基于nRF24L01芯片的图像无线传输系统设计

刘 翔，周 桢

（1.武汉科技大学 工程训练中心，湖北 武汉430065；2.武汉广播影视局 湖北 武汉430015）

基于nRF24L01芯片的图像无线传输系统设计

刘 翔1，周 桢2

（1.武汉科技大学 工程训练中心，湖北 武汉430065；2.武汉广播影视局 湖北 武汉430015）

鉴于无线数据传输方式的一些优点，设计了一套用于短距离的无线图像数据传输系统。该系统选用MT9M001图像传感器作为发送端的数据采集单元，以DSP作为收、发两端的控制单元，利用nRF24L01射频芯片完成图像数据在收发端的传输。在室外20 m有遮挡环境下的测试表明：该系统发送并接收分辨率为640×512的灰度图像时具有很高的可靠性。

无线通信；图像传输；数字信号处理器；nRF24L01

无线通信传输技术不受传输线缆地理分布的限制，无需设计通信系统的布线方案，具有组态灵活、开发成本低，周期短及重构性强等优点[1]，在多点通信[2]、信号采集[3]、环境监测[4-5]和远程控制[6]等领域得到广泛应用。目前，无线通信技术正朝着集成化、低功耗、易操作的方向发展[7]。在此背景下，以射频芯片为核心的无线通信解决方案具有成本低、性能强、接口电路简单、无需复杂的通信协议和软件堆栈、可扩展性好等特点，拥有广阔的市场应用前景。

文中设计了一种用于图像数据无线射频传输的系统，该系统选用MT9M001图像传感器作为发送端的数据采集单元，以DSP作为收、发两端的控制单元，利用nRF24L01射频芯片完成图像数据在收发端的传输。测试实验的结果表明：该系统实现简单且成本较低，在有障碍遮挡环境下的数据传输性能可靠。

1 系统整体设计

无线图像传输系统分为发送端与接收端两大部分。其中，发送端主要由图像数据采集、发送控制与无线发送3个模块组成；接收端主要由无线接收、接收控制与图像显示3个模块组成，如图1所示。

图1 系统整体设计框图

其中，图像采集系统将数据采集并存储在寄存器中，发射端控制系统控制数据读取并发送到发射模块，发射模块在控制系统的控制下将数据发射给接收端。接收端在接收控制系统的控制下接收数据并最终将其显示在终端之上，完成图像数据的无线通信传输。

2 电路详细设计

2.1 发射端设计

1）图像采集模块

考虑到CMOS传感器可直接输出数字信号，并且随着工艺的不断进步，CMOS传感器的光照灵敏度、动态范围、功耗等性能均大幅提升。为了方便后期对采集图像数据的处理，本系统采用Micron公司生产的130万像素CMOS图像传感器MT9M001作为数据采集的核心器件。在默认情况下，MT9M001的分辨率为1 280×1 024，速率可达25帧/秒[8]。图2是MT9M001图像传感器的内部结构图。

图2 MT9M001内部结构图

控制部分通过I2C接口对CMOS图像传感器内部的控制寄存器进行初始化，当传感器阵列接收到光照后便将光信号转化成模拟信号，经模数转换后产生10位数字信号。由于图像传感器的输出数据由PIXCLK、LINE_VALID和FRAME_VALID 3个引脚控制，可将此三引脚与控制模块指定的I/O口连接在一起。另外，本设计中采用的传输图像是深度为8的灰度图像，因此控制模块只需连接DOUT的高8位数据。图3是本模块与控制模块的连接方式图，其中控制部分采用了 XILINX公司的 CPLD芯片XC95288XL7TQ 与 TI公 司 的 DSP 芯 片TMS320C5402。

图3 图像采集模块与控制模块的连接图

2）发送端控制模块

发送端控制部分需要将采集到的图像数据存储在外部存储器中供发送时使用。同时，它还要对发送模块进行初始化与参数设置以保证数据正常发送。发送端控制模块采用DSP与CPLD共同控制的方式，DSP利用 DS、IS、MSTRB、IOSTRB、R/W等引脚选择控制CPLD芯片，可使其通过CPLD间接查询MT9M001的PIXCLK、LINE_VALID和FRAME_VALID引脚状态完成图像数据的采集，如图3所示。由于本设计中选用了TI公司的TMS320C54系列DSP作为控制器[9-10]，因此从图像采集模块中的传来的数据要先由CPLD组成16bit数据格式，经过2个PIXCLK周期后再送得到数据总线上传给DSP。考虑到一帧图像的数据不能一次性全部采集完毕，所以DSP要先将来自数据总线的部分图像数据传送到外部存储器中，当一帧图像全部采集完毕后，DSP再将存储在外部存储器中的数据送入发送模块。设计中的外部存储器选择 CYPRESS公司 CY7C1041CV33型SRAM芯片[11]，该芯片容量可达512KB能够满足分辨率为640×512灰度图像的存储需求。SRAM的使能端与读写控制端、、与CPLD指定的I/O口连接，DSP则是通过选通CPLD芯片达到间接控制外部存储器读写的目的。这部分的连接方式如图4所示。

