USB接口的數字攝像系統設計

摘要：討論了基于USB（Universal Serial Bus）接口的數字攝像系統的實(shí)現。該系統使用CYPRESS公司的EZ_USB系列芯片，并利用其開(kāi)發(fā)板來(lái)實(shí)現數字攝像系統。該系統完全符合USB1.1協(xié)議，是一個(gè)新型的多媒體設備。

關(guān)鍵詞：USB 攝像系統 I2C總線(xiàn) 固件

USB作為一種新的擴展接口，主要致力于計算機-電話(huà)一體化和應用類(lèi)消費產(chǎn)品。它的數據傳輸率比標沖串/并口高。USB總線(xiàn)具有時(shí)分復用的特點(diǎn)，多個(gè)不同速度的USB外設可以通過(guò)集線(xiàn)器同時(shí)連接到同一臺計算機的同一個(gè)USB口上，在USB總線(xiàn)帶寬允許的情況下，多個(gè)外設可以同時(shí)工作而不相互影響。USB傳輸速率適用于中、低速外設。高速模式下，USB支持實(shí)時(shí)的視頻、音頻和壓縮的視頻數據傳輸。

在視頻會(huì )議和可視電話(huà)等多媒體應用中，具有數字接口攝像系統（CAMERA）是其關(guān)鍵的部件。它完成視頻圖像的采集、處理，并通過(guò)數字接口把信號送進(jìn)計算機顯示，作進(jìn)一步處理。

1 USB數字攝像系統原理

1.1 USB簡(jiǎn)介

通用串行總線(xiàn)（Universal Serial Bus）適用于USB外圍設備連接到主機上，通過(guò)PCI總線(xiàn)與PC內部的系統總線(xiàn)連接，實(shí)現數據的傳送。同時(shí)USB又是一種通信協(xié)議，支持主系統與其外設之間的數據傳送。在USB的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議中，每個(gè)USB的系統只能有一個(gè)主機。

USB是一種層狀的星形拓撲，其根部是主機控制器，USB器件與根據接口連接實(shí)現其功能。若多個(gè)器件同時(shí)行使其功能，就要通過(guò)集線(xiàn)器來(lái)擴展，但擴展層不能超過(guò)5層。USB器件支持熱拔插，而且可以即插即用。USB一般支持兩種傳輸速度，即低速1.5Mbit/s和全速12Mbits/s，在USB2.0版本中其速度提高到480Mbits/s。

USB有幾種用于不同類(lèi)型的數據傳輸方式?？刂苽鬏?，主要用于設置、命令和狀態(tài)信息；中斷傳輸，與一般的中斷概念不同，主要用于打印機、掃描儀等大量數據傳輸；同步傳輸，用于視頻、聲音等實(shí)時(shí)傳輸。

考慮到USB傳輸速率較高，如果利用只實(shí)現ENGINE功能的芯片，外加一個(gè)普通微控制器（如8051），其處理速度就會(huì )很慢而達不到USB傳輸要求。USB外設作為消費類(lèi)產(chǎn)品的目之一在于降低產(chǎn)品成本，如果采用高速微處理器（如DSP），滿(mǎn)足了USB的傳輸速率，但成本較高。經(jīng)多方面比較選擇了CYPRESS公司的內置微控制器芯片EZ-USB 2131Q，開(kāi)發(fā)了具有USB接口的數字攝像系統。

1.2 系統的原理圖

系統的原理圖如圖1所示。

整個(gè)系統以EZ-USB為核心，通過(guò)I2C總線(xiàn)控制電路對數字CAMERA芯片的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，數字圖像數據通過(guò)數據轉換電路送入數據緩沖區，USB總線(xiàn)控制器從數據緩沖區中讀取數據。與計算機的通訊則通過(guò)USB接口實(shí)現。

2 USB數字攝像系統硬件

2.1 EZ_USB 2131Q芯片介紹

EZ_USB 2131Q內部框圖如圖2所示。它是Cypress公司的內嵌微控制器的80pin的USB接口控制芯片，包含3個(gè)8位多功能端口、8位數據端口、16位地址端口、2個(gè)USB數據端口和其它輸入輸出端口。

EZ_USB 2131Q芯片采用了一種基于內部RAM的解決方案，允許客戶(hù)隨時(shí)不斷地設置和升級，不受端口數、緩沖大小、傳輸速度及傳輸方式的限制。

片內嵌有一個(gè)增強型的8051微控制器，與標準的8051相比，其速度快3倍。它通過(guò)內部RAM編程和數據存儲，這樣使得芯片具有軟特性。USB主機通過(guò)USB總線(xiàn)下載8051程序代碼和設備特征到RAM中，然后EZ_USB芯片作為一個(gè)由代碼定義的外圍設備重新連接到主機上。

