基于WiFi技术的视频传输系统的研究与设计

【摘要】 随着经济的发展，我国对于煤炭的需求与日俱增。煤炭开采规模越来越大，也就意味着有越来越多的矿工需要在井下作业。目前，大多数矿山企业都采用有线传输的方式，一旦发生矿难，有线线缆被破坏，视频传输就会立即中断，进而使井上搜救人员不能及时了解井下被困人员的情况，影响救援的决策与进度。因此，有必要建立一套完整的井下视频无线传输系统。WiFi技术应用于井下无线视频传输系统具有速度快、可靠性高、灵活性好、传输距离远，抗干扰能力强等优点，同时方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。因此，本论文提出基于WiFi技术的视频传输系统的设计与实现。视频传输系统由发送端、接收端、交换机、光电转换器以及监控中心组成。

【关键词】 WiFi技术 MSP430F5438 W5200 视频传输

一、视频传输系统发送端的硬件设计

1.1 发送端组成框图

发送端由处理器模块、视频采集模块、WiFi模块、复位电路、电源电路、时钟电路、JTAG接口电路组成。如图1所示。

（1）处理器模块：本文选用MSP430F5438作为处理器模块，它是整个分站的心脏，负责完成各芯片的驱动、数据的收发处理。（2）视频采集模块：通过摄像头进行井下视频的采集。（3）WIFI发送模块：选用WIFI模块，将采集到的视频信号向上传输。（4）FLASH存储器：主要用作程序代码、数据表格以及用户信息的存储。（5）JTAG接口电路：它是电路板调试时的调试接口，是用来完成烧写操作的。（6）复位电路：对电路进行复位操作。（7）电源电路：给MSP430和WIFI模块供电。（8）时钟电路：对各个指令的执行进行时间控制。

1.2 发送端各单元模块设计

1.2.1 处理器模块

处理器是发送端的核心部分，主要负责各个模块的通信，视频采集处理，并将采集的信息上传给模块，同时通过控制WiFi模块LTM22实现无线收发数据。

本模块的主控制器选用了功能强大、功耗低的MSP430F5438，MSP430F5438单片机的封装具有100个引脚，并且能工作在低功耗状态下。该微处理器芯片因为有较好的市场潜力和灵活强大的应用特性，迅速在嵌入式系统领域得到广泛的应用和较快的发展。芯片硬件扩展能力强，内存空间大，下载和调试程序非常方便，同时单片机Flash存储器空间达到256K，内部RAM达到16KB，可以在系统写入底层驱动程序和TCP/IP协议栈的同时拥有足够大的内存空间来实现数据的接收和发送。

该芯片的主要特点如下：（1）可以在超低功耗状态下正常工作。芯片工作电压为1.8V-3.6V，工作电流为0.1uA-400uA，6us就可以低功耗模式下唤醒。（2）硬件处理能力很强。寄存器寻址方式多样，指令系统简洁，拥有16位精简指令结构。片内存储器和寄存器可进行数字和逻辑运算，多个中断源可以实现嵌套。（3）外设资源丰富。256KB的Flash存储器，12位A/D转换，16位定时器，2个通用串行接口，硬件乘法器，看门狗计数器和内部温度传感器等。（4）系统工作稳定。晶体振荡器起振稳定后，可以根据设定的系统时钟频率来工作，如果程序跑飞，看门狗电路会产生复位信号以便保证系统正常运行。

1.2.2 WiFi模块

视频发送端的WiFi模块的芯片选用了LTM22。LTM22芯片是针对IEEE802.11/WiFi无线传感网络应用的片上系统（SoC）解决方案，LTM22芯片采用增强型8051MCU、128KB闪存、8KB的RAM等高性能模块，并内置了IEEE802.11协议栈。加上超低功耗，使得它可以用很低的费用构成WiFi节点，这种解决方案能够提高性能并满足以为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本，低功耗的要求。同时，LTM22的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用，LTM22电路图如图2所示。

1.2.3 电源电路

供电模块选择芯片AS1117。AS1117 是一款低压差的线性稳压器，当输出 1A 电流时，输入输出的电压差典型值仅为1.2V。AS1117 除了能提供多种固定电压版本外，还提供可调端输出版本，该版本能提供的输出电压范围为 1.25V～13.8V。AS1117 提供完善的过流保护和过热保护功能，确保芯片和电源系统的稳定性。同时在产品生产中应用先进的修正技术，确保输出电压和参考源精度在±1%的精度范围内，电源模块电路图如图3所示。

1.2.4 JTAG接口电路

JTAG接口是电路板调试时的调试接口，是用来完成烧写操作的。为程序的调试提供了极大的方便，可以让用户使用单步运行、设断点等调试手段。JTAG信号接口定义如下：（1）TCK返回的测试时钟输出。（2）TDO JTAG接口的测试数据输出。（3）TDI JTAG接口的测试数据输入。（4）TCK JTAG接口的测试时钟。（5）TMS JTAG接口的测试模式选择。（6）RST JTAG接口的测试复位。

JTAG接口主要用于连接仿真器，仿真器通过JTAG接口可以对存储器中代码进行在线编程和功能调试。标准的4线JTAG调试接口的作用分别是数据输入（TDI）和数据输出（TDO）、时钟输入（TCK）、模式选择（TMS）。 MSP430F5438与前期开发的一些单片机系列有所不同，JTAG接口完全独立，因为不再与I/O 口复用，方便调试，JTAG接口电路图如图4所示。

二、视频传输系统的软件设计

软件系统采用μC/OS-II实时操作系统，主程序用C语言编写。主要包括摄像头采集、WIFI、收发数据和视频监控中心显示等，系统软件框架如图5所示。

三、总结

本设计基于WiFi技术，选用MSP430F5438、LTM22及W5200等低功耗器件开发了一种成本低、功耗低的视频传输系统。利用新型无线传输技术实时上传数据，实现了数据的实时性，工作稳定可靠，具有良好的应用前景。

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