基于USB接口的同步視頻輸出系統設計

摘要：介紹了一種實(shí)用的基于USB 2.0協(xié)議的同步視頻輸出系統的設計。系統采用CYPRESS公司的FX2 USB控制器，采用GPIF模式，硬件設計簡(jiǎn)化，能依據PAL制電視標準與主機同步輸出視頻圖像。
關(guān)鍵詞：USB2.0協(xié)議 視頻圖像 PAL制 GPIF

在信息技術(shù)日新月異的今天，人們對視頻圖像傳輸的需求越來(lái)越迫切，要求越來(lái)越高，而整個(gè)圖像傳輸系統的瓶頸在于視頻圖像的信息量很大，而且傳輸的過(guò)程中容易出現延時(shí)、抖動(dòng)、失真等現象，因此在選擇視頻圖像傳輸的總線(xiàn)要求速度高，錯誤率低的特點(diǎn)。目前視頻圖像實(shí)時(shí)傳輸采用的總線(xiàn)主要有PCI、1394以及USB。三者比較而言，USB 2.0高速傳輸協(xié)議，兼有快速、通用、可靠、省電、熱插拔等優(yōu)點(diǎn)，比傳統基于PCI總線(xiàn)、1394總線(xiàn)的視頻輸出系統，具有更強大的通用性和靈活性。特別是在需要利用筆記本電腦等便攜設備進(jìn)行視頻輸出的場(chǎng)合

本文介紹的同步視頻輸出系統，由作為外設的視頻輸出接口卡和主機上的應用軟件兩個(gè)部分組成，采用通用串行總線(xiàn)（USB）實(shí)現視頻圖像數據的傳輸，并依據PAL制電視標準與主機同步視頻顯示，畫(huà)面流暢清晰。

1.視頻輸出接口卡硬件結構和工作原理
1.1 視頻輸出接口卡的硬件結構
視頻輸出接口卡的結構框圖如圖1所示，主要由內置MCU的USB接口芯片、圖像存儲SRAM、以及D/A圖像輸出三個(gè)部分。各部分的主要功能為：USB接口芯片和主機通信，將主機的視頻圖像數據按照一定時(shí)序通過(guò)USB電纜寫(xiě)入SRAM保存；SRAM芯片負責數字視頻信號的存儲；D/A圖像輸出部分將數字視頻信號轉換成模擬視頻信號，按照PAL制式進(jìn)行輸出顯示。

1.2 視頻圖像傳輸和存儲顯示
本系統視頻圖像數據是通過(guò)USB電纜傳輸，USB電纜包含4根電線(xiàn)：Vbus，D＋，D－和GND。數據以480M高速信號在D＋和D－信號線(xiàn)上差分傳輸，而收發(fā)器在USB接口控制芯片上，不需要外部電路。

USB接口部分是本系統最為重要的通信部分。USB接口控制芯片采用的是CYPRESS公司的EZ USB FX2系列CY7C68013芯片。它內部集成帶8KB片內RAM的增強型51系列MCU、16位并行地址總線(xiàn)、8/16數據總線(xiàn)、IIC總線(xiàn)、4KB FIFO 存儲器以及通用可編程接口GPIF，串行接口引擎SIE和USB收發(fā)器，是USB 2.0的完整的解決方案。

串行接口引擎智能SIE通過(guò)包排序、信號產(chǎn)生/檢測、CRC產(chǎn)生/校驗、NRZI數據編碼、位填充和包標識產(chǎn)生/解碼來(lái)處理USB通信協(xié)議，并保證傳輸到USB電纜上的數據字節以L(fǎng)SB開(kāi)頭。它使MCU從繁瑣的USB協(xié)議中脫身，集中注意力放在控制數據的輸入和輸出。

FX2內部集成的高速MCU為增強型8051，功能較傳統的8051系列單片機強大，但在代碼的編寫(xiě)上兼容，使用方便，且速度是標準8051的3～5倍，工作頻率可以軟件設置，最高可為48Mhz，還帶有兩個(gè)串口，三個(gè)計數/定時(shí)器，八級中斷，雙數據指針?lè )奖銛祿K搬移。

