刘 雷，马洪兵

（清华大学 电子工程系，北京100084）

基于微型双向的无线图像传输系统设计

刘 雷，马洪兵

（清华大学 电子工程系，北京100084）

由于在传统的作战中均通过无人侦察机和卫星获得大规模，全场景的图像采集信息，但该方法在面对灵活多变的战场中无法依据战场的移动而进行某一区域小规模的侦查。基于此文中设计了一种微型双向的无线图像传输系统，该系统在STM32开发平台下，集图像采集、无线传输及双向控制为一体，其的体积小，移动方便，避免了在作战中易于被敌方发现的缺点。测试结果表明，该系统运行效果良好，在未来的应用也会更加广阔。

图像采集；双向控制；无线传输；STM32

随着计算机系统、光电技术、图像信息处理技术和数字通信技术的迅速发展，各国学者纷纷着手研究将众多新兴信息技术融合一体，使应用朝着更加广泛的前景发展，如医院的肠道检测系统，该系统能实时将检测的肠道以图像的形式无线传输到医生的可视化计算机界面，大幅减轻患者和医生的负担。尤其在作战中，对于图像的传输要求苛刻，其要求图像传输系统体积小，不易被敌方发现，能追随作战场地的变动而实时进行图像的采集与传输。目前各国研究人员均在研究微小型双向的无线图像传输系统，该微型系统体积小易于隐蔽，在恶劣的环境下生存性能可靠，例如在一些具有放射性的医疗器械及对于具有杀伤性生化武器进行图像采集时，可脱离人为的参与，避免了对人体造成的巨大伤害，且成本低。该应用已成为军事领域不可或缺的技术，故本文的研究有一定的意义。

1 系统架构

该系统的主要功能就是实现双向控制无线图像传输，该系统是在嵌入式开发系统模块下实现的低成本双向控制，首先进行图像信息的采集处理，然后经过无线射频模块将图像处理后的信息发送到接收端。由图可看到，接收端可通过控制命令操作实现对图像信息的控制，从而实现双向操作，系统结构如下图所示。

由于本文设计原理是微型系统的设计，因此该系统模块的组成均要满足微小型化的设计要求，对于发射端和接收端的各个小模块均要考虑严格的尺寸设计。根据国家标准，该微型系统整体尺寸为12mm×12mm×30mm，重量低于9g。镜头抓拍的图像信息被图像采集模块采集后，暂存到缓存队列中，经过时序脉冲有序的到来，一帧图像信息将被读取到射频发射模块，从而保证了各个模块有条不紊的工作。在接收端，接收到的图像信息暂时存放在存储模块中，当储存一帧信息之后，经过脉冲时序的到来将一帧图像信息传输到LCD屏幕上。控制信息的发送是在接收端响应外部中断后，停止图像接收的过程转换成发射的模式从而达到双向控制的目的。

图1 系统架构图

2 硬件设计

OV7670芯片是OmniVision公司生产的一款弱电CMOS图像信息采集芯片，该芯片单片集成了摄像和图像处理功能，表1是其技术参数。由表可以看出，其外形尺寸完全符合国家对微小型系统的尺寸标准。图2为其事物模图，具有体积小，功耗低的特点。

表1 OV7670主要技术参数

图2 OV7670模组

在采集图像信息时，需要严格依据时序图进行传输，该时序就是芯片的SCCB通讯时序，如图3所示，图像的各种处理均是通过该时序图对内部寄存器的设置达到所需的功能。该时序类似与常见的I2C时序。对于帧图像的输出本文用场输出时序控制，VSYNC为高电平时代表开始一帧数据的采集。一行像术的输出用行输出时序控制，如图4所示。

图3 SCCB时序

图4 水平时序

如图5所示，在一帧QVGA输出时，控制信号和数据输出信号的时序图，QVGA图像大小为320×240，2个字节表示一个像素。由于图像传输时数据量大，若采集到的图像信息直接传送到射频模块，在假设1s采集一帧图像的情况下，也会给射频模块的发射带来困难。因此，需要采取措施，增加一级缓存模块，该设计选用AL422B高速缓存的OV7670模块，AL422B时钟的读写由场同步控制，使图像采集和发射速率相匹配，从而达到数据同步的目的。无线射频发射与接收模块是用Nordic公司的NRF24L01芯片，表2列出了NRF24L01的主要技术参数。

图5 输出QVGA帧图像时的时序图

图6所示为发送和接收一字节数据的时序图，接收模块和发射模块分别设置为接收模式与发射模式，130 us之后开始发射，37 us之后关闭发射。此时发送模块转入接收模式等待应答信号的到来，当接收模块接收数据包后，中断开始响应，并传达给微处理器数据结束接收。

表2 NRF24L01的主要技术参数

图6 发送一包数据的时序图

3 软件实现

本系统的程序设计流程图，如图7所示。

图7 系统软件设计流程图

首先需进行各个模块的初始化，包括各个接口、LCD、图像采集芯片、无线射频发射与接收模块的初始化。初始化内容主要是进行时钟的使能，主芯片及寄存器的初始化。OV7670在对数据存储和读取的过程中是用外部中断来响应同步信号，通常通过设置的变量ov_sta控制FIFO的读或写操作，当FIFO=0时，表示存储的数据已被读取结束，当VSYNC=1时，代表指针复位。当紧接着遇到下一个VSYNC=1时，说明一帧数据读写结束，此时令OV7670=0，不允许在对OV7670写数据。对NRF24L01的编程沿用了以往的固有编程模式，选择接收模式，通过软件配置接收模式参数，判断中断，响应中断的过程，该程序流程图已清晰的给出了设计思路。

4 实验结果

按照上述原理的软件和硬件设计流程，在STM32上实现了双向可控的微型无线图像传输系统，从而验证该系统的可实现性，图8为样图，令发射的分辨率为零，分辨率为 320×240，图像传输速率为0.22帧/s，在实验室内可达到约2m的图像传输。图中并不清晰，但由于对图像的拍摄镜头不是专业摄像所能达到的分辨率，且图像格式的分辨率也较低。在更改图像的参数时，由图可知就将会在下一帧中出现。

图8 系统原理图样机

5 结束语

文中在STM开发平台上实现了微型双向的无线图像传输系统，结果表明该系统能以0.22帧/s的速率传输图像，通过对控制命令的的操作，可实现该系统的双向图像传输功能，具有图像传输性能好、造价低、可靠性能高等优点。且系统体积小，移动方便，能广泛应用在各个领域，尤其在军用行业，各种地质勘查及地质灾害均可应用，因此本文的研究前景广阔。

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Design of wireless image transmission system based on micro-two-way

LIU Lei，MA Hong-bing
（Electronic Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China）

Because in the traditional combat through unmanned reconnaissance aircraft and satellite access to large-scale， full scene image acquisition information， but the method in the face of the flexible battlefield not on the battlefield mobile and investigation of small scale of a region， a miniature， bidirectional wireless image transmission system is designed based on this， this paper， the decency in the STM32 development platform，integrates image acquisition，wireless transmission and two-way control as one， small volume， easy to move， to avoid the easy to the disadvantage of to be discovered by the enemy in the battle.Test results show that the system runs well，and it will be more extensive in the future.

image acquisition； bidirectional control； wireless transmission； STM32

TN99

：A

：1674－6236（2017）15-0102-03

2016-06-24稿件编号：201606184

刘 雷（1985—），男，北京人，硕士，工程师。研究方向：信息与通信工程。