USB接口的數(shù)字攝像系統(tǒng)設計

摘要：討論了基于USB（Universal Serial Bus）接口的數(shù)字攝像系統(tǒng)的實現(xiàn)。該系統(tǒng)使用CYPRESS公司的EZ_USB系列芯片，并利用其開發(fā)板來實現(xiàn)數(shù)字攝像系統(tǒng)。該系統(tǒng)完全符合USB1.1協(xié)議，是一個新型的多媒體設備。

關鍵詞：USB 攝像系統(tǒng) I2C總線 固件

USB作為一種新的擴展接口，主要致力于計算機-電話一體化和應用類消費產(chǎn)品。它的數(shù)據(jù)傳輸率比標沖串/并口高。USB總線具有時分復用的特點，多個不同速度的USB外設可以通過集線器同時連接到同一臺計算機的同一個USB口上，在USB總線帶寬允許的情況下，多個外設可以同時工作而不相互影響。USB傳輸速率適用于中、低速外設。高速模式下，USB支持實時的視頻、音頻和壓縮的視頻數(shù)據(jù)傳輸。

在視頻會議和可視電話等多媒體應用中，具有數(shù)字接口攝像系統(tǒng)（CAMERA）是其關鍵的部件。它完成視頻圖像的采集、處理，并通過數(shù)字接口把信號送進計算機顯示，作進一步處理。

1 USB數(shù)字攝像系統(tǒng)原理

1.1 USB簡介

通用串行總線（Universal Serial Bus）適用于USB外圍設備連接到主機上，通過PCI總線與PC內部的系統(tǒng)總線連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。同時USB又是一種通信協(xié)議，支持主系統(tǒng)與其外設之間的數(shù)據(jù)傳送。在USB的網(wǎng)絡協(xié)議中，每個USB的系統(tǒng)只能有一個主機。

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(jù)接口連接實現(xiàn)其功能。若多個器件同時行使其功能，就要通過集線器來擴展，但擴展層不能超過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有幾種用于不同類型的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸；同步傳輸，用于視頻、聲音等實時傳輸。

考慮到USB傳輸速率較高，如果利用只實現(xiàn)ENGINE功能的芯片，外加一個普通微控制器（如8051），其處理速度就會很慢而達不到USB傳輸要求。USB外設作為消費類產(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，開發(fā)了具有USB接口的數(shù)字攝像系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)的原理圖

系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

整個系統(tǒng)以EZ-USB為核心，通過I2C總線控制電路對數(shù)字CAMERA芯片的工作狀態(tài)進行控制，數(shù)字圖像數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)轉換電路送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，USB總線控制器從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。與計算機的通訊則通過USB接口實現(xiàn)。

2 USB數(shù)字攝像系統(tǒng)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8位多功能端口、8位數(shù)據(jù)端口、16位地址端口、2個USB數(shù)據(jù)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，允許客戶隨時不斷地設置和升級，不受端口數(shù)、緩沖大小、傳輸速度及傳輸方式的限制。

片內嵌有一個增強型的8051微控制器，與標準的8051相比，其速度快3倍。它通過內部RAM編程和數(shù)據(jù)存儲，這樣使得芯片具有軟特性。USB主機通過USB總線下載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：即普通讀寫方式和快速讀寫方式。在普通讀寫方式下，芯片從外部讀取或向外部寫入數(shù)據(jù)的速率不會超過1000字節(jié)/毫秒，而且數(shù)據(jù)傳輸指令只能一一列出，共要寫出1000行相同的指令。中間不能用循環(huán)來傳輸數(shù)據(jù)，而且也沒有時間來加入其它指令。這種方式對于要求同步傳輸、每幀傳輸1023字節(jié)的設備是不可取的。在快速讀寫方式下，芯片可以在0.5毫秒內從外部讀取或向外部寫入1023字節(jié)的數(shù)據(jù)，并且還留有足夠的時間可以加入其它指令。

如圖2所示，USB收發(fā)器連接到USB總線的D+和D-管腳；串行接口引擎（SIE）編碼和解碼串行數(shù)據(jù)并且進行錯誤校驗、位填充和執(zhí)行USB所需的其他信號，最后完成數(shù)據(jù)從USB接口的傳輸。

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

2.2 EZ_USB系列USB總線仿真板

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

EZ_USB開發(fā)板包括以下幾個部分：

·2131 EZ_USB集成電路，它包括一個高性能的8051核；

·64擴展RAM（由兩個32K RAM組成）；

·兩個8051 UART口；

·DIP開關控制來選擇RAM內存映射地址和EEPROM地址；

·兩個I2C總線的8位I/O擴展芯片，一個用于驅動七段LED，另一個用于讀8位開關狀態(tài)；

·一個3.3V調節(jié)器，它可以把5V轉換成3.3V；

·電源和中斷/監(jiān)控指示燈；

該仿真板基于EZ_USB系列USB總線控制器，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、串行總線接口機制、功能接口單元和收/發(fā)緩沖區(qū)。通過內存配置開關可靈活地改變RAM的地址空間，并方便地進行內存擴充。

利用該板上的I/O擴展連接口提供的控制線和數(shù)據(jù)線對CAMERA芯片進行控制，并完成圖像數(shù)據(jù)的輸入。圖像數(shù)據(jù)則通過USB端口送入計算機，可以進行導步傳輸和等時傳輸。

