摘   要： 利用USB2.0接口芯片CY7C68013的特點，通過塊傳輸方式實現了視頻圖像的實時無損傳輸。詳細介紹了CY7C68013的Slave FIFO工作方式在視頻圖像傳輸中的應用以及系統硬件設計。
關鍵詞： USB2.0  塊傳輸  Slave FIFO  視頻圖像

　　對于數據量很大的實時數據傳輸，USB2.0協議[1][2][3]有專門的等時傳輸方式來實現，但等時傳輸不但實現困難，且由于在數據包傳輸過程中和主機不進行握手，因此當數據包出現錯誤時主機不會要求USB重新發送數據，這樣會造成數據丟失或錯誤。因此不適用于視頻圖像的精密分析與測量。而USB2.0協議中的塊傳輸方式在數據包傳輸過程中和主機進行握手，當數據包出現錯誤時會要求USB重新發送數據，這就保證了傳輸數據的準確性，而且開發相對容易。本文利用USB2.0塊傳輸方式實現了CCD視頻圖像的實時無損傳輸。
1  USB2.0接口芯片CY7C68013簡介
　　(1)內置USB2.0收發器和智能串口引擎(Serial Interface Engine，SIE)。
　　(2)增強的8051內核，其時鐘頻率可為12MHz、24MHz和48MHz，同時該芯片還帶有2個通用異步收發器(UART)、3個定時/計數器和2個數據指針，可支持外部中斷。
　　(3)可通過USB下載程序，也可從外部擴展的E2PROM中下載程序。
　　(4)支持批量傳輸、同步傳輸、中斷傳輸和控制傳輸4種傳輸方式。
　　(5)具有8位或16位外部數據接口。
　　(6)具有通用可編程接口GPIF。
　　(7)內置I2C接口，其工作速率為100kHz或400kHz。
　　(8)帶有最大達8Kb的FIFO，可運行于Master或Slave方式（本文采用）。
2  USB2.0的4種傳輸方式及其比較
　　(1)控制傳輸：主機發送一些控制命令字給USB設備。
　　(2)中斷傳輸：主機發送中斷指令給USB設備。
　　(3)等時傳輸（Isochronous Transfer）：用于視頻或音頻等數據流的傳輸，傳輸時維持一定的速度，高速時會有一定的錯誤發生。其傳輸結構如圖1所示。

　　(4)塊傳輸（Bulk Transfer）：傳輸的數據量大，準確性高(若出現錯誤而發生傳送失敗，會重新傳一次)，且無速度上的限制（即沒有固定傳輸速率）。其傳輸結構如圖2所示。

　　通過比較塊傳輸和等時傳輸的結構可以發現：等時傳輸是以數據流的方式不斷傳輸數據，可以充分保證實時數據的傳送。而塊傳輸比等時傳輸多了握手的部分（ACK/NAK/STALL/NYET)，實時數據必須分包傳輸，而且每個包最大為1 024b。這樣塊傳輸的速度會受到一定的影響。從理論上看，在USB2.0協議中等時傳輸最高支持480Mbps，而塊傳輸最高支持416Mbps。
　　對于實時視頻圖像傳輸，采集到的視頻信號為PAL制式隔行掃描黑白全電視視頻信號。該信號每幀信號由奇場和偶場信號構成，每場重復周期為20ms，場消隱脈沖寬度為1 612μs，在場消隱期間無有效數據，每行重復周期為64μs，行消隱脈沖寬度為12μs。對于分辨率為800×600的實時圖像而言，其要求的最低傳輸速度約為800×8÷64＝100Mbps。因此可以看出，用Bulk方式傳輸此分辨率的實時視頻圖像在理論上是可行的。這樣每次連續采集一場的數據，如果可以在場消隱的時間內完成一場數據的處理和顯示，那么在下一場數據到來時就不會耽誤數據的繼續采集，從而可以實現圖像的實時傳輸。實驗證明，CY7C68013的塊傳輸中Slave FIFO工作方式完全可以滿足上面的要求。
3  Slave FIFO簡介及其在視頻圖像傳輸中的應用
　　Slave FIFO 作為USB2.0接口芯片CY7C68013的一種工作方式[4][5]，其自身的特點如下：(1)采用外部Master的控制方式，減少了直接應用內部Master的繁雜。(2)直接利用芯片內部集成的FIFO進行工作，有效地將外部數據經CY7C68013進行傳遞。(3)同步和異步2種工作模式適應多種數據傳輸要求。
　　采用Slave FIFO方式傳輸視頻圖像數據的原理框圖如圖3所示。其中IFCLK的設置決定了Slave FIFO工作在同步還是異步模式下。同步模式下，SLWR寫信號受IFCLK上升沿控制，在異步模式下，SLWR寫信號受讀信號SLOE控制。所以，采用異步工作模式，用視頻圖像的采集時鐘作為SLOE的觸發信號。這樣可以使SLWR信號和SLOE信號保持同步，經FIFO直接將采集數據寫入主機。其寄存器配置為：IFCONFIG=0xCB。為了充分利用CY7C68013的內部FIFO進行數據的緩沖，可以采用4倍Buffer的方式，可以用端點6對數據進行讀入（IN）操作（由于只是將采集的圖像數據送入主機，所以此時不用考慮端點2和端點4這2個OUT端點。這樣就只需要對IN端點6進行配置），這樣按照其工作方式，可以應用全部8KB緩沖。其寄存器配置為：EP6CFG=0xE0；PKTEND直接決定FIFO中數據的傳輸方向及方式。應用CY7C68013芯片自身的AUTOIN方式，完全可以保證數據及時無誤地從采集設備到主機的傳輸，其配置為：EP6FIFOCFG=0x0C；端點(ENDPOINT)6的選擇可以通過對FIFOADR的寄存器進行設置來確定。這樣，就可以用最短的時間將從采集到的芯片通過CY7C68013送到主機進行處理。

