基于ARM的無(wú)線數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)應(yīng)用

引言

　　微型無(wú)人偵察機(jī)的首要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)圖像信息的實(shí)時(shí)獲取與無(wú)線傳輸。研究較成熟的無(wú)人機(jī)載圖像實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，其圖像質(zhì)量指標(biāo)、信道編碼效率等均不高，且抗多徑干擾差。同時(shí)，由于微小型飛行器的載重及能量供給非常有限，對(duì)機(jī)載部分的功耗、重量、安裝尺寸等都提出了更為嚴(yán)格的要求。因此，開發(fā)適用于微型飛行器的微小攝像與無(wú)線傳輸系統(tǒng)尤為重要。本文所研究的主要內(nèi)容以某微型無(wú)人偵察機(jī)的需求為背景，提出了一種視頻圖像的無(wú)線數(shù)字傳輸方式，該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、實(shí)時(shí)性好及傳輸可靠等特點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)的基于ARM的嵌入式微小型無(wú)人機(jī)無(wú)線數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)，包括硬件設(shè)計(jì)和Linux下的軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)在MCU4010嵌入式微處理器的協(xié)調(diào)和調(diào)度下統(tǒng)一工作，采甩專用MPEG-4音視頻編碼芯片MPG-440A將采集生成的數(shù)字視頻予以編碼壓縮處理。

　　1 系統(tǒng)原理

　　微型無(wú)人機(jī)要求提供實(shí)時(shí)、高質(zhì)量的偵察圖像。本文所采用的攝像與無(wú)線傳輸系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，主要由圖像傳感器、視頻壓縮編碼芯片、微處理芯片、FLASH芯片和SDRAM內(nèi)存以及無(wú)線網(wǎng)卡等組成。

　　由于受微型無(wú)人機(jī)的載荷所限，該系統(tǒng)首先選用重量較輕的高分辨率模擬攝像機(jī)采集視頻信號(hào)，然后利用圖像編碼器將采集到的模擬圖像，轉(zhuǎn)化生成分辨率較高的數(shù)字圖像。編碼后的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量巨大，且無(wú)線通信信道的帶寬有限，難以保證視頻圖像的實(shí)時(shí)傳輸，因此需要對(duì)數(shù)字視頻圖像進(jìn)行編碼壓縮，在保證一定畫質(zhì)的前提下盡可能減少數(shù)據(jù)量。壓縮工作通?？梢赃x用軟件或?qū)Ｓ糜布?lái)完成。然而專用編碼壓縮軟件代碼規(guī)模較大，設(shè)備要求高，且機(jī)載微處理器功能有限，使其應(yīng)用受到限制。為保證系統(tǒng)最優(yōu)功能狀態(tài)，選用MPEG-4專用編碼芯片對(duì)采集后得到的數(shù)字圖像進(jìn)行硬件編碼壓縮，生成MPEG-4碼流，實(shí)時(shí)性好，可靠性高。模塊工作和碼流流向由ARM微處理器調(diào)度管理，同時(shí)，微處理器通過(guò)RS 485和攝像模塊相連，傳輸攝像機(jī)鏡頭的控制信號(hào)，如變倍、變焦等。機(jī)載云臺(tái)也通過(guò)RS485獲得用戶的遠(yuǎn)程控制信號(hào)，并通過(guò)水平和垂直方向的位置改變來(lái)響應(yīng)用戶的不同僨察需求。在完成數(shù)字視頻偵察系統(tǒng)的開發(fā)后，為系統(tǒng)加入了基于開放的802.11協(xié)議的無(wú)線加密傳輸模塊，為系統(tǒng)的安全工作帶來(lái)保證，避免了無(wú)線視頻系統(tǒng)的安全漏洞。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　微型無(wú)人機(jī)視頻處理與傳輸系統(tǒng)主要包括視頻采集及處理模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊2個(gè)子系統(tǒng)，是整個(gè)微型無(wú)人機(jī)視頻系統(tǒng)中的核心部分。

　　本文視頻編碼器采用的編碼器是ADI公司的ADV7180，它是ADI首次發(fā)表的低價(jià)格低消耗功率但提供高質(zhì)量影像輸出的影像編碼器。在它的輸入前端有階梯狀濾波器，不用為系統(tǒng)添加額外的濾波器。同時(shí)，ADV7180還提供了DNR/CTI的影像強(qiáng)化輸出調(diào)整，ADLLT更獨(dú)步全球提供給系統(tǒng)在弱信號(hào)的處理上強(qiáng)有力的支持，使傳輸?shù)膱D像更加平穩(wěn)。擁有智能型影像處理器的ADV7180在控制上也更為簡(jiǎn)化，只需設(shè)定少數(shù)的暫存器就可輸出高質(zhì)量影像，無(wú)需為影像編碼器設(shè)定繁瑣復(fù)雜的程序。

　　視頻壓縮芯片采用的是Imagia公司的MPG-440A，如圖2所示，它是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸所設(shè)計(jì)的MPEG-4專屬芯片。MPG-440A支持高階影像數(shù)字監(jiān)控功能，包含D1分辨率、防偽水印、動(dòng)態(tài)調(diào)整IP幀比率與動(dòng)態(tài)調(diào)整質(zhì)量，是特殊場(chǎng)合監(jiān)控用的最佳影像處理器，可產(chǎn)生最小比特率并符合長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存要求。

　　主控芯片選取的是Imagia公司的MCP4010-32位RISC嵌入式微處理器，見圖3。它使用.ARM 922 T核，工作頻率高達(dá)200 MHz，內(nèi)部帶有存儲(chǔ)器管理單元(MMU)，具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性，是視頻采集和處理模塊的核心，可達(dá)到D1分辨率實(shí)時(shí)編碼壓縮的效能。