图像数据无线传输系统设计与实现

华中科技大学
硕士学位论文
图像数据无线传输系统设计与实现
姓名：***
申请学位级别：硕士
专业：光电信息工程
指导教师：***
20090514
摘要
随着图像采集技术的发展，成像系统实现了高帧频、高分辨率、高可靠性及微型化，在目标跟踪、智能交通监控中得到了越来越多的应用，并向更加广泛的军事及民用领域扩展，与此同时，无线集成射频芯片技术的日益成熟和DSP,FPGA等嵌入式技术的快速发展和广泛应用使得无线传输图像数据成为了可能。

本论文研制的基于DSP的图像数据无线传输系统，是通过使用数据处理速度快，运算能力强、精确度高，数据接口种类多的数字信号处理器来搭建的图像数据无线传输的硬件平台。

这个图像数据无线传输系统分为数据发送和接收二部分，第一部分是数据发送端，它的主要任务是采集，压缩，存储，无线发送图像数据。

第二部分是数据接收端，它负责图像数据的接收，显示并将图像数据传送到计算机，计算机接收到的图像数据存储格式为位图格式。

本论文基于图像采集和数字信号处理器控制提出了图像数据无线传输系统设计方案，分析了数据传输过程中的关键技术，介绍了控制图像数据无线发送过程的实现方法，重点论述了数字信号处理器、CPLD、无线射频芯片和存储器之间的接口问题。

图像数据的无线发送中，着重讨论了控制芯片和无线射频芯片之间的接口问题和实现方法。

本系统采用了nRF24L01射频芯片，TMS320VC5402数字信号处理器（用于发送），TMS320VC5509A 数字信号处理器（用于接收），XC95288XL7TQ CPLD芯片用于图像数据采集，并从硬件和软件两个方面详细阐述了整个过程的设计与实现，并对整个系统的相关功能和性能指标上进行了测试。

测试结果表明，本无线传输系统具有体积小，功耗低，数据传输稳定，抗干扰能力强等优点,可以很好的应用在无线图像数据采集及其他短距离数据无线传输的场合。

关键词：无线传输图像数据图像采集无线射频数字信号处理器
Abstract
With the development of image-collecting technology, the system of image implements the high-speed rate of frame、high-resolution、high reliability、and Miniaturization, it has be widely used for target tracking、Intelligent Traffic Monitoring and has been developed for the use of home and military. Meanwhile, the technology of wireless RF chip has become much more mature, the rapid development of and widely use of DSP、FPGA、Embedded technology makes the wireless transmission for image data true.
This thesis develops the wireless transmission system which is based on DSP for image data. It is also for putting up the hardware platform of wireless transmission for image data through Digital Signal Processor which has high speed of processing data、power of computing、high accuracy、many kinds of data interfaces. This wireless transmission system for image data is built up with data sending part and data receiving part: the part of data sending port is responsible for collecting、compressing、storing and wirelessly sending image data. The other part of receiving data is responsible for receiving image data and transferring them to computer, the storage format of image data is bitmap.
This thesis based on the image data collecting and Digital Signal Processor controlling develops the design of wireless transmission system for image data, analyzes the key technologies of data sending, introduces the ways of implementing wireless transmission for image data, discusses the interfaces among Digital Signal Processor 、CPLD、memory unit. In the procedure of wireless transmission system for image data, it focuses on the interface issue and ways of implementing between the controlling chip and Radio Frequency chip. This system chooses nRF24L01 Radio Frequency chip、TMS320VC5402 Digital Signal Processor chip(used for sending)、TMS320VC5509A Digital Signal Processor chip(used for receiving)、XC95288XL7TQ CPLD chip(used for collecting image data), and expounds the design and implement of whole system from hardware and software.
Through plenty of theoretical studies and practices, completing the design and implement of system，testing functionality and performance-related indicators of the entire system based on the design of hardware and software of Radio Frequency module. Test
results show that the wireless transmission system has small size, low power consumption, data transmission stability, anti-interference ability, etc. It can be well used in wireless image data acquisition and other short-range wireless data transmission occasions.
Key words: Wireless transmission Image data Image collect
Radio Frequency (RF) Digital Signal Processor (DSP)
独创性声明
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尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

