基于OV7725二值化圖像的無線實時傳輸

陳業(yè)慧，黃 凱

(安徽新華學院電子通信工程學院，安徽 合肥 230088)

目前智能車和模式識別普遍采用儲存復盤的方式來調試，這對實時系統(tǒng)分析顯然具有一定的滯后性，因模式識別可以忽略彩色信息轉而采用二值化的圖像，這就大大縮小了圖像的數(shù)據(jù)的大小，使得低成本的基于nRF24L01的實時圖像傳輸成為可能.

1 系統(tǒng)的整體設計方案

發(fā)送方攝像頭采用 OV7725，輸出二值化圖像，經過MK60DNZ512進行DMA采集，壓縮，并通過nRF24L01傳輸給接收方的nRF24L01，配合STM32F103進行壓縮二值化圖像的接收并通過CH340串口模塊傳輸給上位機，上位機使用LABVIEW對傳輸過來的圖像進行有效性監(jiān)測并解壓縮實時的顯示與處理.系統(tǒng)原理如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)設計方案

1.1 主控模塊

(1)發(fā)送方主控采用帶16個通道的DMA控制器，主頻100MHz的MK60DNZ512.DMA允許不同速度的硬件裝置來溝通，而不需要依賴于 CPU 的大量中斷負載，使用MK60的DMA模塊進行攝像頭數(shù)據(jù)的采集，大大減輕了CPU的負擔，使得CPU有空閑資源處理系統(tǒng)中的其他任務.

(2)接收方主控采用STM32F103C8T6，72MHz主頻.發(fā)送和接收共用的可編程波特率[1]，最高串口速度達4.5Mbits/s，配合CH340的最高2Mbps的串口速率，經試驗最高可達兩百萬波特率的無差錯串口透傳，為圖像的實時傳輸提供了物理基礎.

1.2 無線收發(fā)模塊

系統(tǒng)選用nRF24L01P+PA模塊，功率100MW.速率可達2Mbps，增強型的 ShockBurstTM模式可以自動的控制應答(ACK)與重發(fā)數(shù)據(jù)包[2]，當發(fā)送方未接收到接收方的ACK應答信號時，自動的重新發(fā)送當前數(shù)據(jù)包，大大減小了丟包率的同時減輕了MCU的負擔.

其工作模式由片上CE引腳與PWR_UP，PRIM_RX寄存器共同決定[3]，與MCU的硬件連接見圖2和圖3.

圖2 MK60與NRF的連接

圖3 MK60與STM32的連接

1.3 圖像采集模塊

OV7725直接輸出二值化后的像素，經DMA采集壓縮后，在160x120的分辨率下一幀圖像僅為2.4Kb.

2 系統(tǒng)的軟件設計方案

當硬件接口配置好之后，接下來最主要的工作就是如何用軟件來編程實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集、壓縮、傳輸、接收、解壓以及顯示.

2.1 圖像的采集

假設某行接收的五個圖像數(shù)據(jù)為：0x80,0x01,0x55,0xAA,0x01則我們看到的見圖4.

圖4 40個像素圖

1表示黑色，0表示白色，這樣一個字節(jié)就可以表示8位像素，如0x80對應的二進制為10000000(2)，如此就能把19200個像素點壓縮為2400字節(jié)進行傳輸.

2.2 圖像的無線發(fā)送

為了避免攝像頭采集的時序與nRF24L01發(fā)送的時序相沖突，故采用采集一幅圖像后再進行無線發(fā)送的方案.接收到的一幀圖像數(shù)據(jù)為2400字節(jié)，需要在幀頭加上0x55，幀尾加上0xAA，便于上位機的處理，故一幀圖像總大小為2402字節(jié)，程序流程圖見圖5.

圖5 nRF24L01發(fā)送程序流程圖

2.3 圖像的接收與傳輸至上位機

STM32F103C8T6循環(huán)查詢nRF24L01寄存器，一旦有數(shù)據(jù)接收則立刻通過串口發(fā)送至CH340，CH340將TTL電平虛擬成USB串口.程序流程圖見圖6.

圖6 nRF24L01接收和發(fā)送至上位機程序流程圖

2.4 上位機對數(shù)據(jù)的處理與解壓縮

上位機采用LABVIEW編寫.LabVIEW采用可視化的G語言編寫程序. LabVIEW集成了串口讀取控件VISA與一系列數(shù)據(jù)顯示控件，利用LabVIEW進行上位機的編寫僅需考慮數(shù)據(jù)的處理，大大提高了開發(fā)效率.對串口進行數(shù)據(jù)操作需要安裝VISA支持[4].

從串口讀取到的數(shù)據(jù)為流的形式，故需要設置一個大于一幀圖像的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并配置串口波特率為2000000，讀取停止符為0xAA.

當接收遇到接收停止符0xAA時可視為接收到一幀圖像，但此時需要檢測接收到的數(shù)據(jù)總長度是否為2402個字節(jié)，同時檢測包頭數(shù)據(jù)是否為0x55，若判斷兩個條件成立則可視為這是一幀完整的圖像數(shù)據(jù).串口數(shù)據(jù)流幀的讀取與有效性判斷見圖7.

圖7 幀有效性判斷

圖8 圖像數(shù)據(jù)的解壓縮與顯示

判斷為有效幀后就可進行圖像數(shù)據(jù)的解壓縮與顯示，將一個字節(jié)的數(shù)據(jù)解壓為二進制的二維布爾數(shù)組轉換并經過繪圖控件將圖像顯示出來，當數(shù)據(jù)源源不斷地傳至上位機，圖像控件就會不斷地刷新數(shù)據(jù)，形成視頻流.圖像的解壓與顯示見圖9.經實驗最大可達27幀每秒的速率，顯示效果見圖9.

圖9 圖像的顯示與處理

3 結束語

本設計利用計算機CPU高主頻的優(yōu)勢，提出用nRF24L01結合STM32，實現(xiàn)了一種低成本無線圖像傳輸方案，圖像數(shù)據(jù)可在上位機進行任意的處理，例如賽道模式識別，實時獲取機器學習所需的訓練數(shù)據(jù)集，經試驗測試，效果良好.

參考文獻：

[1]Texas Instruments. STM32F103C8T6 Data Sheet[EB/OL]. http://www.st.com, 2016.

[2]Nordic nRF24LU1+ Data Sheet[EB/OL]. http:// www.nordicsemi.com, 2016.

[3]葉鵬,陳星,張華. 基于MCU和nRF24L01的圖像無線傳輸設計[J]. 機電產品開發(fā)與創(chuàng)新,2013,(3):89-91.

[4]呂向鋒,高洪林,馬亮,等. 基于LabVIEW串口通信的研究[J]. 國外電子測量技術,2009,(12):27-30,42.