??? 摘? 要: 討論了基于USB(Universal Serial Bus)接口的數字攝像系統的實現。該系統使用CYPRESS公司的EZ_USB系列芯片,并利用其開發板來實現數字攝像系統。該系統完全符合USB1.1協議,是一個新型的多媒體設備。?
??? 關鍵詞: USB 攝像系統 I2C總線 固件
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??? 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品。它的數據傳輸率比標準串/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據傳輸。?
??? 在視頻會議和可視電話等多媒體應用中,具有數字接口的攝像系統(CAMERA)是其關鍵的部件。它完成視頻圖像的采集、處理,并通過數字接口把信號送進計算機顯示,作進一步處理。?
1 USB數字攝像系統原理?
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內部的系統總線連接,實現數據的傳送。同時USB又是一種通信協議,支持主系統與其外設之間的數據傳送。在USB的網絡協議中,每個USB的系統只能有一個主機。?
??? USB是一種層狀的星形拓撲,其根部是主機控制器,USB器件與根部接口連接實現其功能。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12Mbit/s,在USB2.0版本中其速度提高到480Mbit/s。?
??? USB有幾種用于不同類型的數據傳輸方式。控制傳輸,主要用于設置、命令和狀態信息;中斷傳輸,與一般的中斷概念不同,主要用于打印機、掃描儀等大量數據傳輸;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外設作為消費類產品的目的之一在于降低產品成本,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,開發了具有USB接口的數字攝像系統。?
1.2 系統的原理圖?
??? 系統的原理圖如圖1所示。?
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??? 整個系統以EZ_USB為核心,通過I2C總線控制電路對數字CAMERA 芯片的工作狀態進行控制,數字圖像數據通過數據轉換電路送入數據緩沖區,USB總線控制器從數據緩沖區中讀取數據。與計算機的通訊則通過USB接口實現。?
2 USB數字攝像系統硬件?
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位數據端口、16位地址端口、2個USB數據端口和其它輸入輸出端口。?
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??? 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、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編程和數據存儲,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據的速率不會超過1000字節/毫秒,而且數據傳輸指令只能一一列出,共要寫出1000行相同的指令。中間不能用循環來傳輸數據,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字節的數據,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)編碼和解碼串行數據并且進行錯誤校驗、位填充和執行USB所需的其他信號,最后完成數據從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開發板為USB設備的開發提供了一個良好的工具。開發板使用的是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,開發板可以由USB連接器供電,也可以由外部供電。?
??? EZ_USB開發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;?
??? · 64K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;?
??? · 一個3.3V調節器,它可以把5V轉換成3.3V;?
??? · 電源和中斷/監控指示燈;?
??? 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的收發器、串行總線接口機制、功能接口單元和收/發緩沖區。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據線對CAMERA芯片進行控制,并完成圖像數據的輸入。圖像數據則通過USB端口送入計算機,可以進行異步傳輸和等時傳輸。?
??? 監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協議》。采用該仿真板來完成產品的開發,并在此基礎上完成產品,可提高產品的開發周期。?
2.3 數字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位的數字視頻流。在輸出數字視頻流的同時,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據線(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、穩定可靠的特點。I2C總線的數據量是可編程的,其最大的數據量是100K。圖3給出了一個完整的I2C總線上的數據傳輸。?
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2.5 數據轉換及數據緩沖電路?
??? CAMERA芯片的數據輸出率較高,并且輸出的圖像數據格式不能直接用于通過USB總線傳送,因而需要進行數據格式轉換。CAMERA芯片的數據輸出格式由工作模式決定,通過I2C總線控制。為了簡化電路,并保持系統一定的靈活性,采用了ALTERA公司的CPLD可編程邏輯陣列芯片來實現數據轉換。數據緩沖采用NEC公司的256K×8位靜態RAM芯片。電路圖如圖4所示。?
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??? CAMERA芯片的主要輸出信號有:CLKOUT(時鐘輸出,作為CPLD芯片的全局工作時鐘)、Y和UV(視頻數據輸出線均為8位,作為CPLD芯片的數據線)、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)。?
??? 數據轉換電路通過可編程邏輯完成下列功能:根據同步信號,針對QCIF格式,過濾一行中的冗余數據和一幀中的同步行數據,產生數據緩沖芯片的寫時鐘信號、寫復位信號和寫使能信號。數據的過濾是通過控制寫使能信號實現的,該芯片在使能信號為低時,可以寫入緩沖區,而在信號為高時,則不能夠將數據寫入緩沖區。?
??? 數據緩沖芯片的數據輸入與數據輸出分別由不同的信號控制,兩者互不干擾。寫數據控制信號有: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,控制產生一個內部復位信號WRST,使寫緩沖區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,數據就寫入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(輸出允許信號)和RDST(讀復位信號)。讀操作的過程為:控制產生一個讀復位信號RDST,使讀緩沖區的地址指針指向零,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中的數據就會出現在輸出數據總線上,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芯片輸出的圖像數據依約定的要求按幀存放在緩沖區,并加上相應的幀間隔標志,USB控制器則從緩沖區中讀取數據,并通過接口送往主機,完成數據圖像的傳輸。?
3 USB數字攝像系統軟件?
??? 開發一個USB設備,軟件設計是必不可少的。USB應用系統軟件設計分為三部分:USB外設端的固件(Firmware)、主機操作系統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USBI(USB Device Interface)進行通信,由系統產生USB數據的傳送動作,固件則響應各種來自系統的USB標準請求,完成各種數據的交換工作和事件處理。?
??? 由于圖像數據自身的格式和USB同步傳輸適合傳輸時間敏感的大量數據,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的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,主要實現圖像顯示以及圖像處理等多種功能。?
??? 該系統是為了開發USB接口的數字化攝像設備而設計的,系統的一個性能是幀傳輸率,CAREMA芯片的數據傳輸率最高可達到30幀/秒。目前筆者所實現的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。?
??? 下一步將繼續進行系統的集成和優化,并最終實現產品化。由于目前的系統是基于系統仿真板的,所以必須進行集成,以最小系統實現。此外,還要進一步開發設備的驅動程序。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USB控制器,這樣才能真正地降低成本,提高性能。?
參考文獻?
1 Compaq,Intel,Microsoft,NEC. Universal Serial Bus Specification, Revision 1.1.Sep 23, 1998?
2 USB Device Working Group. USB Still Image Capture??Device Definition Revision 1.0. July 11, 2000?
3 Cypress.EZ-USB Technical Reference Manual Version 1.9.May 2000?
4 李伯成,侯伯亨,裘雪紅. IBM PC微機應用系統設計.西安:西安電子科技大學,1999?
5 Malter Oney. Programming the Windows Driver Model.Microsoft Press,1999