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1 绪论
1.1 课题来源及国内外概况
随着半导体技术，集成电路，嵌入式技术，图像采集技术以及通信技术的飞速发展，使得作为一种重要的信息表达形式的图像数据技术已经发展到了一个成熟的阶段，然而原有的有线传输图像数据技术在当今已不能满足工业、农业、军事、和人们日常生活的需要，由于大规模集成电路、计算机和通信技术的迅速发展和相互渗透，提出了无线传输的概念，所以本课题所要设计和实现的正是图像数据的无线传输系统。

图像数据无线传输技术从应用层面来说分为两大类，一是固定点的图像监控传输系统，二是移动视频图像传输系统[1]。

由于无线频率资源的日渐珍贵，为图像数据无线传输技术的应用提供了广阔的市场前景[2]，因而受到了世界各国工业界与研究机构的广泛关注。

近来图像数据无线传输技术主要应用于有线闭路监控不便实现的场合[3]，比如港口码头的监控系统、河流水利的视频和数据监控、森林防火监控系统、城市安全监控，公安指挥车、交通事故勘探车、消防武警现场指挥车和海关、油田、矿山、水利、电力、金融、海事，以及其它的紧急、应急指挥系统[4]。

相关有代表性的图像无线传输技术有2.4 GHz ISM频段的多种图像传输技术，3.5 GHz频段的无线接入系统，5.8 GHz WLAN，26 GHz频段的宽带固定无线接入系统，CDMA、GPRS公众移动网络传输图像，WiMAX，无线网格（MESH）技术等[5]，对于固定无线图像传输，我们可以采用成本较低的WLAN技术产品[6];对移动视频图像传输可以采用公众移动网络或专用无线图像传输技术,这些技术迅速占领市场，受到普遍欢迎[7]。

本课题是基于短距离无线通信技术的发展和嵌入式技术的应用，开发一套可以实时传输并具有图像存储功能的无线传输系统。

该系统采用二块DSP芯片分别作为发送端和接收端的控制核心，使用二块无线射频芯片进行图像数据的发送和接收，使用CMOS的数字摄像头和CPLD芯片完成图像数据的采集控制，使得非常简便的得到了数字化的图像数据，避免了从模拟信号到数字信号的复杂转换，而且发挥了数字图像便于保存，传输，共享，处理的优越性。