EZ_USB 2131Q有兩種同步傳輸方式：即普通讀寫(xiě)方式和快速讀寫(xiě)方式。在普通讀寫(xiě)方式下，芯片從外部讀取或向外部寫(xiě)入數據的速率不會(huì )超過(guò)1000字節/毫秒，而且數據傳輸指令只能一一列出，共要寫(xiě)出1000行相同的指令。中間不能用循環(huán)來(lái)傳輸數據，而且也沒(méi)有時(shí)間來(lái)加入其它指令。這種方式對于要求同步傳輸、每幀傳輸1023字節的設備是不可取的。在快速讀寫(xiě)方式下，芯片可以在0.5毫秒內從外部讀取或向外部寫(xiě)入1023字節的數據，并且還留有足夠的時(shí)間可以加入其它指令。

如圖2所示，USB收發(fā)器連接到USB總線(xiàn)的D+和D-管腳；串行接口引擎（SIE）編碼和解碼串行數據并且進(jìn)行錯誤校驗、位填充和執行USB所需的其他信號，最后完成數據從USB接口的傳輸。

EZ_USB-2131Q使用了一個(gè)增強型SIE/USB接口（USB核），它本身完成了許多的USB協(xié)議，這樣就簡(jiǎn)化了8051代碼。

2.2 EZ_USB系列USB總線(xiàn)仿真板

CYPRESS公司的EZ_USB開(kāi)發(fā)板為USB設備的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)良好的工具。開(kāi)發(fā)板使用的是80管腳的AN2131Q芯片，而且包含5個(gè)用于擴展接口的引出端。板上所有的電路均為3.3V，開(kāi)發(fā)板可以由USB連接器供電，也可以由外部供電。

EZ_USB開(kāi)發(fā)板包括以下幾個(gè)部分：

·2131 EZ_USB集成電路，它包括一個(gè)高性能的8051核；

·64擴展RAM（由兩個(gè)32K RAM組成）；

·兩個(gè)8051 UART口；

·DIP開(kāi)關(guān)控制來(lái)選擇RAM內存映射地址和EEPROM地址；

·兩個(gè)I2C總線(xiàn)的8位I/O擴展芯片，一個(gè)用于驅動(dòng)七段LED，另一個(gè)用于讀8位開(kāi)關(guān)狀態(tài)；

·一個(gè)3.3V調節器，它可以把5V轉換成3.3V；

·電源和中斷/監控指示燈；

該仿真板基于EZ_USB系列USB總線(xiàn)控制器，它包含標準的MCS51外設模塊和USB模塊。USB模塊集成了USB的收發(fā)器、串行總線(xiàn)接口機制、功能接口單元和收/發(fā)緩沖區。通過(guò)內存配置開(kāi)關(guān)可靈活地改變RAM的地址空間，并方便地進(jìn)行內存擴充。

利用該板上的I/O擴展連接口提供的控制線(xiàn)和數據線(xiàn)對CAMERA芯片進(jìn)行控制，并完成圖像數據的輸入。圖像數據則通過(guò)USB端口送入計算機，可以進(jìn)行導步傳輸和等時(shí)傳輸。

監控程序駐留在板上的EPROM內，可與PC機進(jìn)行通訊，控制程序通過(guò)外部UART送入仿真板，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。這個(gè)仿真板和控制器都完全滿(mǎn)足《USB協(xié)議》。采用該仿真來(lái)完成產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，并在此基礎上完成產(chǎn)品?？商岣弋a(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

2.3 數字CAMERA芯片

采集卡的CODEC是OmniVision Inc.的OV6620，該芯片將CMOS光感應核與外圍支持電路集成在一起，具有可編程控制與視頻模/數混合輸出等功能，其輸出的視頻為彩色圖像，與CCIR標準兼容。OV6620內部嵌入了兩個(gè)8位的A/D，因而可以同步地輸出8位或16位的數字視頻流。在輸出數字視頻流的同時(shí)，還提供象素時(shí)鐘PCLK、水平參考信號HREF、垂直同步信號VSYNC，便于外部電路讀取圖像。

2.4 I2C總線(xiàn)控制電路

I2C總線(xiàn)是一種雙向串行總線(xiàn)，它只有兩根信號線(xiàn)，可用于不同的IC或硬件模塊間的通訊。兩條線(xiàn)分別是串行數據線(xiàn)（SDA）和串行時(shí)鐘線(xiàn)（SCL），當與設備相連時(shí)，每條線(xiàn)都必須通過(guò)上拉電阻接到電源上。I2C總線(xiàn)上可連接多個(gè)主從設備。I2C總線(xiàn)具有控制簡(jiǎn)單、穩定可靠的特點(diǎn)。I2C總線(xiàn)的數據量是可編程的，其最大的數據量是100K.圖3給出了一個(gè)完整的I2C總線(xiàn)上的數據傳輸。

2.5 數據轉換及數據緩沖電路

CAMERA芯片的數據輸出率較高，并且輸出的圖像數據格式不能直接用于通過(guò)USB總線(xiàn)傳送，因而需要進(jìn)行數據格式轉換。CAMERA芯片的數據輸出格式由工作模式?jīng)Q定，通過(guò)I2C總線(xiàn)控制。為了簡(jiǎn)化電路，并保持系統一定的靈活性，采用了ALTERA公司的CPLD可編程邏輯陣列芯片來(lái)實(shí)現數據轉換。數據緩沖采用NEC公司的256K×8位靜態(tài)RAM芯片。電路圖如圖4所示。