外設接口有兩種接口方式：可編程接口GPIF和Slave FIFO?？删幊踢壿嫿涌贕PIF是主控方式，可以由軟件設計讀寫(xiě)控制波形，不通過(guò)MCU，就可以實(shí)現主動(dòng)對任何8/16位接口的控制器、存儲器和總線(xiàn)進(jìn)行數據的讀寫(xiě)。而且讀寫(xiě)的最高速度可以達到96MB/s，高于USB2.0的傳輸速度。Slave FIFO是從控方式，外部控制器（如DSP 和單片機等）可以像對普通的FIFO一樣對FX2的多重緩沖讀寫(xiě)，工作方式也可選擇同步或異步，工作時(shí)鐘可以選擇輸入和輸出。

另外，它是基于RAM的“軟”系統解決方案，不需要ROM或者其他的固化存儲器，可以使用片內的程序/數據RAM。固件可以直接通過(guò)USB電纜下載，方便固件的修改和升級。

靜態(tài)存儲器SRAM采用IDT公司雙口異步靜態(tài)RAM芯片IDT70v09，8位數據線(xiàn)，17根地址線(xiàn)，64M容量。

視頻信號輸出轉換的芯片是DAC0800, 將數字圖像信號轉換為模擬信號，依據PAL制輸出。PAL制視頻輸出標準為25幀/秒，一幀分奇偶兩場(chǎng)，20ms一場(chǎng)，其中場(chǎng)正程為17ms,逆程為3ms。系統中正是利用場(chǎng)同步信號作為同步標準，使USB設備的圖像傳輸和顯示一致。

1.3 工作原理
當USB設備第一次插入到USB接口時(shí)，FX2通過(guò)USB電纜自動(dòng)枚舉，并下載固件程序和USB描述符表；接下來(lái)，FX2二次枚舉，根據下載的信息定義重新定義USB設備。這兩個(gè)步驟稱(chēng)為再枚舉，設備插入時(shí)就立即執行而沒(méi)有提示。二次枚舉以后主機可以通過(guò)控制管道和USB設備通訊，完成USB設備的端點(diǎn)配置等初始化工作，完畢，開(kāi)始查詢(xún)USB設備是否準備好。USB設備端MCU檢測外部中斷INT0（場(chǎng)信號跳變沿），若外部中斷INT0發(fā)生，則轉入外部中斷服務(wù)子程序，應答主機，說(shuō)明USB設備已經(jīng)準備好接受數據，主機查詢(xún)到此應答后，應用程序發(fā)一場(chǎng)圖像數據到FX2，單片機檢測到數據到達后，啟動(dòng)GPIF，然后GPIF獨立于MCU將圖像數據導入SRAM，一場(chǎng)圖像傳輸完畢，結束GPIF，退出中斷服務(wù)子程序，直到下一輪中斷開(kāi)始。D/A部分電路在場(chǎng)正程部分讀取SRAM圖像數據，并轉換為模擬信號輸出顯示，而在場(chǎng)逆程中禁止讀取SRAM。

2.固件（FIRMWARE）設計
固件是指固化在USB控制器中MCU的程序，它的主要功能是負責接收與處理主機發(fā)給設備的各種請求，并向主機返回設備的狀態(tài)信息。FX2 系列的固件代碼可以存儲到主機中，設備上電復位以后通過(guò)USB電纜手動(dòng)下載到FX2，這種方法易于升級，在系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程中很方便；固件代碼可以固化到片外存儲器EEPROM或者是ROM，設備上電以后，自動(dòng)下載固件到片內RAM，這兩種方法可以將系統固件做成產(chǎn)品，無(wú)須每次手動(dòng)下載。

本系統中固件分兩個(gè)部分，一個(gè)是數據通道的控制，一個(gè)是主機控制命令的應答。數據通道的控制主要是GPIF控制數據傳輸管道完成。而控制管道EP0則負責主機和USB設備端的去掉數據部分的通信：更改管道和端點(diǎn)配置信息，設置軟件中斷，更改GPIF視頻圖像傳輸的大小，獲取重要寄存器的狀態(tài)等等。