在大部分实际应用场合，并不一定要求连续的活动图像传输，能在有限的时间捕捉到需要的画面帧数或在分秒的数量级内传输数幅静止图像数据就可以了。

例如在军
事战场上的红外监控，夜间楼宇安全监控等等[8]。

这些场合要求图像收发设备轻巧灵活、使用方便、图像清晰、成本低，源于这些需要设计了图像采集系统。

大规模可编程集成电路、CMOS数字摄像头和CPLD芯片、数字信号处理芯片的出现为图像数据无线传输系统的微小化、智能化提供了可能。

1.2 无线传输技术的应用和发展
本系统要求的图像数据无线传输系统是使用无线射频芯片进行图像数据的发送和接收。

数据无线传输的标准也是种类繁多的。

目前主要有以下几种标准。

(1) 2.4 GHz ISM(工业，科学，医学)频段的多种图像传输技术
2.4 GHz的图像传输设备采用扩频技术，其中有跳频和直扩两种工作方式。

跳频方式抗干扰能力较强，速率较低，吞吐速率在2 Mbit/s左右。

直扩方式抗干扰性能较差，但有较高的吞吐速率，且不能多套系统同时使用相同地址。

2.4 GHz图像传输可基于IEEE802.11b[9]协议，传输速率为11 Mbit/s，实际有效速率为
3.8 Mbit/s左右。

后来制订的IEEE802.11g协议，速率上限达到54 Mbit/s[10]，该标准互通性高，点对点可传输多路MPEG-4的压缩图像。

(2) 3.5 GHz频段的无线接入系统
3.5 GHz的无线接入系统是一种点对多点微波通信系统，采用FDD双工方式，基于DOCSOS的通信协议。

其工作频段相对较低，电波自由空间损耗小，传播雨衰性能好，接入速率足够高，且设备成本相对较低。

该系统具有相对良好的覆盖能力，通常达到5 km～10 km，适合地县市级单位，低价位、较大面积覆盖的应用场合。

目前存在的问题是带宽不足，只有上下行各30 MHz，难以大规模使用[11]。

(3) 5.8 GHz WLAN产品
5.8 GHz的WLAN产品采用正交频分复用技术[12]，在此频段的WLAN产品基于IEEE802.11a协议，传输速率可以达到54 Mbit/s。

在点对点传输应用的时候，有效速率为20 Mbit/s;点对多点的情况下，每一路图像的有效传输速率为500 kbit/s左右[13]。

对于无线图像的传输而言，基本上解决了“传输高清晰度数字图像”问题，使得大范围采用5.8 GHz频段传输数字化图像成为现实。

WLAN传输监控图像，目前比较成熟的是采用MPEG-4图像压缩技术。

这种压缩技术在500 kbit/s速率时，压缩后的图像清晰度可以达到1CIF(352×288像素)～2CIF。

在2 Mbit/s的速率情况下，该技术可以传输4CIF（702×576像素）的图像。

容易实现
网络化、智能化的数字化城市安全监控系统。

5.8 GHz频段的WLAN产品空中接力不好，点对点连接很耗费很大，不适合小型设备，技术成本过高，同时5.8 GHz频段在部分地区面临频谱管制[14]。

(4) CDMA技术
CDMA无线网络的移动传输技术具有很多优点:保密性好、抗干扰能力强、抗多径衰落、系统容量的配置灵活、建网成本低,相对与IEEE802.11协议更完善等[15]。

CDMA 采用MPEG-4压缩方式，用MPEG-4的CIF格式压缩图像，可以达到每秒2帧左右的速率;如果将图像调整到QCIF格式，则可以达到每秒10帧以上。

采用多个CDMA网卡捆绑使用的方式可以进一步提高现场图像的实时传输速率和无线信道的传输速率。

(5) GPRS技术
GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，支持特定的点对点和点对多点服务，以“分组”的形式传送数据,比IEEE802.11协议更安全，保密性更好[16]。

GPRS峰值速率超过100 kbit/s，网络容量只在所需时分配，这种发送方式称为统计复用。

(6) WiMAX
WiMAX是点对多点的宽带无线接入技术，WiMAX采取了动态自适应调制、灵活的系统资源参数及多载波调制等一系列新技术，并兼具较高速率传输能力及较好的安全控制[17]。

WiMAX 802.16e覆盖范围可以达到1～3英里，主要定位在移动无线城域网环境[18]。

然而802.16e获得足够的全球统一频率存在一定难度，而且建设成本和设备价格较高[19]。

凭借其在任意地点的1～6英里覆盖范围(取决于多种因素)，WiMAX将可以为高速数据应用提供更出色的移动性[20]。

本课题综合考虑了公用频段的有效使用率和性价比，决定采用2.4GHZ的公用频段作为图像数据无线传输的频率通道。

1.3 DSP系统的组成及其特点
DSP系统的核心部分是DSP芯片，本系统采用二片不同的DSP芯片分别用于图像数据的采集发送和接收传输。

型号分别是 TMS320VC5402 和TMS320VC5509A。

TMS320VC5402属于TI公司C54系列的DSP芯片[21]，用来控制采集图像和发送图像数据，具有很高的操作灵活性和速度。

它具有一个先进的修正哈弗结构，专门硬件逻辑的CPU，片内存储器，片内外设和专用的指令集[22]。

CPU
先进的多总线结构：1条程序总线，3条数据总线和4条地址总线
40位算术逻辑单元，包括一个40位的桶式移位器和两个独立的40位累加器
17×17为并行乘法器和一个40为专用的加法器，用于非流水线的单周期乘法或者累加操作。

