實(shí)現(xiàn)基于USB3.0技術(shù)的高清攝像頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　高清圖像質(zhì)量已經(jīng)快速成為現(xiàn)代家庭中多媒體產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置。在該領(lǐng)域之外的許多應(yīng)用中，更高的分辨率、更好的對(duì)比度、更大的色深和更快的幀率也都越來越受歡迎，這些應(yīng)用包括安保、醫(yī)療成像和工廠生產(chǎn)線檢測(cè)系統(tǒng)等等。當(dāng)然，盡管增強(qiáng)型成像技術(shù)在不久的將來更加流行似乎是板上釘釘?shù)氖虑椋@將取決于支持更高數(shù)據(jù)傳輸能力的先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。本文將以實(shí)例闡述半導(dǎo)體技術(shù)所取得的進(jìn)展。

　　雖然USB連接標(biāo)準(zhǔn)開始并沒有引起太多關(guān)注，但從上世紀(jì)90年代中期第一次脫穎而出已經(jīng)改變了很多，它現(xiàn)在已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只是為低數(shù)據(jù)速率的鼠標(biāo)和鍵盤等外圍設(shè)備提供簡(jiǎn)單的連接。USB3.0 SuperSpeed標(biāo)準(zhǔn)的推出大幅提高了數(shù)據(jù)速率，很多以前USB技術(shù)應(yīng)用不足的行業(yè)現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)高性能視頻成像系統(tǒng)，這種系統(tǒng)仍然可以很高的性價(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(jí)，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(biāo)準(zhǔn)獲得了普遍的吸引力(據(jù)估計(jì)，目前全球正在運(yùn)行的USB端口比人口的總數(shù)還要多)。 USB3.0不僅支持超快的數(shù)據(jù)傳輸，它還可以在相當(dāng)長(zhǎng)的距離(可達(dá)10米)維持高數(shù)據(jù)傳輸速率，而其他接口技術(shù)在這方面往往受限，在距離超過幾米時(shí)便不得不求助于傳輸纜線。此外，采用USB技術(shù)部署的視頻攝像頭系統(tǒng)可以發(fā)揮其供電能力，在攝像頭和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸，另一個(gè)電纜來供電。顯然，這最后一點(diǎn)在遠(yuǎn)程視頻應(yīng)用中很可能具有更明顯的優(yōu)勢(shì)，如視頻監(jiān)控和工業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，在這些系統(tǒng)中架設(shè)多個(gè)電纜有明顯的缺點(diǎn)，會(huì)增大與部署系統(tǒng)相關(guān)的成本。圖1 是USB3.0與USB2.0和Camera Link(相機(jī)連接)接口術(shù)的比較，可以看出，USB3.0有能力成為實(shí)現(xiàn)廣泛的高清視頻的基本接口技術(shù)。

　　視頻成像設(shè)計(jì)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

　　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(tǒng)下，高分辨率微型攝像頭(2560 X1440像素)通過USB3.0把成像數(shù)據(jù)流傳輸?shù)礁咔?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/顯示器">顯示器。成像數(shù)據(jù)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(xiàn)任何延遲或圖像失真，從而確保觀看體驗(yàn)不受影響。該USB3.0成像系統(tǒng)除了可提供比USB 2.0高得多的數(shù)據(jù)傳輸率外，還受益于USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)可以維持更高的功率水平(全速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)為900毫安，USB2.0為480毫安)。

　　圖2成像系統(tǒng)中詳述的USB3.0數(shù)據(jù)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(xiàn)。該系統(tǒng)的攝像頭控制和數(shù)據(jù)采集都通過相應(yīng)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(fù)責(zé)所有的成像系統(tǒng)時(shí)序功能，負(fù)責(zé)設(shè)置幀率等。采集到的數(shù)據(jù)從FPGA經(jīng)32位并行數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)紽T601Q(該橋接器件還具有32位FIFO數(shù)據(jù)緩沖器RAM，在需要時(shí)可以利用)。之后，數(shù)據(jù)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。