基于USB接口的同步視頻輸出系統設計方案

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，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，具有更強大的通用性和靈活性。

本文所介紹的同步視頻輸出系統設計方案，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.可編程邏輯接口GPIF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。