監(jiān)控程序駐留在板上的EPROM內，可與PC機進行通訊，控制程序通過外部UART送入仿真板，可以進行實時仿真。這個仿真板和控制器都完全滿足《USB協(xié)議》。采用該仿真來完成產(chǎn)品的開發(fā)，并在此基礎上完成產(chǎn)品?？商岣弋a(chǎn)品的開發(fā)周期。

2.3 數(shù)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(shù)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8位的A/D，因而可以同步地輸出8位或16位的數(shù)字視頻流。在輸出數(shù)字視頻流的同時，還提供象素時鐘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總線控制電路

I2C總線是一種雙向串行總線，它只有兩根信號線，可用于不同的IC或硬件模塊間的通訊。兩條線分別是串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘線（SCL），當與設備相連時，每條線都必須通過上拉電阻接到電源上。I2C總線上可連接多個主從設備。I2C總線具有控制簡單、穩(wěn)定可靠的特點。I2C總線的數(shù)據(jù)量是可編程的，其最大的數(shù)據(jù)量是100K.圖3給出了一個完整的I2C總線上的數(shù)據(jù)傳輸。

2.5 數(shù)據(jù)轉換及數(shù)據(jù)緩沖電路

CAMERA芯片的數(shù)據(jù)輸出率較高，并且輸出的圖像數(shù)據(jù)格式不能直接用于通過USB總線傳送，因而需要進行數(shù)據(jù)格式轉換。CAMERA芯片的數(shù)據(jù)輸出格式由工作模式?jīng)Q定，通過I2C總線控制。為了簡化電路，并保持系統(tǒng)一定的靈活性，采用了ALTERA公司的CPLD可編程邏輯陣列芯片來實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換。數(shù)據(jù)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（時鐘輸出，作為CPLD芯片的全局工作時鐘）、Y和UV（視頻數(shù)據(jù)輸出線均為8位，作為CPLD芯片的數(shù)據(jù)線）、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(shù)據(jù)轉換電路通過可編程邏輯完成下列功能：根據(jù)同步信號，針對QCIF格式，過濾一行中的冗余數(shù)據(jù)和一幀中的同步行數(shù)據(jù)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)緩沖芯片的寫時鐘信號、寫復位信號和寫使能信號。數(shù)據(jù)的過濾是通過控制寫使能信號實現(xiàn)的，該芯片在使能信號為低時，可以寫入緩沖區(qū)，而在信號為高時，則不能夠將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)。

數(shù)據(jù)緩沖芯片的數(shù)據(jù)輸入與數(shù)據(jù)輸出分別由不同的信號控制，兩者互不干擾。寫數(shù)據(jù)控制信號有：WRCLK（寫時鐘信號）、WRST（寫復位信號）和WREN（寫使能信號）。寫操作過程是：首先，控制產(chǎn)生一個內部復位信號WRST，使寫緩沖區(qū)的寫地址指針指向零，在復位周期后，進行寫操作；在寫時鐘信號的上升沿，如果寫使能信號為低，一個時鐘周期后，數(shù)據(jù)就寫入SRAM中，同時SRAM的寫地址指針自動增加。

讀操作信號有：RDCLK（讀時鐘信號）、RE（讀允許信號）、OE（輸入允許信號）和RDST（讀復位信號）。讀操作的過程為：控制產(chǎn)生一個讀復位信號RDST，使讀緩沖區(qū)的地址指針指向零，在下一時鐘周期進行讀操作；在讀時鐘的上升沿，如果RE和OE信號同時為低，SRAM中的數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)在輸出數(shù)據(jù)總線上，同時SRAM的讀地址指針自動增加。

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

3 USB數(shù)字攝像系統(tǒng)軟件

開發(fā)一個USB設備，軟件設計是必不可少的。USB應用系統(tǒng)軟件設計分為三部分：USB外設端的固件（Firmware）、主機操作系統(tǒng)上的客戶驅動程序以及操作界面程序。界面程序通過客戶驅動程序與系統(tǒng)USBI（USB Device Interface）進行通信，由系統(tǒng)產(chǎn)生USB數(shù)據(jù)的傳送動作，固件則響應各種來自系統(tǒng)的USB標準請求，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理。

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

該系統(tǒng)是為了開發(fā)USB接口的數(shù)字化攝像設備而設計的，系統(tǒng)的一個性能是幀傳輸率，CAREMA芯片的數(shù)據(jù)傳輸率最高可達到30幀/秒。目前筆者所實現(xiàn)的USB接口，在等時傳輸方式下，可達到8幀/秒。由于目前采用仿真模式，系統(tǒng)的性能在最后的定型中，可得到進一步的提高。

下一步將繼續(xù)進行系統(tǒng)的集成和優(yōu)化，并最終實現(xiàn)產(chǎn)品化。由于目前的系統(tǒng)是基于系統(tǒng)仿真板的，所以必須進行集成，以最小系統(tǒng)實現(xiàn)。此外，還要進一步開發(fā)設備的驅動程序。由于EZ_USB包括很多的功能，而這里只用到它的等時傳輸，浪費了很多的資源，加大了成本。所以在后繼研究中，還會開發(fā)USB控制器，這樣才能真正地降低成本，提高性能。