基于WE904的實時圖像無線傳輸設(shè)計

   摘要：介紹基于WE904無線收發(fā)模塊的實時數(shù)字圖像無線傳輸系統(tǒng)，以及系統(tǒng)的接口電路硬件設(shè)計。討論FSK輸入信號中低頻成分引起的誤碼問題及其解決方法。

引言

隨著短距離、低功率無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的成熟，特別是藍牙、802.11b等應(yīng)用的推廣，無線數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用再次成為應(yīng)用的熱點。本文介紹一款基于新加坡Winedge公司WE904芯片的無線收發(fā)模塊，說明其在一個實時無線圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，以其實現(xiàn)一個低發(fā)射功率和低成本的實際應(yīng)用系統(tǒng)。為低成本中低速的無線數(shù)據(jù)傳輸提供一種新的解決方案。

1 系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)的簡單框圖如圖1。此系統(tǒng)的簡單工作過程為：①電腦眼負責(zé)圖像采集和圖像信號的A/D轉(zhuǎn)換。②電腦眼輸出的圖像信號由DSP芯片TMS320VC5402（以下簡稱5402）編碼壓縮。③5402通過McBSP(多通道緩沖串口)實現(xiàn)與WE904模塊的接口，實現(xiàn)WE904模塊的配置，并且將編碼后的圖像信號以RS232協(xié)議的信號格式輸?shù)絎E904模塊，經(jīng)調(diào)制后發(fā)送出去。④接收端的WE904模塊輸出TTL電平的信號，經(jīng)過RS232電平接口的電平轉(zhuǎn)換后由串口輸入PC機。⑤PC機將收到的圖像信號解碼并顯示出來。

2 WE904無線收發(fā)模塊WE915CTX1介紹

WE915CTX1無線收發(fā)模塊的主芯片是新加坡Winedge公司的WE904。WE904是一款支持全雙工的單片調(diào)頻收發(fā)芯片，僅需少量外部元件即可實現(xiàn)無線收發(fā)功能，工作頻率范圍可以從0.1GHz到1GHz。WE904提供串行編程接口，通過串行編程接口可以靈活地調(diào)整收發(fā)頻率、信號輸出模式、是否支持全雙工等參數(shù)。本系統(tǒng)在設(shè)計初期直接使用了WE904的模塊WE915CTX1。WE915CTX1集成了WE904芯片和所需的外部元件，并提供了簡明的使用接口，可以非常方便地嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中。其主要的特點是：

①工作于902MHz～928MHz美國ISM頻段，可以提供20個通道；

②使用FM/FSK的調(diào)制方式，頻道寬度100kHz；

③提供數(shù)字信號和模擬信號兩種輸出模式，可用于數(shù)字和模擬信號的傳輸；

④靈敏度為-115dBm；

⑤在低輸出功率0dBm時，可以提供約80m(數(shù)字信號) 和300m(話音等模擬信號)的有效傳輸距離；

⑥傳輸速率可達57.6kbps，與傳輸距離有關(guān)；

⑦提供串行編程接口，可能靈活配置收發(fā)頻率等參數(shù)；

⑧提供RSSI接收信號強度指示。

3 WE904模塊WE915CTX1的接口

WE915CTX1提供簡單的用戶接口，如圖2所示。①VCC和GND為電源，電源電壓為3.3～4.5V。②Audio In為待調(diào)制基帶信號的輸入引腳。其輸入信號可以是話音等模擬信號，也可以是數(shù)字信號。對輸入信號的要求是，其交流有效值通常為140mV～200mV，更大的輸入有效值能得到更好的信噪比，但也將占用更大的帶寬。通常200mV將產(chǎn)生25kHz的頻偏。TTL電平的數(shù)字信號輸入Audio In引腳時，必須先降低其電壓有效值，這可以通過使用2個串聯(lián)電阻分壓來實現(xiàn)。例如，可以用1個10kΩ和1個1.8kΩ的電阻串聯(lián)分壓，但使用的電阻阻值不能太大，否則會使輸入的方波波形產(chǎn)生嚴重的畸變。③Audio Out為接收信號的輸出引腳。當輸出模式設(shè)置為模擬輸出（analog）時，輸出信號有效值通常為140mV～180mV的已解調(diào)基帶信號。當輸出模式設(shè)置為數(shù)字模式（digital）時，輸出信號Vp-p為3V左右的數(shù)字信號方波。④LNA_ON為低哭聲放大器電源控制引腳，低電平有效。在接收時必須置低，能夠得到約15dB的增益；在不接收信號時可以關(guān)掉，以降低功耗。⑤ANT為天線連接引腳，其輸出阻抗為50Ω。⑥RSSI為接收信號強度提示。接收信號從-110dBm變化到-50dBm時，RSSI的電平大約從0.65V變化到1.70V。⑦CLK、DATA和LE為串行編程控制端口，用來實現(xiàn)對WE904芯片的編程控制。以下將詳細介紹。