比较，选择，存储单元，用于维特比算子的加法，比较选择。

(1) 存储器
192K字×16位可寻址的存储器空间(64K字的程序空间，64K字的数据空间和64K字的IO)
(2) 指令集
单指令重复和块重复操作
用于程序和数据管理的块存储器移动指令
2或3个操作数同时读的指令
(3) 片内外设
软件可编程的等待状态发生器
可编程的存储器转换
(4) 25/20/15/12.5/10/6.25ns 单周期，定点指令行周期。

(5) 仿真标准含IEEE 149.1标准
TMS320VC5509A属于TI公司55X系列的低功耗DSP芯片，用来控制接收无线传输的图像数据并存储传送到上位机显示。

9.26-，6.95-，5-ns每个指令周期
108-，144-，200MHZ时钟频率
TMS320VC5509A主要特点是片内包含了USB功能，和时钟调用模块，能够实现DSP和微机的高速通信，无需再连接一块单独的USB芯片，从而使硬件电路结构相对简单[23]。

1.4 论文的组织结构
全文主要介绍了图像数据无线传输系统的设计，并利用数字信号处理芯片，CPLD 芯片，无线射频芯片等来实现构建整个系统。

第一章详细介绍了课题的来源和背景，无线传输技术的发展和应用标准，和DSP 系统的组成及其特点。

第二章综合介绍了图像数据无线传输系统整体的设计思路和实施方案，无线通信调制的主要方式，并对整个系统所选用的集成芯片型号和特点以及选用它们的原因做了详尽的说明。

第三章完成了图像无线传输系统的硬件部分的设计和实现，对各个模块之间接口的连接设计和实现做了仔细的说明介绍。

第四章讨论了图像无线传输系统的软件部分的设计，阐明了软件设计所要实现的目标，介绍了开发软件环境，并完成了各部分模块的源代码的编写。

第五章详细介绍了图像无线数据传输系统的测试，设计了无线模块的测试，并通过了双DSP测试了一幅位图图像数据的传输和显示。

第六章对整个研究工作进行了总结和展望了，将图像无线传输系统的具体工作归纳总结；最后对目前图像数据无线传输的问题提出了自己的观点，同时给出今后研究的主要方向和突破重点。

2 无线传输系统的分析与整体设计
2.1 无线通信调制方式
当前无线通信的调制方式主要有ASK调制、FSK调制、PSK调制、GFSK调制等，下面将分析每种调制方式的特点并选用适合的无线通信调试方式。

(1) ASK调制
ASK调制是数字调制的一种，表示幅移键控，在“幅移键控”方式中，当“1”出现时接通振幅为A的载波，“0”出现时关断载波，这相当于将原基带信号(脉冲列)频谱搬到了载波的两侧。

“幅移键控”又称为“振幅键控”，也有称为“开关键控”，它是一种相对简单的调制方式。

幅移键控(ASK)相当于模拟信号中的调幅，只不过与载频信号相乘的是二进制数码而已。

幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，信息比特是通过载波的幅度来传递的。

二进制振幅键控(2ASK)，由于调制信号只有0或1两个电平，相乘的结果相当于将载频或者关断，或者接通，它的实际意义是当调制的数字信号为“1”时，传输载波；当调制的数字信号为“0”时，不传输载波。

一般载波信号用余弦信号，而调制信号是把数字序列转换成单极性的基带矩形脉冲序列，而这个通断键控的作用就是把这个输出与载波相乘，就可以把频谱搬移到载波频率附近，实现2ASK[24]。

(2) FSK调制
所谓FSK就是用数字信号去调制载波频率，是数字信号传输中用的最早的一种调制方式。

此方式实现起来比较容易，抗噪声和抗衰减性能好，稳定可靠，是中低速数据传输最佳选择。

频移就是把振幅、相位作为常量，而把频率作为变量，通过频率的变化来实现信号的识别。

在FSK中传送的信号只有0和1两个，而在M-FSK中则通过M个频率代表M个符号[24]。

(3) PSK调制
在PSK调制时，载波的相位随调制信号状态不同而改变。

如果两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频率同时达到正最大值，同时达到零值，同时达到负最大值，此时它们就处于“同相”状态；如果一个达到正最大值时，另一个达到负最大值，则称为“反相”。

