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艾睿电子利用STMicroelectronics的低成本、高性能的基于Arm® Cortex®-M7内核的STM32H7系列微控制器，来构建低带宽和低功耗无线视频传输演示解决方案
无线视频传输是当前市场中的热门需求，像是需要远程控制和传输视频和音频流的婴儿监视器、视频门铃和玩具等产品，都需要在设计中加入低功率、低带宽（约1.3Mbit/s）、长距离应用的直接无线通信功能。本文将为您介绍由艾睿电子所推出的无线视频传输的解决方案，以了解该参考设计的设计理念与相关器件的功能特性。
低带宽、低功耗的无线视频传输系统
这个参考设计使用了意法半导体（STMicroelectronics）的高性能、低功耗、基于Arm® Cortex®-M7的STM32H7 MCU系列，以构建出低带宽、低功耗无线视频传输系统。这个设计避免使用如Wi-Fi或高成本无线HDMI等高功耗的连接解决方案，采用直接点对点数据传输，避免通过Wi-Fi连接，以减少黑客攻击和互联网安全问题。此外，该设计无需操作系统，因此可减少所需的系统内存，且支持长距离传输，可以添加额外的PA/LNA，以将传输范围提高到300m。
该解决方案为了最大限度地降低的成本，选择了低成本SoC（片上系统）来实施，使用意法半导体基于Arm® Cortex®-M7的STM32H7 MCU系列，因为该处理器利用ST的非易失性存储器（NVM）技术，来达到基于Cortex-M微控制器的1327 DMIPS/3224 CoreMark的业界最高基准分数，并可从嵌入式闪存来执行。此外，它还嵌入了JPEG硬件加速器，用于进行快速JPEG编码和解码，从而减轻CPU的负担，并结合多电源域架构，可以通过设置在低功耗模式下的不同电源域配置，来优化电源效率。
为了优化视频的传输质量，选择了支持低功耗、远距离、强抗干扰特性的射频模块，该射频模块在2.4GHz ISM频段工作，以适合此应用的GFSK进行调制，并在嵌入式系统中同时实现接收和发送端。
全方位的无线射频传输与接收解决方案
该解决方案的硬件设计演示了使用低功率射频连接的无线视频传输和接收，因此它配备了包括AV发送器和AV接收器这两个单元。
AV发送器的演示单元集成了一个用于捕获视频数据的摄像机模块、一个用于捕获语音数据的脉冲密度调制麦克风（PDM），和一个用于传输AV数据的射频模块。视频数据被馈送到基于Arm® Cortex®-M7内核微控制器的硬件加速JPEG编码器以执行视频压缩。微控制器的解码软件将PDM音频数据转换为脉冲编码调制（PCM）格式的数据，然后将视频和音频数据组合并通过SPI接口传递到射频模块，并传输到接收器单元。可选的LCD面板用于用户接口和捕获的视频显示功能。
为了加快开发速度，选择采用STM32H7B3I-DK Discovery套件来进行开发，它是基于STMicroelectronics Arm® Cortex®-M7内核的STM32H7B3LIH6QU微控制器的完整演示和开发平台。该套件包含几乎所有外设，如USB OTG_HS、microSD、USART、FDCAN、音频DAC立体声、摄像机、SDRAM、Octo-SPI闪存和带电容式触摸面板的RGB接口LCD。此外，ARDUINO® Uno V3连接器可轻松连接到扩展子板，射频模块设计为适合作为子板安装到此ARDUINO® Uno V3连接器中，以将射频模块连接到微控制器以传输AV数据。
AV接收器演示单元则集成了一个射频模块，用于从发射器接收AV数据。接收视频数据被馈送到基于Arm® Cortex®-M7内核的微控制器硬件加速JPEG解码器，以将视频数据解压为RGB格式，音频编译码器对接收的音频数据进行解码，DSI转HDMI适配器则用于将RGB视频传递到HDMI接口。
AV接收器采用STM32H747I-DISCO Discovery套件这个完整的演示和开发平台，适用于基于STMicroelectronics Arm® Cortex®-M7和-M4双核的STM32H747XIH6微控制器，带有四个I2C、六个带有两个多路复用全双工I2S接口的SPI、SDRAM、Quad-SPI Flash、DCMI连接器、MIPI DSI接口等。此外，ARDUINO® Uno V3连接器可轻松连接到扩展子板，射频模块设计为适合作为子板插入此ARDUINO® Uno V3连接器，将射频模块连接到微控制器以接收AV数据。
