旁路、滤波去耦和储能等作用。但是电容将出现电感特性,这时电容将出现短路电感在数字电路中对EMI有抑制作用,但是电感阻抗随着频率的增加而增加,高频信号的传输也将受到影响,在本课题系统中使用到的电感较少,一般采用高频特性很好的铁氧体。5.3.2电磁兼容与抗干扰技术电磁兼容(EMC)是一个产品和其他产品共存于特定的电磁环境中,而不会引起其他产品或自身性能下降或损坏的能力。电磁兼容包括两方面的内容:一是发射性;二是抗扰性。(电磁骚扰性和电磁敏感性)。当电磁兼容问题发生时都必须符合三个条件‘43删:60第五章系统实现过程中几个技术问题1)存在一定的噪声源;21存在着易受干扰的敏感设备或器件;31存在干扰传播的途径。所以解决所有电磁兼容问题的思路也是从这三方面入手,即要想办法抑制噪声源,切断传播途径,保护敏感设备和器件。在课题系统中具体的电磁兼容考虑有:1)电源的采用和布线,若电源的干扰能够很好的解决,电路的干扰问题就解决了一半,由于高频电路对电源噪声很敏感,所以在设计中各电路电源的滤波电路和稳压是必须的。在系统硬件电路中采用的是分布式供电,芯片的工作电压来源于板上的直流电源模块,其输出电压能满足一级精度要求。另外,电源部分的设计中,应该考虑过流保护,过压保护,欠压告警等。课题系统电源设计中使用到瞬态电压抑制器(TvS管)来实现防雷击,TVs管是一种新型的半导体保护器件,原理就是利用二极管的雪崩效应。2)高频电容的处理,在课题系统高频电路中电容的使用是相对来说最多也是处理比较复杂的一个环节。实际上高频电路中的电容相当于一个LCR回路。L称之为等效串联电感(ESL),R称之为等效串联电阻(ESR)。设计中对每一Ic并接一个0.01.0.1uF的高频电容,减少IC对电源的影响,并且对旁路电容的布置应该尽量接近IC,减小环路面积。在前提到课题系统使用到的0603封装电容就是为此考虑,因为它有比较小的ESR与ESL。3)对PCB元件布局和布线考虑。尽量减少传输延时、传输线不存在反射和串扰、减少信号损耗等。与直流或低频电路不同,高频电路的传输线是一个分布式参数系统,描述它的两个基本参量是特性阻抗和传输常数。特别是在数字化产品越来越高速化的今天,对PCB的走线要求更高,因为PCB传输线效应成了电路诈常工作的制约因素。在上面的小节中对元件的布局和布线规则已经作了一定的说明。一般情况下,如果依照了PCB设计小节中提到的相应规范.并且完成相关的电子电气检测,PCB的设计都将不会出现太多的不理想情况。5.4系统整合中的问题系统整合包括硬件和软件两个方面。硬件上主要是考虑电路本身的电气特性,例如:电平兼容,电磁兼容,接口兼容等等方面。对于硬件的整合不算太难,我们可以参照相关的设计手册和设计规范来进行我们的电路原理图设计。软件的整合在本文系统中是一个不小的挑战,由于采用了多种通讯协议和程序编写方式,并且在系统的实现过程中受到硬件本生的许多限制。首先我们得考虑系统的整体软件结构。本文软件可以分成三大块(前文己述):1)DSP软件部分主要是实现图像和声音的算法运算,并且控制图像采集硬件电路的初始化和相关器件的设置与配置。算法程序实现的工作量比较巨大;2)无线软件部分相对比较容易,主要是实现无线通道的建立,然后进行图像和声音数字信号的传输;3)USB华南理下大学硕士学位论文软件设计也将是一个复杂的过程。虽然CYPRESS公司提供了大量的例程和源码,但是由于USB设计本身的复杂性,对USB芯片众多的寄存器设置以及USB通讯协议的理解将是开发人员面f临的一道难题。其次,就本文系统而言,无线射频部分并不识别图像和语音信号且使用同一接口进行传输。为了使显示和回放部分能够正确的区分图像和声音信号,我们在软件设计的过程中使用相关的控制编程实现。当完整的一帧图像数据处理完成之后,DSP与无线射频芯片有一个令牌信号(通知为图像数据信号),要求申请占用无线通道。语音数字信号进过DSP的相关处理会使用无线通道的不同频点来发送。5.5本章小节本章作为论文的最后一章,主要回顾本文系统研发过程中出现的一些技术难题和需要注意的设计研究经验。本人抛砖引玉的介绍,希望对以后一些相关行业的研发人员有一定的启发意义与借鉴作用。研究总结与展望研究总结与展望本文的主要工作可以概括为以下三点:1)设计了完整的图像、声音处理系统,包括硬件设计和基于DSP的软件开发。实现了图像、声音的采集和传输。图像声音采集系统,我们可以考虑设计多种接口,例如:扩展GPRS接口,TCP/1P接口来实现GPRS或以太网的图像、声音传输。2)通过采用专用的无线射频芯片,实现了短距离的射频通信。设计了完整的硬件电路和基于5l内核的无线通讯应用程序,实现了图像、声音数字化信号的短距离无线传输。短距离的无线射频作为当今的热门技术,必将具有十分广阔的应用前景。考虑到以后设备与技术的通用性,我们对无线射频部分进行了单独的设计,无线通讯协议并不区分数据格式和类型,仅仅作为透明的传输通道,所以它即可以传输图像、声音数字信号也可以传输检测或控制领域的各种信号。3)分析了USB接口的设计过程,介绍了USB的通讯协议,USB接口的硬件设计以及设备端软件设计过程。具体分析了嵌入式USB接口实现的整体方案,对大家进行USB接口设计具有一定的指导意义。本文课题系统的以上三步工作是相对独立的设计,可以应用到不同的设计场合,具有很大的实用价值。但是,本文项目系统在设计过程中还存在一些缺点和不足之处,主要表现为以下几点:1)对于图像的压缩,我们使用的是MJPEG压缩编码方式,由于MJPEG本身的一些缺陷,使得压缩比不高,且图像数据还存在大量的冗余,实时性不是十分理想,并且它并不能对声音进行编码等。我们可以考虑在以后的研发中使用其他更加合理的编码方式,如:MPEG2、H.263等编码方式。