一般把信号振荡一次(一周)作为360度。

如果一个波比另一个波相差半个周期，我们说两个波的相位差180度，也就是反相。

当传输数字信号时，“1”
码控制发0度相位，“0”码控制发180度相位。

PSK相移键控调制技术在数据传输中，尤其是在中速和中高速的数传机(2400bit/s～4800bit/s)中得到了广泛的应用。

相移键控有很好的抗干扰性, 在有衰落的信道中也能获得很好的效果。

PSK也可分为二进制PSK(2PSK或BIT/SK)和多进制PSK(MPSK)。

在这种调制技术中，载波相位只有0和π两种取值，分别对应于调制信号的“0”和“1”。

传“1“信号时，发起始相位为π的载波；当传“0”信号时，发起始相位为0的载波。

由“0”和“1”表示的二进制调制信号通过电平转换后，变成由“–1”和“1”表示的双极性NRZ(不归零)信号，然后与载波相乘，即可形成2PSK信号[24]。

(4) GFSK调制
GFSK调制简称高斯频移调制，是在FSK调制的基础上发展来的，就是在进行FSK 调制之前，将原始信号通过一个高斯低通滤波器来限制信号的频谱宽度，这样一来可以获得更加紧凑的频谱，也就是过滤掉高频的信号，但是保留了足够的频带能量以便在接收端成功恢复信号。

高斯低通滤波器限制了带宽，对基带信号进行了整形，形成高斯脉冲信号。

因FSK技术对于信号的频谱宽度没有什么限制，频率间的范围可能很大，导致跳变实在太快，这样就造成了失真的可能和频谱的利用率不高，而基于2.4GHZ频段的传输的频谱并不大，所以采用GFSK技术。

还有，有限的带宽可以节省电流，那么对于无线射频芯片和单片机或者DSP控制芯片的寿命是有好处的[24]。

本课题所选用的无线射频芯片所选用的调制方式是GFSK调制。

2.2 无线传输系统方案的论证
在图像无线传输的研究方面，目前国内外除了通过普遍的GSM,CDMA,WCDMA，蓝牙网络进行数据的实时无线传输外，已经越来越多的应用无线射频芯片来进行短距离的无线图像传输，典型的代表是对主要应用于军事的无线传感器网络，家庭或办公中使用的无线路由网络，这些应用主要解决了无线传输系统中的以下关键技术：无线传输通信协议，介质访问协议，节点的同步以及数据兼容技术等方面，并在很大程度上提高了无线传输的速度，简化了无线传输协议的复杂度[25]。

通过以上几种无线技术和无线调制方式的介绍，从系统的传输速率，经济性，确定无线数据收发部分使用无线射频芯片。

无线射频芯片的可靠性高、稳定性好、抗干
扰能力强，通讯协议简单透明，技术成熟。

使用该种方案无线数据传输接口与数据采集系统接口电路设计简单[26]。

无线射频芯片的种类和数量比较多，在设计中选择合适的芯片可以提高产品的性能、稳定度，并且可以节约成本。

本课题中采用的图像无线传输技术是射频技术，它是用无线射频芯片来实现的，采用射频技术的优点有：(1) 相比于蓝牙芯片、以及802.11芯片，无线通信射频芯片价格低廉，性能较强。

