基于FPGA/CPLD和USB技術(shù)的無(wú)損圖像采集卡

摘要：介紹了外置式USB無(wú)損圖像采集卡的設計和實(shí)現方案，它用于特殊場(chǎng)合的圖像處理及其相關(guān)領(lǐng)域。針對圖像傳輸的特點(diǎn)，結合FPGA/CPLD和USB技術(shù)，給出了硬件實(shí)現框圖，同時(shí)給出了FPGA/CPLD內部時(shí)序控制圖和USB程序流程圖，結合框圖和部分程序源代碼，具體講述了課題中遇到的難點(diǎn)和相應的解決方案。 關(guān)鍵詞：無(wú)損圖像采集 圖像處理 FPGA/CPLD USB SAA7111A 現場(chǎng)圖像采集技術(shù)發(fā)展迅速，各種基于ISA、PCI等總線(xiàn)的圖像采集卡已經(jīng)相當成熟，結合課題設計了一款USB外置式圖像采集卡。該圖像采集卡已成功應用于一個(gè)圖像處理和識別的項目中，由于圖像信號不經(jīng)過(guò)壓縮處理，對后續處理沒(méi)有任何影響，因此圖像處理和識別的效果比一般的圖像采集卡要好，滿(mǎn)足了特殊場(chǎng)合的特殊需要。 1 外置式無(wú)損圖像采集卡的系統構成 整個(gè)無(wú)損圖像采集卡由圖像采集、圖像信號的處理和控制、USB傳輸和控制、PC機端的圖像還原和存儲等幾部分組成。 圖1 外置式圖像采集卡的硬件框圖 本文介紹的圖像采集卡采集的一幀圖像是720%26;#215;576象素，如果取彩色圖像，每象素用2個(gè)字節表示，每幀圖像是720%26;#215;576%26;#215;16=6480kbps，分成奇數場(chǎng)和偶數場(chǎng)分別存儲在兩片SRAM中，則每片的SRAM存儲3240kbps的圖像數據，因此選用了256K%26;#215;16=4M位的靜態(tài)存儲器（SRAM）。在圖像處理領(lǐng)域，通常只需要黑白圖像，可以只取圖像的黑白部分，每象素用1個(gè)字節表示，每幀圖像是720%26;#215;576%26;#215;8=3240kbps，每片SRAM存儲1620kbps的圖像數據。所采用的EZ-USB芯片理論速率是12Mbps，實(shí)際測得的速率是8Mbps，因此圖像采集卡每秒傳輸約1幀彩色圖像或2幀黑白圖像。 當插上圖像采集卡后，PC機會(huì )自動(dòng)識別它。在PC機上，應用程序通過(guò)USB向FPGA/CPLD發(fā)送圖像采集命令，CCD攝像頭輸出的PAL制式或NTSC制式的模擬視頻信號通過(guò)A/D轉換芯片轉換成數字視頻信號，用FPGA/CPLD作為采樣控制器，將數字信號存入靜態(tài)存儲器（SRAM）中，當完成一幀圖像采集后，FPGA/CPLD向USB發(fā)送中斷信號，要求USB進(jìn)行圖像數據的傳輸，在PC機端接收USB送來(lái)的一幀圖像數據，并且顯示、存儲圖像。文本具體講述了用該采集卡進(jìn)行黑白圖像的傳輸，整個(gè)硬件框圖如圖1所示。 2 外置式無(wú)損圖像采集卡的研制 2.1 圖像采集部分 圖像采集部分選用了Philips公司的視頻A/D轉換芯片SAA7111A（EVIP），對SAA7111A的初始化是通過(guò)EZ-USB所提供的一對I2C引腳SDA和SCL進(jìn)行的，在USB固件程序（Firmware）中進(jìn)行I2C通信程序的編寫(xiě)。本系統中SAA7111A的初始設定為：一路模擬視頻信號輸入、自動(dòng)增益控制、625行50Hz PAL制式、YUV 422 16bits數字視頻信號輸出、設置默認的圖像對比度、亮度及飽和度。