固件的程序框圖如上所示。其中設備請求部分即為控制管道信息，是由單片機負責，而數據通道主要是通過(guò)GPIF操作，隔離了單片機的參與，提高數據傳輸速度。

固件代碼編寫(xiě)使用Keil uVision，GPIF編程應用CYPRESS公司的GPIF工具（GPIFTOOL）。GPIF可以控制FX2端點(diǎn)FIFO，也可以產(chǎn)生六個(gè)控制輸出端（CTL0～CTL5）和九根地址線(xiàn)輸出，并且可以接收六個(gè)外部輸入信號，并對這些信號進(jìn)行邏輯編程控制，從而控制FX2與外部接口的讀寫(xiě)時(shí)序。實(shí)際操作可以利用GPIFTOOL繪制波形描述符，轉為C文件，配置各個(gè)相關(guān)的寄存器，控制SRAM接口讀寫(xiě)邏輯。
SRAM硬件接口的時(shí)序圖如下：

依據上面的波形圖，我們只需要在S1結束的時(shí)候跳轉S0 狀態(tài)即可。將繪制的波形圖應用GPIF TOOL轉換為gpif.c文件，加入Project中，連接編譯即可得到固件。

在固件編程中電源管理部分，由于FX2在首次枚舉電流大約是75mA，FX2設備的識別則至少需要100mA，小于500mA，因此在固件中要加進(jìn)電源檢測，如果小于100mA，必須向主機申請更大的電流，直到主機正確識別FX2。

3.用戶(hù)應用程序和USB設備驅動(dòng)程序設計
USB設備驅動(dòng)程序是連接USB外設、操作系統以及用戶(hù)應用程序的橋梁，是USB設備連接到計算機系統的軟件接口。

FX2 系列CYPRESS公司提供了一個(gè)通用的USB驅動(dòng)程序ezusb.sys，可以實(shí)現USB外設和應用程序之間的一般的通信和控制功能,開(kāi)發(fā)者如果需要實(shí)現系統特有的通信和控制功能，必須在此基礎上加以修改，比如，通用USB驅動(dòng)程序每一次塊傳輸數據大小必須小于64KB，而一般一幅圖像數據的大小大于或者等于64KB，如果要求每次傳輸一幅圖像到USB外設，則必須在通用USB驅動(dòng)程序上加以改動(dòng)。

此外還需要在驅動(dòng)程序中添加下載固件部分，在USB外設上電以后，可以自動(dòng)下載固件到FX2的RAM中，FX2二次枚舉，主機正確識別USB外設。

用戶(hù)的應用程序是操作系統和用戶(hù)的接口，它以不同的參數調用驅動(dòng)程序的函
數，控制USB外設，實(shí)現用戶(hù)定義系統的各種功能：讀寫(xiě)視頻圖像，利用控制管道的用戶(hù)定義命令對FX2進(jìn)行監控以及重新下載固件等等。

應用程序的程序框圖如下：

4.結束語(yǔ)
針對視頻圖像同步輸出實(shí)際需要，本系統采用USB 2.0的高速協(xié)議，CYPRESS公司的FX2 USB 控制器，使USB設備接口硬件簡(jiǎn)化，引入視頻顯示部分的場(chǎng)同步信號觸發(fā)數據流，視頻圖像的顯示結果標準平滑。本系統視頻圖像的傳輸速度嚴格依據PAL制為50場(chǎng)/秒，GPIF的接口速度為24MB/s。此外本系統可擴展性強，方便實(shí)用，稍加改動(dòng)，可以將任何數據從主機高速導入外設，目前可以達到最大速度為23MB/s；如果加入視頻采集部分電路，就可成為一個(gè)實(shí)時(shí)采集視頻系統。

參考文獻
1．Cypress Semiconductor Corporation. EZ-USB FX2 Technical Reference Manual,2002;12
2．Compaq ,HP ,Philips etc. Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 ,2000