图4 发送端控制电路连接图

3）射频发射模块

选用挪威Nordic公司的nRF24L01型射频芯片作为发射模块的核心器件。该型号芯片能耗低，工作频率为2.4～2.5 GHz ISM频段，采用键控方式进行调制解调并且内置有频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和SPI模块[12-14]。nRF24L01有4种工作模式，可以通过CE、PRIM_RX和PWR_UP 3个引脚对其工作模式进行配置，如表1所示。

nRF24L01有Shock Burst TM和Enhanced Shock BurstTM两种数据处理方式，本设计中将其配置成Enhanced ShockBurstTM方式。nRF24L01提供了SPI接口与外界进行通信，通常在配置模式下，控制模块通过nRF24L01的SPI接口对其工作参数进行设置；在收发模式下，控制模块利用SPI接口向其发收数据。但是设计中选用的DSP芯片并没有SPI接口，这里本文采用的方法是：将DSP的MCBSP串口配置成普通I/O口，再借助一定数量的I/O口来模拟SPI。这样做的好处是能够有效地避免直接采用MCBSP与SPI通信时接口程序复杂的问题。本部分的连接方式如图5所示。

表1 nRF24L01的工作模式

图5 射频发射模块与控制模块连接图

2.2 接收端设计

图像数据无线传输的接收部分是DSP通过SPI接口控制nRF24L01射频芯片接收发送端的数据，并储存到片外存储器。当采集完一帧图像数据后再发送给显示模块。接收端射频模块与控制模块连接方式与发送端基本相同，这里不再赘述。下面主要介绍接收端控制模块与片外存储器的接口电路。

接收端控制模块选择了TI公司生产的TMS320VC5509A高性能DSP芯片作为控制模块的核心器件[15]，TMS320VC5509A内部集成了USB串口模块，使得显示模块与其通信可以比较方便的实现。片 外 存 储 器 选 择 的 是 Hynix 生 产 的HY57V641620HG型 SDRAM，HY57V641620HG是一种同步 （电平触发）静态随机存储器，其容量有4M×16bit，即 64Mbits，足以存放一帧分辨率为640×512，灰度值为8的位图图像数据。图6是DSP的EMIF接口与外部存储器的连接方式图。

文中采用了USB接口作为系统与显示终端进行通信的数据接口，标准的USB接口有四根线：VBUS、D+、D-、GND。VBUS线是用来给USB接口供电，D+、D-用来以差分形式传输数据，GND接地。TMS320VC5509A的USB接口单元提供了DN、DP和PU 3个引脚资源实现数据的通信，该部分的接口电路设计如图7所示。

图6 DSP与外部存储器的连接图

图7 USB接口电路

3 实验测试

为了对上述设计系统的数据传输可靠性进行测试，选择了在相距约20 m左右中间存在遮挡物的两幢楼房的房间中传输一幅分辨率为640×512深度为8的灰度图像进行测试。测试图像与硬件系统实物如图8所示。

图8 测试图像及系统

在数据发送端将这幅位图图像数据的每32个点作为一个数据包，由于图像中的每个点都是用8bit二进制数据表示的，那么，这幅图像一共可以分割成640×512/32=10 240个数据包。即发送的数据包总数为10 240个。将接收端接收的图像数据利用CCS集成开发软件自带的Graphical Display显示出来，如图9所示。从图中下方的信息提示窗口中可以看到接收到的数据包数为10 240个，这说明本无线射频传输系统在20 m内有遮挡物的环境下仍然有很高的可靠性。

图9 接收端软件系统显示图像

4 结 论

针对图像数据的无线传输需求，通过总体设计、功能模块设计及软硬件调试，开发了一种基于nRF24L01射频芯片的无线射频图像传输系统。该系统运行稳定、成本低廉并且实现简单，通过在相距20 m左右存在障碍环境下的测试，该系统数据传输的可靠性很高，可将其应用在短距离的图像数据无线传输场合。

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A design of image data wireless transmission based on nRF24L01 chip

LIU Xiang1，ZHOU Zhen2
（1.Engineering Training Centre of Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China；2.Wuhan Radio and Television Bureau，Wuhan 430015，China）

In view of the advantages of the wireless data transmission，a wireless image data transmission system used in short distance is designed in this paper.The system selects MT9M001 image sensor as the data acquisition unit at the sending end，and uses DSP as the control unit at both ends of the system.The image data is then transmitted by nRF24L01 radio frequency chip between the two ends. The result of outdoor test shows that the system designed in this paper has high reliability when a gray image with a resolution of 640×512 is transmitted，under the condition of occlusion.

wireless communication；image transmission；DSP；nRF24L01

TN925

A

1674－6236（2017）10-0182-04

2016-04-15稿件编号：201604166

刘 翔（1983—），男，湖北武汉人，硕士，工程师。研究方向：数字图像处理、模式识别。