SAA7111A芯片產(chǎn)生的數字視頻信號、控制信號和狀態(tài)信號送入控制芯片FPGA/CPLD中，即把場(chǎng)同步信號VREF、行同步信號HREF、奇偶場(chǎng)標志信號RTS0、片選信號CE、垂直同步信號VS、象素時(shí)鐘信號LLC2以及數字視頻信號VPO[15:8]等管腳連接到FPGA/CPLD芯片LC4128V，以便LC4128V獲知各種采集信息。同時(shí)，SRAM芯片的讀寫(xiě)信號、片選信號、高低字節信號、數據線(xiàn)IO[7:0]和地睛線(xiàn)A[17:0]連接到LC4128V，整個(gè)采集過(guò)程由FPGA/CPLD芯片LC4128V控制。 在PC機端，通過(guò)USB發(fā)出圖像采集命令后，FPGA/CPLD進(jìn)行圖像采集，由于CCD攝像頭輸出模擬信號，需要經(jīng)過(guò)視頻A/D轉化睛，把模擬視頻信號轉化成數字視頻信號，輸入進(jìn)FPGA/CPLD芯片，FPGA/CPLD根據狀態(tài)信號RTS0把奇偶場(chǎng)圖像信號分別存儲在SRAM（ODD）和SRAM（EVEN）中。 2.2 圖像信號的處理和控制 這部分是無(wú)損圖像采集卡的核心，需要對外圍的器件進(jìn)行集中控制和處理。FPGA/CPLD對圖像信號的采集、控制、存儲數據到SRAM以及從SRAM讀取數據都在這里實(shí)現。選用了Lattice公司的新一代產(chǎn)品ispMACH4000V-LC4128V，采用Verilog HDL作為硬件描述語(yǔ)言，但是所編寫(xiě)的Verilog源程序都適用于FPGA器件，又適用于CPLD器件。 FPGA/CPLD與USB接口部分由七個(gè)部分構成（如圖1所示）：Start線(xiàn)是拍攝線(xiàn)，它可以向FPGA/CPLD發(fā)出圖像采集命令，FPGA/CPLD把當前的奇數場(chǎng)圖像存儲在SRAM（ODD）中，把當前的偶數場(chǎng)圖像存儲在SRAM（EVEN）中；當一幀數據全部存儲完后，發(fā)出中斷（Interrupt）信號通知USB芯片；同時(shí)用State線(xiàn)作為狀態(tài)線(xiàn)，當State線(xiàn)為低電平時(shí)，表明USB可以從SRAM讀數據，當State線(xiàn)為高電平時(shí)，表明FPGA/CPLD正在向SRAM寫(xiě)數據；RamOdd用來(lái)選擇從SRAM（ODD）中讀取奇數場(chǎng)的數字視頻信號；RamEven用于選擇從SRAM（EVEN）中讀取偶數場(chǎng)的數字視頻信號；FPGA/CLPD輸出的數據線(xiàn)連接至USB和SRAM芯片，再通過(guò)USB傳送到PC機；FrdClk線(xiàn)是USB快速讀寫(xiě)方式輸出的讀選通信號，作為SRAM的時(shí)鐘，每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，地址值就加1，然后將對應地址單元中存儲的數據通過(guò)USB傳輸到PC機上。 下面具體描述FPGA/CPLD內部時(shí)序控制（如圖2所示）。首先需要產(chǎn)生FPGA/CPLD內部同步時(shí)鐘信號InClk，當FPGA/CPLD向SRAM存儲數字視頻信號時(shí)，用SAA7111A的LLC2作為內部同步時(shí)鐘信號；當FPGA/CPLD傳輸數字視頻信號時(shí)，用USB的讀選通信號FrdClk作為內部同步時(shí)鐘信號。當有VS上升沿時(shí)，如果RTS0為低電平，則表明是奇數場(chǎng)即將到來(lái)，產(chǎn)生LingPai高電平信號，對LingPai取反作用作SRAM（ODD）的寫(xiě)信號WE1；如果RTS0為高電平，則表明偶數場(chǎng)即將到來(lái)，產(chǎn)生LingPaiEven高電平信號，對LingPaiEven取反后用作SRAM（Even）的寫(xiě)信號WE2，WE1和WE2經(jīng)過(guò)與門(mén)后產(chǎn)生圖2中的兩個(gè)SRAM的寫(xiě)選通信號WE。