高效率、高质量的射频与图像传感模块
艾睿电子团队与第三方设计公司合作，开发了基于STM32WB55 RF SOC收发器和2.4Ghz频段RF EFM的射频模块。它是一个具有UART和SPI接口的小尺寸模块，用于控制和数据传输。它在2.4GHz频段具有高达20dbm的最大输出功率，并且能够将数据传输到200m的视线范围内。该模块利用跳频技术避免对其他系统的干扰，从而允许多用户和Wi-Fi友好共存。
STM32WB是一款基于32位Arm® Cortex®-M4的MCU，具有多协议的无线射频收发器集成芯片组，它将处理所有与射频层相关的处理，包括数据丢失重传、RSSI、射频功率控制和先进先出，使整个无线通信过程对系统透明。
演示中的图像传感器模块支持2个摄像机模块，除了STM32H7 EVB随附的CMOS传感器模块，艾睿电子团队还与光学模块合作伙伴配合，使用他们的摄像机模块，该模块由安森美半导体的MT9M114图像传感器、镜头、滤光片所构建。该模块在具有标准并行接口的FPC板上制作，它允许用户轻松开发成像系统，而无需担心聚焦、滤光和光学对准问题。
摄像机模块中使用安森美半导体720p图像传感器MT9M114，这是采用SOC设计的高质量图像传感器。SOC实现了多种摄像机功能，包括自动对焦、自动白平衡和自动曝光，这是一种经济高效、紧凑的单芯片解决方案，可提供卓越的图像质量和易于集成，可降低总体系统成本和加速产品上市时间。
先进、免费、具拓展性的软件开发环境
在软件开发方面，采用STM32CubeIDE ver.1.6.1用于源代码编程和调试。STM32CubeIDE是意法半导体免费提供的多合一多操作系统开发工具，它是一个先进的C/C++开发平台，具有STM32微控制器和微处理器的外设配置、代码生成、代码编译和调试功能。
AV发送器的软件开发以射频模块、摄像机模块和PDM麦克风的初始化开始。摄像机通过STM32H7的DCMI接口捕获视频数据，捕获的每个视频帧都会产生中断，帧缓冲区通过DMA信道传输到系统内存，然后帧缓冲区将馈送到STM32H7的内置硬件JPEG加速器，将视频帧压缩为JPEG格式，以减少所需的带宽。在此同时，PDM麦克风通过STM32H7的DFSDM接口以8Khz采样率采集语音数据，并通过软件解码将脉冲密度调制数据转换为16位脉冲编码调制数据，为了减少传输音频数据的带宽，实施了专有的压缩方案。
AV接收器的软件开发则以初始化射频模块、音频编解码器和DSI-to-HDMI适配器开始，然后STM32H7微控制器会监控射频模块的状态，一旦接收到AV数据，视频数据就会被提取出来，输入STM32H7内置的硬件JPEG加速器，将视频数据解压为RGB帧数据。RGB帧数据随后将被传输到显示缓冲区，如果安装了LCD，视频将输出到LCD显示器。否则视频将通过DSI-to-HDMI适配器输出到外部HDMI显示器。对于接收到的音频数据，它们将被解压缩，然后放大到16Khz采样率以适应外部HDMI设备（例如电视机的最低采样率要求）。
未来该参考设计还将做进一步的开发，包括无线传输的丢包检测和错误处理，以提高视频传输的稳定性和持久性，另一方面，目前该设计使用专有的压缩和解压缩算法，为了支持更高的采样率并保持最低带宽，可以实现一些其他音频编解码器，例如G722、MP3编码器。此外，对于像是门铃监控等某些应用，可以运用STM32H7处理器来加入人脸检测算法，先检测人脸，再激活射频进行视频传输，以进一步降低功耗。
结语
艾睿电子利用STMicroelectronics的低成本、高性能的基于Arm® Cortex®-M7内核的STM32H7系列微控制器，来构建低带宽和低功耗无线视频传输演示解决方案，其优化了STM32H7内置硬件加速JPEG引擎的使用，降低了传输视频所需的带宽，低功率射频模块则利用2.4GHz ISM频段和专有通信协议，提高射频传输的功率效率，射频模块内嵌串流API固件，缩短了解决方案的开发时间，让开发人员可以专注于不同的应用，例如婴儿监控或门铃监控系统，这个参考设计将让有意开发相关产品的设计师受益匪浅。