4 WE904模塊WE915CTX1的編程控制接口

WE904芯片內(nèi)部有4個控制寄存器，用來對WE904芯片的工作狀態(tài)進行控制。這4個寄存器分別是參考頻率寄存器、發(fā)送頻率寄存器、接收頻率寄存器和模式寄存器。這4個控制寄存器的相應(yīng)位的功能定義此處不作介紹，讀者可以參考W904的芯片資料。對這4個寄存器的寫入控制則是通過CLOCK、DATA和LE三個引腳業(yè)實現(xiàn)的，分別與模擬WE915CTX1的CLK、DATA和LE相對應(yīng)，其寫入時序如圖3所示。

寫入的基本過程為：①LE開始時為低電平。②當LE變?yōu)楦唠娖胶?，?shù)據(jù)在CLOCK的驅(qū)動下開始由DATA引腳移入內(nèi)部的移位寄存器。數(shù)據(jù)的移位操作是在CLOCK的上升沿進行的。所以設(shè)計接口時通常使時鐘CLOCK的下降沿和位邊界對齊，這樣在CLOCK的上升沿能有效的采樣到數(shù)據(jù)。③在最后一個數(shù)據(jù)位移入內(nèi)部移位寄存器后，LE在下一個時鐘上升沿之前變低。在LE的下降沿，數(shù)據(jù)將由內(nèi)部移位寄存器寫入控制寄存器。④數(shù)據(jù)具體寫入4個控制寄存器中的哪一個，是由DATA的最低兩位的值來決定的。這兩位稱為裝載控制位（load control bit）。⑤WE915CTX1要求在CLOCK上升沿到來之前，DATA的數(shù)據(jù)至少已經(jīng)保持45ns,所以CLOCK的頻率不能太高，建議取10MHz以下。

5 5402r McBSP簡介

5402是TI公司一款性價比非常優(yōu)越的通用DSP芯片，有著廣泛 的應(yīng)用。它提供有兩個McBSP。McBSP是一種全雙工的高速同步串行口，可以用來與系統(tǒng)中其它的DSP芯片、編碼解碼器等進行高速的串行通信。McBSP的操作由DSP芯片中一系列寄存器來控制。圖4是McBSP的標準操作時序。無論是發(fā)送還是接收的移位操作，都是由幀同步信號FSX或者FSR的上升沿觸發(fā)的，并且由時鐘CLKR或CLKX來同步位邊界。從FSX或FSR的上升沿到移位操作開始可以有幾個時鐘的延遲，圖4所示為1個時鐘的延遲。這可以由控制寄存器XCR2和RCR2中的相應(yīng)的位來設(shè)定。在每一個幀同步信號之后發(fā)送或者接收的數(shù)據(jù)的位數(shù)也在控制寄存器XCR2和RCR2中有相應(yīng)的設(shè)定，圖4是McBSP的最簡單的操作時序，對一般的應(yīng)用已經(jīng)足夠，更強大的功能則需要更復(fù)雜的設(shè)計。

6 5402與WE904模塊的接口設(shè)計

在本系統(tǒng)的設(shè)計中，圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送和對WE904模塊的編程配置是使用DSP芯片5402的同一個McBSP來完成的。這了使這兩個過程互不影響，在設(shè)計中還使用了5402的一個I/O引腳XF。圖5為接口電路的簡單原理，基本原理如下：①在對WE904模塊配置期間，XF為高電平，LE的輸入決定于McBSP的發(fā)送幀同步FSX，而發(fā)送時鐘CLKX和發(fā)送數(shù)據(jù)線DX分別驅(qū)動WE904模塊的CLK和DATA。②為了對WE904模塊進行配置，McBSP的設(shè)置為FSX周期大于24個CLKX的時鐘周期，高電平寬度設(shè)置為24個CLKX的時鐘周期。CLKX在驅(qū)動CLK時先反相。這樣即可得到與圖4大體相同的時序，能夠完成對WE904模塊的配置。這里給出McBSP各個控制寄存器的參考值：SPCR1=0x0080,SPCR2=0x0262,RCR1=0x0000,SRGR2=0x301f,MCR1=0x0000,MCR2=0x0000,PCR=0x0b02。③在對WE904模塊的配置完成后，XF設(shè)置為低電平輸出，此時LE的輸入值恒為高電平，因此，CLK和DATA的輸入不會再改變WE904的設(shè)置。此時，發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)從DX串行輸出，經(jīng)分壓后輸入EW904模塊的Audio In。發(fā)送的時鐘CLKX從FSR引腳輸入。這主要是因為本系統(tǒng)的DSP時鐘為100MHz，DSP的時鐘經(jīng)過內(nèi)部計數(shù)器分頻后仍然無法從CLKX引腳得到要求的幾十kHz的時鐘，所要求的時鐘必須經(jīng)過再次分頻后（在寄存器FPER中設(shè)定分頻參數(shù)）從FSG得到，而發(fā)送幀同步FSX將設(shè)置成在數(shù)據(jù)從DXR拷貝到XSR時自動產(chǎn)生。在模塊的配置期間，F(xiàn)SR設(shè)置為輸入，不會影響CLK的輸入值。④XF在與FSX做或運算前經(jīng)過了一次反相，主要是因為XF在此系統(tǒng)中還同時用于其它結(jié)構(gòu)的控制，在圖像的發(fā)送期間，要求XF為低電平。