此外，由LingRai和LingPaiEven產(chǎn)生LingPaiAll信號，作為選擇內部同步時(shí)鐘的控制信號。由USB芯片產(chǎn)生的Ramodd(OE1)和RamEven(OE2)信號，分別用作SRAM（ODD）和SRAM（EVEN）的讀信號，OE1和OE2經(jīng)過(guò)與門(mén)后產(chǎn)生圖2中的兩個(gè)SRAM讀選通信號OE。當LingPaiAll為高電平期間，表示FPGA/CPLD正在向SRAM存儲數據，此時(shí)用WE1作為SRAM（ODD）的片選信號CE1，用WE2作為SRAM（EVEN）的片選信號CE2；當LingPai為低電平期間，表示USB正在從SRAM讀取數據，此時(shí)用OE1作為SRAM（ODD）的片選信號CE1，用OE2作為SRAM（EVEN）的片選信號CE2。 圖2 FPGA/CPLD內部時(shí)序控制 下面闡述FPGA/CPLD如何對數據傳輸進(jìn)行控制，這部分是個(gè)難點(diǎn)（如圖2所示）。這里只討論如何對奇數場(chǎng)的數字視頻信號進(jìn)行控制，對偶數場(chǎng)的控制類(lèi)似于對奇數場(chǎng)的控制，本文不再多述。當LingPai為高電平時(shí)，表示FPGA/CPLD向SRAM存儲奇數場(chǎng)圖像數據，此時(shí)時(shí)鐘為L(cháng)LC2。當場(chǎng)同步信號VREF、行同步信號HREF、奇偶場(chǎng)標志信號RTS0為高電平時(shí)，改變相應SRAM的地址信號，并且把數字視頻信號輸出以?xún)炔康木彌_器VI，當LingPai為低電平時(shí)，表示USB正在從SRAM讀取奇數場(chǎng)圖像數據，此時(shí)時(shí)鐘為FrdClk。FPGA/CPLD內部用AddressChange記錄LingPai的變化，當發(fā)現有LingPai變化時(shí)，表示讀取數據變成了存儲數據或者存儲數字變成了讀取數據，此時(shí)需要把SRAM的地址值變成0。成Verilog中靈活運用了非阻塞型過(guò)程賦值（參見(jiàn)下面的源程序），解決了這個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。此外，需要把從SAA711A輸出的數字視頻信號先放在緩沖器VI[7:0]中，在LingPaiAll為高電平時(shí)，通過(guò)VO[7:0]輸出到SRAM，保證存儲數據的可靠同步性。這部分Verilog源程序如下： always @(posedge InCLK) begin AddressChange=LingPai； if(VREF %26;amp;%26;amp; HREF %26;amp;%26;amp; RTS0 %26;amp;%26;amp; LingPai) begin VI=VPO;A=A +1;end if(!LingPai %26;amp;%26;amp; !OE1) begin A =A +1； end if(LingPai!=AddressChange) begin A =0; end end 2.3 USB的開(kāi)發(fā)和數據傳輸 Cypress公司推出的帶有USB接口的EZ-USB系列處理器，實(shí)現了外圍設備通過(guò)USB接口與PC機進(jìn)行數據通信。它通過(guò)內部RAM編程和數據存儲，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（重枚舉）。 