嵌入式无线视频传输硬件Word格式.docx

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翻译

引　言

随着无线通信技术和视频压缩技术的迅速发展,使得

无线视频传输成为人们研究的热点。

目前的短距离无线

通讯技术有蓝牙、红外、IEEE802.11无线局域网技术、

HomeRF家用无线局域网技术、Zigbee技术和UWB技术

等。

与其他技术相比,蓝牙具有成本低、功耗低、体积小和

应用范围广泛等特点[1],但其带宽有限,而视频信息的数

据量十分惊人,要实现无线视频传输,必须对视频信息进

行压缩编码。

现有的视频压缩标准如MPEG-4,H.263

和H.264等都可以满足无线实时视频传输系统的要求。

基于以上考虑,本文设计了一个无线视频传输系统,

说明了该系统的硬件架构和软件设计,并进行了实验测试

和数据分析。

1嵌入式系统

1.1嵌入式系统发展现状与趋势

目前，在上海地区，嵌入式系统开发涉及的行业众多，水平参差不齐，大多数停留在8位单片机开发这个层面上，一部分单位开始采用32位机，并采用了实时操作系统。

而具有能够同时进行软件设计和芯片设计的SOC系统设计的系统级高端人才几乎没有，国际上领先的多核嵌入式系统设计，可重构嵌入式系统设计在上海市的应用还停留在少数研究单位的研究中。

2004年，中国嵌入式系统市场处于快速增长时期。

据预测，在未来的几年内，嵌入式系统的发展为几乎所有的电子设备注入了新的活力，由于迅速发展的Internet和非常廉价的微处理器的出现，嵌入式系统将在我们的日常生活里形成一个更大的应用领域。

到2004年为止，中国嵌入式系统的主要客户分布在电信、医疗、汽车、安全和消费类等行业。

按照行业细分，嵌入式产品主要分布在消费类电子、通信、医疗、安全等行业。

其中在消费类电子域嵌入占最大的市场份额，占36%，紧随其后的是安全，占26%，其次是电信、医疗及其它，各占20%、8%和11%。

1.2嵌入式系统技术前景

1.3嵌入式系统的硬件/软件特征

嵌入式系统的硬件必须根据具体的应用任务，以功耗,成本,体积,

可靠性,处理能力等为指标来选择。

嵌入式系统的核心是系统软件和应用软件，由于存储空间有限，因而要求软件代码紧凑，可靠，大多对实时性有严格要求。

早期的嵌入式系统设计方法，通常是采用“硬件优先”原则。

即在只粗略估计软件任务需求的情况下，首先进行硬件设计与实现。

然后，在此硬件平台之上，再进行软件设计。

因而很难达到充分利用硬件软件资源，取得最佳性能的效果。

同时，一旦在测试时发现问题，需要对设计进行修改时，整个设计流程将重新进行，对成本和设计周期的影响很大。

这种传统的设计方法只能改善硬件/软件各自的性能，在有限的设计空间不可能对系统做出较好的性能综合优化，在很大程度上依赖于设计者的经验和反复实验。

90年代以来随着电子系统功能的日益强大和微型化，系统设计所涉及的问题越来越多，难度也越来越大。

同时硬件和软件也不再是截然分开的两个概念，而是紧密结合、相互影响的。

因而出现了软硬件协同（codesign）设计方法，即使用统一的方法和工具对软件和硬件进行描述、综合、和验证。

在系统目标要求的指导下，通过综合分析系统软硬件

功能及现有资源，协同设计软硬件体系结构，以最大限度地挖掘系统软硬件能力，避免由于独立设计软硬件体系结构而带来的种种弊病，得到高性能低代价的优化设计方案。

2嵌入式系统的硬件/软件特征

嵌入式系统的硬件必须根据具体的应用任务，以功耗,成本,体积,可靠性,处理能力等为指标来选择。

嵌入式系统的核心是系统软件和应用软件，由于存储空间有限，因而要求软件代码紧凑，可靠，大多对实时性有严格要求。

从控制意义上说，嵌入式系统涉及系统最底层的，芯片级的信息处理与控制。

在某种意义上，对这些“微观”世界的了解与驾驭正是控制的真正目的。

嵌入式系统与通常意义上的控制系统在设计思路和总体架构方面有许多不同之处，而这些不同之处恰恰是传统控制学科教学中较少教给学生的。

在当今信息化社会中，嵌入式系统在人们的日常工作和生活中所占的份额，可能已超过传统意义的控制系统，这就是为什么我们的学生感到学的没有用，而有用的又没有学的原因。

在嵌入式系统及开发环境方面，目前仍有许多问题尚在研究发展之中，如，嵌入式系统的硬件软件协同设计方法；

面向多目标，多任务的微内核嵌入式操作系统；

分布嵌入式系统的实时性问题，分布式计算，分布式信息交互与综合处理；

以及嵌入式系统的多目标交叉编译和交叉调试工具的研究等。

我们希望通过这本教材再配合我们的实验开发平台，学习嵌入式系统的一些基本理论和硬件软件综合设计的方法与技能，亲自动手，实现一个嵌入式系统的解决方案，为今后的深入研究打下一个初步基础。