CMAERA芯片主要輸出信號有：CLKOUT（時(shí)鐘輸出，作為CPLD芯片的全局工作時(shí)鐘）、Y和UV（視頻數據輸出線(xiàn)均為8位，作為CPLD芯片的數據線(xiàn)）、VSYNC（垂直同步信號，用作幀同步信號）、CHSYNC（水平同步信號，用作行同步信號）。

數據轉換電路通過(guò)可編程邏輯完成下列功能：根據同步信號，針對QCIF格式，過(guò)濾一行中的冗余數據和一幀中的同步行數據，產(chǎn)生數據緩沖芯片的寫(xiě)時(shí)鐘信號、寫(xiě)復位信號和寫(xiě)使能信號。數據的過(guò)濾是通過(guò)控制寫(xiě)使能信號實(shí)現的，該芯片在使能信號為低時(shí)，可以寫(xiě)入緩沖區，而在信號為高時(shí)，則不能夠將數據寫(xiě)入緩沖區。

數據緩沖芯片的數據輸入與數據輸出分別由不同的信號控制，兩者互不干擾。寫(xiě)數據控制信號有：WRCLK（寫(xiě)時(shí)鐘信號）、WRST（寫(xiě)復位信號）和WREN（寫(xiě)使能信號）。寫(xiě)操作過(guò)程是：首先，控制產(chǎn)生一個(gè)內部復位信號WRST，使寫(xiě)緩沖區的寫(xiě)地址指針指向零，在復位周期后，進(jìn)行寫(xiě)操作；在寫(xiě)時(shí)鐘信號的上升沿，如果寫(xiě)使能信號為低，一個(gè)時(shí)鐘周期后，數據就寫(xiě)入SRAM中，同時(shí)SRAM的寫(xiě)地址指針自動(dòng)增加。

讀操作信號有：RDCLK（讀時(shí)鐘信號）、RE（讀允許信號）、OE（輸入允許信號）和RDST（讀復位信號）。讀操作的過(guò)程為：控制產(chǎn)生一個(gè)讀復位信號RDST，使讀緩沖區的地址指針指向零，在下一時(shí)鐘周期進(jìn)行讀操作；在讀時(shí)鐘的上升沿，如果RE和OE信號同時(shí)為低，SRAM中的數據就會(huì )出現在輸出數據總線(xiàn)上，同時(shí)SRAM的讀地址指針自動(dòng)增加。

讀寫(xiě)操作過(guò)程互不干擾，各自有自己的地址指針。把CAMERA芯片輸出的圖像數據依約定的要求按幀存放在緩沖區，并加上相應的幀間隔標志，USB控制器則從緩沖區中讀取數據，并通過(guò)接口送往主機，完成數據圖像的傳輸。

3 USB數字攝像系統軟件

開(kāi)發(fā)一個(gè)USB設備，軟件設計是必不可少的。USB應用系統軟件設計分為三部分：USB外設端的固件（Firmware）、主機操作系統上的客戶(hù)驅動(dòng)程序以及操作界面程序。界面程序通過(guò)客戶(hù)驅動(dòng)程序與系統USBI（USB Device Interface）進(jìn)行通信，由系統產(chǎn)生USB數據的傳送動(dòng)作，固件則響應各種來(lái)自系統的USB標準請求，完成各種數據的交換工作和事件處理。

由于圖像數據自身的格式和USB同步傳輸適合傳輸時(shí)間敏感的大量數據，采用了同步傳輸模式。但是同步傳輸設備和進(jìn)程的同步設計有較大的難度，且它不提供錯誤檢查機制。固件利用中斷來(lái)響應主機I/O請求。因此8051核的IRQE是關(guān)鍵。需要注意的還有USB設備的初始化和配置。初始化時(shí)，要按嚴格的順序對AN2131的各寄存器進(jìn)行操作。主機操作界面程序是用VC++6.0編寫(xiě)的，主要實(shí)現圖像顯示以及圖像處理等多種功能。

該系統是為了開(kāi)發(fā)USB接口的數字化攝像設備而設計的，系統的一個(gè)性能是幀傳輸率，CAREMA芯片的數據傳輸率最高可達到30幀/秒。目前筆者所實(shí)現的USB接口，在等時(shí)傳輸方式下，可達到8幀/秒。由于目前采用仿真模式，系統的性能在最后的定型中，可得到進(jìn)一步的提高。

下一步將繼續進(jìn)行系統的集成和優(yōu)化，并最終實(shí)現產(chǎn)品化。由于目前的系統是基于系統仿真板的，所以必須進(jìn)行集成，以最小系統實(shí)現。此外，還要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)設備的驅動(dòng)程序。由于EZ_USB包括很多的功能，而這里只用到它的等時(shí)傳輸，浪費了很多的資源，加大了成本。所以在后繼研究中，還會(huì )開(kāi)發(fā)USB控制器，這樣才能真正地降低成本，提高性能。