USB規范1.1版本定義了USB的四種數據傳輸模式：控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸和塊傳輸，以適應不同應用場(chǎng)合的需求。其中塊傳輸方式提供數據校驗，適用于無(wú)誤傳輸大指數據的場(chǎng)合。本課題選用USB的塊傳輸方式，同時(shí)采用了EZ-USB的快速傳輸模式，理論速率為12Mbps，實(shí)際最高速率能達到8Mbps。 當PC機檢測到USB圖像采集卡已經(jīng)插上后，PC機可自動(dòng)地將圖像采集卡的驅動(dòng)程序裝入操作系統，同時(shí)PC機通過(guò)USB總線(xiàn)下載8051程序代碼和設備特片到USB的RAM中。 USB的開(kāi)發(fā)包括USB的固件程序、Windows設備驅動(dòng)程序和Windows主機應用程序的編制，限于篇幅，這里只簡(jiǎn)單介紹一下USB固件程序（Firmware）的編制。USB固件程序的具體流程如圖3所示，在源程序的TD_Poll（）中加入了對比度、亮度及飽和度的調節，以做到在硬件上對圖像處理中的上述重要參數的調節，在外部中斷1中完成一幀數據的快速傳輸。 由于采用了外部中斷1，為了避免與USB中斷的沖突，需要在工程中自己編寫(xiě)一個(gè)匯編文件，內容如下： cseg at 43h ljmp 1800h end 此外，在編寫(xiě)的Keil C源程序中需要加兩句話(huà)，以解決USB中斷和外部中斷的地址重疊問(wèn)題。 #pragma intvector (0x17FD) #pragma interval(4) 為了增加USB傳輸數字視頻信號的速度，采用USB的快速讀寫(xiě)模式，在Keil C源程序中內嵌對USB進(jìn)行寄存器設置的匯編代碼。配置了USB的時(shí)鐘控制寄存器，采用全速訪(fǎng)問(wèn)數據存儲器，MOVX指令在兩個(gè)機器周期內實(shí)行，時(shí)鐘頻率為24MHz，因此USB產(chǎn)生的讀選通寬度為83.3ns。配置端口A(yíng)，使能PORTACFG（16進(jìn)制地址為7F93H）寄存器中的快速讀FRD。配置快速傳輸控制寄存器FASTXFR（16進(jìn)制地址為7FE2 H），采用快速塊傳輸，使能快速讀寫(xiě)信號。為了將端點(diǎn)2緩沖匹配置成FIFO，增加讀寫(xiě)速度，8051將端點(diǎn)2緩沖區（IN2）的首地址7E00H裝入自動(dòng)指針AUTOPTRH（16進(jìn)制地址為7FE3H）和AUTOPTRL（16進(jìn)制地址為7FE4H），并且dptr指向AUTODATA（16進(jìn)制地址為7FE5H），也就是指向了FIFO寄存器，這樣8051可以完全像FIFO一樣訪(fǎng)問(wèn)端點(diǎn)2緩沖區。 2.4 PC機端的圖像還原 在PC機端，用Visual C++ 6.0編寫(xiě)客戶(hù)應用程序，應用程序通過(guò)USB接收原始的奇數場(chǎng)和偶數場(chǎng)圖像數據，待接收完奇數場(chǎng)和偶數場(chǎng)圖像數據后，應用程序把它們組成完整的一幀圖像，并且把該幀圖像數據存儲到硬盤(pán)上，然后把這幀圖像轉化成BMP格式的圖像，以BMP格式再次在硬盤(pán)上存儲圖像數據，同時(shí)以BMP的形式顯示圖像。 3 應用前景 該無(wú)損圖像采集卡雖然是針對特殊的圖像處理應用而研發(fā)的，但它的作用很廣，能應用于嵌入式系統中的圖像傳輸、集成電路和精密機械領(lǐng)域中的器件定位等。此外，如果用USB2.0代替USB1.1，則能實(shí)時(shí)傳輸圖像數據到PC機或嵌入式系統，用軟件進(jìn)行圖像數據的壓縮處理，這塊外置式圖像采集卡可以作為一個(gè)很好的實(shí)時(shí)監控設備，以降低硬件成本。