结语：

“嵌入式系统”作为自动化学科一门理论与实际密切结合的，知识与技术含量较高的综

合性专业课程，必将随着信息产业的发展而逐渐趋于成熟。

3视频传输系统的总体设计

3.1硬件架构

系统硬件的实现方案为:

发送端由摄像机,专用视频

编码芯片、OMAP5910和蓝牙模块CLASS1（BC04）等部

分组成。

该蓝牙模块,发射功率约为100mW（20dBm）,

支持蓝牙2.0+EDR协议,最高传输速率为3Mb/s,传输

距离可达100m,天线是普通的微带天线。

视频编码部分使用专用视频编码芯片。

该芯片通过

USB口供电和传输数据,输出的视频码流可以是MPEG

-1,MPEG-2,MPEG-4,MJPG或者H.263格式,输出

图像的分辨率范围为64×

64～720×

576,而且可以根据具

体需要修改相应寄存器和编码参数的设置。

对于TIOMAP5910SoC,其主要作用是运行嵌入式

Linux操作系统,配置专用视频编码芯片上的控制寄存

器,初始化蓝牙模块,运行和蓝牙协议栈相关的应用程序。

该SoC有32MB的SDRAM以及4MB的FLASH。

SDRAM用来运行操作系统,应用程序以及文件系统,

FLASH用来存储内核镜像文件和文件系统。

OMAP5910

SoC中的ARM925MPU可满足控制和接口方面的处理

需要[2]。

接收端由蓝牙模块CLASS1（BC04）,PC主机和显示

器组成,系统构架如图1所示。

工作过程为摄像机将外界图像转换为视频信号,将视

频信号传递给专用视频编码芯片得到标准的MPEG-4,

MJPEG等格式的码流,然后再将编码后的码流存储到

OMAP5910的SDRAM中,最后通过蓝牙模块CLASS1

（BC04）发送出去。

接收过程为发送的逆过程,通过蓝牙

模块CLASS1（BC04）接收到码流数据,PC主机部分再进

行存储、解码等处理,最终将解码后的图像送到显示器进

行显示。

3.2软件设计

3.2.1协议的软件实现

和许多通信系统一样,蓝牙的通信协议也采用层次式结构。

蓝牙协议可以分为4层[3],即核心协议层、电缆替代协议层、电话控制协议层和可选协议层。

蓝牙的核心协议包括基带协议（Baseband）、链路管理协议（LMP）、逻辑链路控制与适应协议（L2CAP）以及业务搜寻协议（SDP）四部分;

电缆替代协议层包括基于TS07.10的RFCOMM

协议;

电话控制协议层包括TCS二进制、AT命令集;

可选协议根据不同的应用可以包括很多,例如PPP,UDP/TCP/IP,OBEX,WAP,vCard,vCal,IrMC以及WAE等。

除上述协议层外,规范还定义了主机控制器接口HCI（HostControlInterface）,他为基带控制器、链路管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。

以HCI作为分界线,将蓝牙协议分为底层和应用层。

通过HCI来实现底层和应用层的连接。

蓝牙通信的具体实现方案有多种,既可以全部由硬件芯片来实现,也可以采用硬件和软件结合的方法。

本系统采用硬件和软件相结合的方法,其中基带和链路管理由蓝

牙模块CLASS1（BC04）实现,并通过HCI交互;

