解讀USB控制器芯片及其在圖像采集中的應用

一、USB規范簡(jiǎn)介

USB是一種支持在USB主機和USB設備之間進(jìn)行串行數據傳輸的通信協(xié)議。主機作為總線(xiàn)的主叫方，采用兩種信令模式：全速模式12Mb/s和低速模式1.5Mb/s。USB使用四種數據傳輸方式：控制傳輸(control)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)及等時(shí)傳輸(isochronous)。其中控制模式主要用于控制指令傳輸及USB規范的實(shí)現，等時(shí)傳輸主要用于音頻及視頻傳輸。USB通過(guò)兩次總線(xiàn)列舉(Enumeration and

Renumertion)來(lái)實(shí)現設備識別以及驅動(dòng)程序析加載。其具體過(guò)程為：USB設備連到主機后，主機依據USB規范在特定地址通過(guò)端口0(endpoint0)與外設通信，并將外設視為默認設備。外設與主機通信將其6設備標識(DID、PID、VID)發(fā)給主機進(jìn)行第二次總線(xiàn)列舉。主機根據設備標識，加載相應設備驅動(dòng)程序，重新分配地址，并將控制權轉交給外設固件(firmware)，通過(guò)固件與設備驅動(dòng)程序及主機應用程序的交互通信，來(lái)實(shí)現外設的功能。

二、USB控制器芯片

1.CYPRESS2131簡(jiǎn)介

CYPRESS2131芯片是一種高度集成的USB芯片，具有3個(gè)顯著(zhù)特片：

(1)提供一種軟件(SOFT，RAM BASED)解決方案，可實(shí)現外設固件的不斷更新與升級;

(2)完全符合USB規范，提供足夠的端點(diǎn)數目、緩沖區大小以及足夠的速度;

(3)其內核可自動(dòng)實(shí)現對USB規范的響應，最大限度地壓縮了代碼長(cháng)度。

另外，CYPRESS2131還支持存儲器擴展，具有低功耗、低噪聲、有效的高級語(yǔ)言支持和增強的指令集等特性。CYPRESS2131芯片為80針PQFP封裝，其引腳如圖1所示。

2.CYPRESS2131的組成

CYPRESS2131功能框圖如圖2所示。

(1)收發(fā)器

USB電纜只包含4根電線(xiàn)：Vbus、D+、D-和GND。數據以12Mb/s的全速信號或1.5Mb/s的低速信號在D+和D-信號線(xiàn)上差分傳輸。收發(fā)器建在芯片上，不需要外部電路(在D+或D-上用來(lái)選擇全速或低速的上拉電阻的情況除外)。

(2)串行接口引擎(SIE)

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，并保證傳送到USB電纜上的數據字節以L(fǎng)SB開(kāi)頭。

(3)微控制及片上RAM

CYPRESS2131使用增強型8051，具有以下特點(diǎn)：

(1)使用3.3V電源;

(2)24MHz晶振，一個(gè)總線(xiàn)周期僅用4個(gè)時(shí)鐘周期;

(3)使用雙數據指針;

(4)增加了異步串口UART2和16位定時(shí)器T2;

(5)高速內存接口及專(zhuān)用16位地址總線(xiàn);

(6)增加了8個(gè)中斷(INT2～INT5、PFI、T2及UART2);

(7)快速外部存儲存取模式(使用AutoPoint);

(8)支持斷點(diǎn)功能。

CYPRESS2131上用的片內內存(RAM)為8KB，但是為了便于外設固件的升級與更新，該8KB RAM既可用于傳統意義上的ROM，又可用于RAM。其中的6KB用于程序存儲與數據存儲，其他2KB用于端點(diǎn)緩沖區?！　　　　　?CYPRESS2131使用16個(gè)端：8個(gè)批量傳輸端點(diǎn)(IN、OUT各8個(gè))、8個(gè)等時(shí)傳輸端點(diǎn)(IN、OUT各8個(gè))，每個(gè)端點(diǎn)的緩沖區為 64Byte。每個(gè)端點(diǎn)均個(gè)有字節計數器及重新發(fā)送和接收當數據組的能力。該8KB RAM需通過(guò)命令MOVX進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

另外，為了便于實(shí)現總線(xiàn)列舉和國外部功能芯片相通信，CYPRESS2131還支持I2C總線(xiàn)。

三、CYPRESS2131在圖像采集中的應用

1.圖像采集系統的硬件實(shí)現

在圖像采集系統中，使用OV6120作為圖像采集芯片。OV6120是OmniVision公司開(kāi)發(fā)的COMS黑白圖像采集芯片。該芯片將COMS光感應核與外圍支持電路集成在一起，輸出的視頻為黑白圖像，與CCIR標準兼容;也可輸出單幀圖像，為 YUV格式，從其D7：0輸出Y信號。這里使用YUV方式。

在整個(gè)圖像采集系統中，CYPRESS2131主要有三方面的作用：作為 USB芯片與主機通信并傳輸數據;利用其片上增強型8051作為控制器使OV6120正常工作;通過(guò)其I2C總線(xiàn)對OV6120的對比度、亮度、銳度等各項參數進(jìn)行設置。其具體工作過(guò)程為：SUB芯片上電復位后，CYPRESS2131按照USB規范應答，提供設備標識，USB進(jìn)行二次總線(xiàn)列舉，加載對應驅動(dòng)程序，并將控制權轉交給8051。8051通過(guò)I2C總線(xiàn)對OV6120各項參數進(jìn)行設置。8051發(fā)出幀采集指令(通過(guò)OV6120的FREX)后進(jìn)行圖像采集，并同數據轉移信號PCLK、行頻HSYNC及場(chǎng)頻VSYNC(后兩個(gè)信號，圖3中未標出)一起傳給8051。8051將所得的數據信號轉儲到SRAM中，當一幀數據采集完后，再將SRAM中數據通過(guò)USB總線(xiàn)傳至PC。CYPRESS2131在訪(fǎng)問(wèn)外部RAM時(shí)，通過(guò)FWR與FRD使之成為快速讀寫(xiě)模式。使用標準12MHz晶振的情況下，讀或寫(xiě)外部RAM一個(gè)字節只需使用333ns。圖像采集系統原理示意如圖3所示。

2.圖像采集系統源程序

由于驅動(dòng)程序較為復雜，這里僅給出利用USB總線(xiàn)發(fā)送數據的8051子例程。

START：MOV SP，#STACK-1 ;設置堆棧

FILL：MOV R7，#64 ;設置傳輸字節數

MOV DPTR，#IN2BUF;使用BULK端點(diǎn)

MOV DPTR1，#0000H

MOV A，@DPTR1 ;從外部RAM中讀取數據

INC DPTR1

MOVX @DPTR，A

INC DPTR

DJNZ R7，FILL

MOV DPTR，#IN2BC

MOV A，#40H

MOVX @DPTR，A ;啟動(dòng)IN2緩沖區傳輸

LOOP：MOV DPTR，#IN2CS

MOVX A，@DPTR

JNB ACC.1，FILL ;若不忙，繼續循環(huán)

END