(2) 相比于IrDA，射频技术不受光波传输性质的限制[27]。

(3) 硬件设计相比于蓝牙芯片而言要简单的多，在硬件设计上，蓝牙方案一般由多个芯片组成，由PLL，T/R开关，发射接收处理，基带处理等多个芯片组成，结构复杂。

目前也有模块化产品，成本较高；采用射频技术方案，接收发射，PLL，基带处理全部由一片完成处理，只有数个外围元件。

(4) 在接口方式上，蓝牙方案复杂，时序要求精确；射频技术方案简便，只需与DSP芯片SPI或I/O连接。

而采用射频技术方式更方便，对DSP芯片的要求更低，有利于降低成本。

(5) 在软件编程上，蓝牙方案的通信协议和软件堆栈复杂；而射频技术方案提供实用的C源代码，编程方便。

射频技术方案开发成本低，开发周期较短。

(6) 在通信距离上，蓝牙的通信距离在室内约10米；使用射频技术通信距离在室内约30~40米，室外约100~200米。

使用射频技术方案距离更远，可满足各种不同领域的应用。

(7) 使用射频技术方案有利于后期研发。

可根据系统的要求来开发相应的功能，不会造成功能的冗余。

综上所述，本课题选用的短距离图像无线传输的射频技术性价比较高，开发成本低，性能优越，基本符合本课题图像数据无线传输的应用要求。

2.3 图像无线传输系统的实施方案
本课题硬件是利用二块DSP、CPLD、和片外存储器芯片开发的，分别负责发送和接收图像数据的工作，软件在CCS3.1的开发环境下编写调试，生成 .obj 文件，通过DSP5000系列的编译器进行系统在线可编程。

本系统的设计、开发、调试采用DSP的C语言编程，使用CCS3.1软件对程序进行编辑、编译、调试。

本课题图像数据无线传输系统的设计是采用DSP和RF模块分立的方式做开发板，系统的总体结构图如图2-1所示：
图 2-1系统总体结构图
如上图中图像数据的发送端和接收端一共使用了二个DSP控制系统，以构成图像无线传输的双DSP控制系统，在发送端的前方是图像采集系统，负责采集一幅原始位图图像，在接收端后方是图像显示系统，负责显示接收到的图像数据。

图2-2发送部分具体框图
在发送部分的中图像采集系统采集的是一幅分辨率为640×512，灰度用8个bit的二进制数表示的灰度图像，进过CPLD压缩，DSP存储进片外的SDRAM，最后控制无线射频芯片发射。

其中CPLD需用的型号是：XC95288XL7TQ，DSP选用的是：TI 公司的TMS320VC5402，片外存储器选用型号：是CY7C1041，无线射频发射芯片选用的型号是：罗迪克公司的nRF24L01。

图像数据接收部分具体框图如图2-3。

图2-3接收部分具体框图
图像数据接收部分中首先是DSP控制2.4GHZ的无线射频芯片用来接收图像数据，然后传送到后端显示，显示部分有3种选择：第一种是通过CPLD控制液晶模块来显示位图图像数据，第二种是通过一个单独的USB2.0芯片和上位机相连来显示，第三种方案是直接通过DSP芯片中集成USB模块和上位机相连来显示，本设计中是选用DSP 芯片中的USB集成模块，因为这样外围电路简单，降低了硬件布线的复杂度，也使软件控制上更简单。

接收端的DSP芯片选用的是:TI公司的TMS320VC5509A, 因为此芯片内部集成了USB模块便于和上位机通信，同时使用了LM1117和MAX882稳压芯片。

2.4 系统所选用的芯片型号和特点
图像数据无线传输系统由控制部分的DSP系统和数据发送、接收部分的无线射频模块组成，所以无线射频芯片和DSP芯片的选型是至关重要的。

无线射频芯片的选择必然会涉及到频率带宽、数据传输率以及传输距离等。

数据传输设备所使用的ISM频段主要分为1G以上和1G以下，1G以下主要是指315MHz、433MHz、868MHz和915MHz。

按照国家的无线电委员会颁布的《无线电设备的技术要求》，1G以上主要是指2.4GHz和5.8GHz。

本系统最终选定2.4GHZ的频段作为本课题的频段，主要原因如下：（1）2.4GHZ 频段较1GHZ和1GHZ以下频段有着更高的数据传输速率，同时也有着适当的传输距离；（2）2.4G ISM频段目前的开发已经很成熟，不会涉及到太多的传输协议上的复。