實(shí)現基于USB3.0技術(shù)的高清攝像頭系統設計

　　高清圖像質(zhì)量已經(jīng)快速成為現代家庭中多媒體產(chǎn)品的標準配置。在該領(lǐng)域之外的許多應用中，更高的分辨率、更好的對比度、更大的色深和更快的幀率也都越來(lái)越受歡迎，這些應用包括安保、醫療成像和工廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)檢測系統等等。當然，盡管增強型成像技術(shù)在不久的將來(lái)更加流行似乎是板上釘釘的事情，但這將取決于支持更高數據傳輸能力的先進(jìn)半導體技術(shù)的發(fā)展。本文將以實(shí)例闡述半導體技術(shù)所取得的進(jìn)展。

　　雖然USB連接標準開(kāi)始并沒(méi)有引起太多關(guān)注，但從上世紀90年代中期第一次脫穎而出已經(jīng)改變了很多，它現在已經(jīng)遠遠不只是為低數據速率的鼠標和鍵盤(pán)等外圍設備提供簡(jiǎn)單的連接。USB3.0 SuperSpeed標準的推出大幅提高了數據速率，很多以前USB技術(shù)應用不足的行業(yè)現在可以實(shí)現高性能視頻成像系統，這種系統仍然可以很高的性?xún)r(jià)比進(jìn)行部署，不需要配備龐大的工程資源。USB3.0 SuperSpeed的速度幾乎比上一代USB 2.0快了一個(gè)量級，它具有完全的向后兼容性，仍然具有相同的即插即用便利性，正是這種便利使USB標準獲得了普遍的吸引力(據估計，目前全球正在運行的USB端口比人口的總數還要多)。 USB3.0不僅支持超快的數據傳輸，它還可以在相當長(cháng)的距離(可達10米)維持高數據傳輸速率，而其他接口技術(shù)在這方面往往受限，在距離超過(guò)幾米時(shí)便不得不求助于傳輸纜線(xiàn)。此外，采用USB技術(shù)部署的視頻攝像頭系統可以發(fā)揮其供電能力，在攝像頭和數據采集系統之間只需一個(gè)電纜連接即可工作，而不是一個(gè)電纜用于視頻數據傳輸，另一個(gè)電纜來(lái)供電。顯然，這最后一點(diǎn)在遠程視頻應用中很可能具有更明顯的優(yōu)勢，如視頻監控和工業(yè)監測設備，在這些系統中架設多個(gè)電纜有明顯的缺點(diǎn)，會(huì )增大與部署系統相關(guān)的成本。圖1 是USB3.0與USB2.0和Camera Link(相機連接)接口術(shù)的比較，可以看出，USB3.0有能力成為實(shí)現廣泛的高清視頻的基本接口技術(shù)。

　　視頻成像設計實(shí)例的組成部分概述

　　● 東芝2560 x 1440像素分辨率微型攝像頭(microscope camera)
　　● FTDI Chip 公司FT601Q SuperSpeed USB-to-FIFO橋接IC
　　● 賽靈思 Spartan 6 FPGA
　　● 具有USB 3.0端口的PC
　　● 1/4全高清(QHD)顯示器
　　● 3.0 SuperSpeed USB-to-FIFO 橋
　　● 集成式32 位 FIFO總線(xiàn)

　　圖2所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的USB3.0成像裝置，工作在Windows8操作系統下，高分辨率微型攝像頭(2560 X1440像素)通過(guò)USB3.0把成像數據流傳輸到高清顯示器。成像數據傳輸速率為2.08 Gbit/s，這樣可以維持38幀/秒的高清晰度幀率，而不會(huì )出現任何延遲或圖像失真，從而確保觀(guān)看體驗不受影響。該USB3.0成像系統除了可提供比USB 2.0高得多的數據傳輸率外，還受益于USB 3.0標準可以維持更高的功率水平(全速傳輸數據時(shí)為900毫安，USB2.0為480毫安)。

　　圖2成像系統中詳述的USB3.0數據傳輸功能是由FTDI Chip公司新推出的FT601Q SuperSpeed USB至FIFO橋接口IC實(shí)現。該系統的攝像頭控制和數據采集都通過(guò)相應的FPGA器件處理(本例中采用的是一個(gè)賽靈思公司的Spartan6器件)。FPGA負責所有的成像系統時(shí)序功能，負責設置幀率等。采集到的數據從FPGA經(jīng)32位并行數據總線(xiàn)傳輸到FT601Q(該橋接器件還具有32位FIFO數據緩沖器RAM，在需要時(shí)可以利用)。之后，數據經(jīng)由一個(gè)USB 3.0接口傳送到PC，并最終顯示在QHD顯示屏。