另外本文图像和声音信号的采集和处理是分开进行,使其同步胜还有待提高。2)本文中短距离的无线射频通讯受到专用无线射频芯片传输速率的影响,对数字化图像、声音的大数据量传输的实时性还有许多不尽人意的地方。3)本文系统使用PC机作为图像的显示与声音的回放部分,造价太高且灵活性不高,可以考虑采用嵌入式的显示开发。比如采用液晶电视显示就更加方便且应用成本降低不少,使产品更加具有竞争力。参考文献【1】刘毓敏编著,数字图声信息技术,北京:科学出版社,2003.【2】NathanJMuller著,周正等译,Bluetoothdemystified,北京:人民邮电出版社,2001.[3】无线局域网技术概述,WVdW.51Im.com[4】当前六种焦点近距无线技术综述,www.yesky,com一[5】Nordic官方网站,—www.nor—dic.com[6】迅通科技有限公司,RF设计指南,.www.freqchina.com[7】刘毓敏等,数字视音频技术开发与应用,北京:国防工业出版社,2003.[8】刘富强编,数字视频信息处理与传输教程,北京:机械工业出版社2004.[91戴逸民等编,基于DSP的现代电子系统设计,北京:电子工业出版,2002.flO]清源科技著,TMS320C54XDSP硬件开发教程,北京:机械工业出版社2004.【11】清源科技著,TMS320C54XDSP应用程序设计教程,北京:机械工业出版社,2004.112】张雄伟,曹铁勇著.DSP芯片的原理与开发应用(第2版),北京:电子工业出版社,2000.【13】OmniVisionTechnologies,Ov6620CMOSSensorDataSheet,2000.【14】TexasInstuments,TLV320AD545SingleChanneData/FaxCodecDataManual,2000.【15]TexasInstuments,TMS320VC5402DataSheet,2000.【16]MAXIM,MAX748ADataSheet.迎塑出21地:£Q也[17]MAXIM,MAX706DataSheet,塑鲨塑:21遮:£Q堡[18】AlteraCorporation,MAX3000AProgrammableLogicDeviceFamilyDataSheet,2003.f19]SiliconStorageTechnoJogy,Multi.PurposeFLASHDataSheet,2000.[20]TexasInstuments,SN54ALVTHl6244DataSheet,1999.【21]Chi—TsongChen(美)著,DigitalSignalProcessing—spectralcomputationandfilterdesign(Thirdedition),北京:北京电子工业出版社,2002.[22J沈兰荪等著,视频编码与低速率传输,北京:电子工业出版社,2001.[23]姜雪松等编,硬件描述语言VHDL教程,西安:西安交通大学出版社,2004.f24】J.C.Whitaker(美)著,张雪英刘建霞泽,数字音频技术宝典,北京:科学出版社,2004.参考文献【25】精英科技著,视频压缩与音频编码技术,北京:中国电力出版社,2001.[26]郑相全等著,无线自组网技术实用教程,北京:清华大学出版社,2004.[27】罗伟雄,锁相技术及其应用,北京:理工大学出版社1989.【28】ThomasH.Lee著,TheDesignofCMOSRadio—FrequencyIntegratedCircuits,余志平等译,北京:电子工业出版社,2004.【29]郭梯云等编,移动通讯,西安:西安电子科技大学出版社,1995.[30】NordicVSLIASA,SingleChip2.4GHzTansceivernRF240lDataSheet,2003【3l】NordicVSLIASA,nAN2401设计指南,2003.[32]NordicVSLIASA,A/4PrintedMonopoleAntennaFor2.45GHzWhitePaper,2003.[33J黄智伟,射频集成电路芯片原理与应用电路设计,北京:电子工业出版社,2004.[34】吕保维王贞松编,无线电波传播理论及应用,北京:科学出版社,2003.【35】徐爱钧等编,单片机高级语言C5IWINDOWS环境变成与应用,北京:电子工业出版社,2001.【36】许永和著,USB外围设备设计与应用,北京:北京航空航天大学出版社,2002.【37】肖踞雄等编,USB技术及应用设计【38]USB技术官方网,www.usb.org[39】CypressSemiconductorCorporation,2003.[40]CypressSemiconductorCorporation,Sheet。2003.北京:清华大学出版社,2003EZ—USBFXManualTechnicalReference,EZ·USBFXTMUSBMicrocontrollerData[4I]Cypress,CY7C64613Application,www.cypress.com[42】王云飞,USB系统研究,清华工程硕士毕业论文,2001.[43J顾海洲马双武编,PCB电磁兼容技术,北京:清华大学出版社,2004[44】滕旭等编,电子系统抗干扰实用技术,北京:国防工业出版社,2004.【45】http://www.6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未知小蚂蚁

贡献于2013-05-19

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