圖4

7 RS232異步串行通信

本系統(tǒng)采用RS232異步串行通信協(xié)議。RS232異步串行通信接口是微機的傳統(tǒng)外設(shè)接口，特點是使用簡單，但速率較低。RS232接口在低速數(shù)據(jù)傳輸和工業(yè)控制、工業(yè)數(shù)據(jù)采集等方面有著廣泛的應(yīng)用。由于本系統(tǒng)要傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)已經(jīng)得到較好的壓縮，速率在幾十kbps，所以本系統(tǒng)使用RS232串行口進行通信。當不需要握手時，最簡單的串口通信只需要3條線即可完成連接，單向通信甚至只需要2條線即可。但是由于RS232串行接口的電平較高（通常為正負4V～12V），不同于通常的TTL電平，所以必須經(jīng)過必要的電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)中使用MAXIM的MAX232完成電平轉(zhuǎn)換。RS232的通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式如圖6所示。在每一個字節(jié)的傳輸時，都是以一個起始位開始，以停止位結(jié)束（停止位個數(shù)可設(shè)定）。在停止位前可以加入奇偶校驗位，在各個字節(jié)之間還可以插入空閑位。起始位為0，停止位為1?？臻e位也為1，與停止位有相同的電平。接收串口總線在檢測到起始位的下跳沿時開始接收數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)設(shè)計中，由于數(shù)據(jù)是單向傳輸，RS232的數(shù)據(jù)格式直接由McBSP負責(zé)構(gòu)建。之后送入WE904模塊的Audio In調(diào)制發(fā)送。如果要求雙向的數(shù)據(jù)傳輸，則可以加上一個異步串行通信的接口芯片來實現(xiàn)，如TI公司的TL16C750。接收方的微機負責(zé)串口數(shù)據(jù)接收。串口接收程序的編寫通常有三種：①使用C或匯編語言控制硬件；②使用Windows的API函數(shù)；③使用VB提供的Mscomm控件。本系統(tǒng)使用的是VB的Mscomm控件。這種方法比較簡單，但是效率稍低，如需要更高效率的程序，可以選擇前兩種方法。關(guān)于串口收發(fā)程序編寫的資料很多，這里不再詳述。

8 FSK無線數(shù)據(jù)傳輸中低頻分量引起的誤碼

在FSK無線數(shù)據(jù)傳輸中，輸入信號中的低頻分量有可能引起很高的誤碼率。在二相FSK中的具體表現(xiàn)為當短時間內(nèi)輸入信號中的“1”或“0”的個數(shù)顯著增多時，接收信號的誤碼率也顯著上升。這主要是因為整個系統(tǒng)對信號中的低頻分成衰減造成的，如系統(tǒng)中的隔直耦合電容的影響等。低頻成分衰減后造成信號無法正確恢復(fù)，從而引起了很高的誤碼率。要提高系統(tǒng)性能，必須使輸入信號中的低頻成分盡量小并保持恒定，這就是所謂的均衡問題。對于簡單的二元輸入，就是要使輸入信號中的1和0的個數(shù)盡可能的平衡。通常為減小低頻分量，可以將輸入信號采用HDB3編碼和曼徹斯特編碼等。HDB3是三元輸入碼，信號傳輸中有三種電平，需要用專門的硬件實現(xiàn)。曼徹斯特碼是二元碼。它的簡單規(guī)則是：1用1到0的跳變來表示，0用0到1的跳變來表示。顯然采用曼徹斯特編碼后，1和0的個數(shù)達到了完全的均衡，但同時它增加了一倍的數(shù)據(jù)量?？紤]到數(shù)據(jù)量的要求，本系統(tǒng)在設(shè)計中借用了高速光纖通信中使用的5B6B編碼。5B6B編碼將5位的二進制數(shù)用6位二進制數(shù)表示，它從6位二進制數(shù)的64種組合中精選出32組對信碼進行編碼。編碼時有正模式和負模式兩種，使用時成對選擇以使得碼序列中1、0碼個數(shù)趨于平衡。5B6B具有這樣的特性：該傳輸序列中最大的連及連1個數(shù)為5。累積的1、0碼個數(shù)的差值（稱為數(shù)字和）在-3～+3范圍內(nèi)變化。5B6B碼解決了輸入信號中1和0的均衡問題，同時具有較高的傳輸效率，它只增加了20%的碼數(shù)。本系統(tǒng)采用5B6B編碼后（在RS232輸出前進行），在降低系統(tǒng)的誤碼率方面取得了非常明顯的效果。

結(jié)語

本系統(tǒng)使用WE904模塊進行實時的無線數(shù)字圖像傳輸實驗，采用普通單天線，在傳輸速率為57.6kbps和極低發(fā)射功率0dBm時，可視傳輸距離大于100m(需更元的距離可加大發(fā)射功率)。采用自己的圖像壓縮算法，每秒能夠穩(wěn)定地傳輸3～6幀圖像（黑白圖像384×288像素）。為低成本的中低速的無線數(shù)據(jù)傳輸提供了一種很有競爭力的參考方案。