L2CAP和SDP等采用软件实现。

蓝牙软件协议栈在系统中的实现如图2所示。

蓝牙视频码流的发送是当发送端和接收端建立ACL链接后,通过SPP（SerialPortProfile）层应用框架进行传输。

3.2.2发送端的软件设计

发送端的软件包括嵌入式Linux操作系统,蓝牙软件

和其他应用程序。

根据发送端的硬件架构和数据流动方

向设计的软件流程图如图3所示。

发送端首先将FLASH

中的内核镜像文件解压到SDRAM中,并运行操作系统,

然后初始化蓝牙模块和配置专用编码芯片,当和接收端建

立好ACL链路后,发送端分为两个进程,一个用于采集数

据和编码,另一个用于码流的转存和发送,整个系统开始

工作。

应用程序主要是配置专用视频编码芯片来实现不

同的视频编码模式,参数的设置必须和蓝牙的传输速率匹

配,图像传输的实时性才能得到保证。

图3　发送端流程图

3.2.3接收端的软件设计

接收端的软件包括MPEG-4解码程序,MJPEG（运动

的JPEG图像,即一张张的JPEG图像的连续播放）解码程

序和蓝牙协议栈等相关程序。

接收端的简易流程图如图4

所示。

接收端首先初始化蓝牙模块,根据发送端蓝牙模块

的地址与发送端建立ACL链路,然后向发送端发送消息,

接收码流数据,并解码和显示,整个通信系统建立起来。

图4　接收端的简易流程图

通过多线程技术实现了蓝牙接收数据和视频解码的

同步运行,主程序包括蓝牙接收数据线程和解码（包括视

频显示）线程。

由于在Linux系统中一个进程中的线程之

间可以共享一些全局变量,这样通过设计全局的缓存就可

以实现解码线程和蓝牙数据接收线程之间数据的交换。

由于解码器的速度大于蓝牙接收数据的速度,可以在解码

函数中增加一些必要的等待语句（主要是等待码流数据）,

来实现两个线程之间的同步。

接收端的线程如图5所示,

在创建解码线程前,先进行视频模式的选择,根据不同的

视频模式,创建解码线程时调用不同的解码函数。

4　实验结果和分析

系统传输速率的测试,当发送端不停地发送数据,而

接收端只进行数据的接收、速率统计,而不进行解码时,特

定位置上的传输速率如表1所示,整个测试过程是在空旷

地进行的,取多次数据的平均值,通信距离可以达到

110m,增大蓝牙模块的发射功率和天线的增益可以进一

步提高蓝牙的传输距离。

通过表1可以看到,80m范围内传输速率都比较稳

定,在111Mb/s左右。

随着距离的增加,传输速率在80m

后下降比较快。

在距离100m时传输速率也能达到

803kb/s。

但是蓝牙模块CLASS1（BC04）理论上能达到

3Mb/s的传输速率,实际上在80m内的最高传输速率为

112Mb/s左右。

在传输速率方面,研究发现蓝牙传输的每

一包的数据量的大小对速率影响比较大。

当每一包的数

据量的大小为1510×

8b时传输速率不到1Mb/s。

当每

一包的数据量的大小为3040×

8b时,传输速率最高可以

达到112Mb/s左右。

最终通过配置专用视频编码芯片实现了三种模式的

实时视频传输:

模式1:

采用MPEG-4编码,图像分辨率

为352×

288,传输的速率为512kb/s,帧率为30f/s;

模式

2:

采用MPEG-4编码,图像分辨率为496×

384,传输的

速率为768kb/s,帧率为30f/s;

模式3:

采用MJPEG编

码,图像分辨率为640×

480,帧率为2f/s,此种模式的传

输速率主要受信道影响,不用配置。

在发送端与接收端距

离为20m时进行测试,主观图像质量非常好,三种视频模

式下的实验结果如表2所示。

对于模式1和模式2,延迟时间都在100ms以内,基

本上满足实时性的要求。

模式3的传输数据量比较大,图

像质量比较高,但帧率比较低,延迟较大。

当发送端与接收端距离为100m时,进行测试,得到

的实验数据如表3所示。

此时模式1和模式2图像质量

也比较好,实时性也很好。

但模式3丢包严重,图像质量

比较差,与其传输的数据量太大有关。

关于图像质量方面,由于无线信道是一种时变信道,

存在多径衰落,位差错率很高;

压缩后的视频流是可变速

率的,在网络拥塞或数据突发时,丢包严重;

当前广泛应用的低码率视频应用中的视频压缩标准,如H.263/H.26L/

H.264、MPEG-2/4等,使用预测编码和可变长度编码去

减少帧间的时间和统计冗余,这些措施可增大压缩率,但

会造成视频信号受传输错误的影响[4]。

对于模式1和模式2,码流格式为MPEG-4,由I帧

（intra-frame）和P帧（inter-frame）构成。

I帧是独立编

码的,没有采用任何参考帧,可独立解码,每隔一定时间出

现一次;

P帧是当前帧和前面的P帧或I帧的差值编码构

成的。

如果编码时全是I帧,很少会出现图像花的情况,

但由于I帧的数据量比P帧的数据量大,传输的帧率不会

太高,但P帧数量如果太多,尽管帧率可以提高,但P帧使

用预测编码,一旦出现丢包现象,图像质量会严重变坏,直

到I帧才可以恢复。

经过测试两个I帧之间有5个P帧可

以得到最佳的图像质量和很高的帧率。

对于模式3,码流

格式为MJPEG格式,可以认为每一帧都为I帧,传输的数

据量较大,但图像质量比较高。

结　语

本文对无线视频传输系统的硬件架构和软件设计都进行了详细地说明,实现了三种视频模式,前两种模式使用MPEG-4编码,延迟只有100ms,实时性达到了要求,传输距离可以达到100m,帧率能达到30f/s。

模式3使用MJPEG编码,图像质量比较高,帧率可以进一步提高。

本文还探讨了影响图像质量和传输速率等因素,当接收端不进行解码时的最高传输速率为112Mb/s。

本系统成本低、图像质量高,可以应用到视频监控,多媒体娱乐等许多领域。

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致谢