　　在場消隱期間的處理工作是利用Slave FIFO方式傳遞實時視頻圖像的一個關鍵。當USB傳完一場信息后，可以在IBN（IN Bulk NAK）中斷中應用判斷標志來實現。可以在固件中自定義一個函數proc（void），在USB Interrupt Handlers中利用該函數調用IBN中斷，proc(void)定義如下：
　　void proc(void)
　　{
　　  {
　　  PE0=0x00；
　　  }
　　  IBNIRQ=bmEP6IBN；//clear the IBN IRQ
　　  IBNIE|=bmEP6IBN；
　　}
　　在IBN中斷定義中，部分程序如下：
　　void ISR_Ibn(void) interrupt 0
　　{
　　  EZUSB_IRQ_CLEAR( )；
　　  IBNIRQ=bmEP6IBN；
　　  NAKIRQ|=bmBIT0；
　　  PE0=0x01；
　　}
　　PE0為一個外部輸出腳，利用PE0輸出的高電平控制外圍采集邏輯采集數據的時間。每次調用IBN中斷前都設置PE0＝0x00，一旦調用IBN中斷后，PE0=0x01，輸出為高電平。可以利用該高電平控制CPLD的場同步信號，利用CPLD把每場頭信號A0找出來。這樣利用PE0和A0做“與”運算，就可以從每場開始時就采集數據，不會造成數據的丟失。隨后AD按照采樣時鐘進行采集，通過設置所要求的分辨率和采集時鐘的大小，可以得到每場需要采集的數據點數，當數據采集完畢后，通過CPLD產生中斷請求送給INT。這時固件程序進入中斷服務，同時又將PE0設置為0x01，重復IBN中斷的工作過程。由于在場消隱期間沒有場頭信號，PE0始終為高，AD不會采集數據，因此可以利用場消隱的這段時間對數據進行處理，實現和主機的數據傳輸。在主機端的上位機處理程序中，初始時通過在驅動中定義MaximumTransferSize的大小可以使其足夠大于一場數據(800×600)。這樣當USB通過線程中的DeviceIoControl將全部一場的數據送到主機的內存后，就可以通過IBN中斷利用場消隱期間將采集的一場數據在主機中顯示出來。實驗證明，主機將存儲于內存中的一場圖像數據顯示出來大約用300～500μs，大大小于場消隱的1 612μs，所以此方法是完全可行的。當場消隱結束后，IBN中斷自動解除，又可以重新采集圖像數據，實現每場圖像數據和主機中的傳輸和顯示，達到實時處理的效果。
4  系統硬件設計
　　結合CCD視頻圖像采集和Slave FIFO的外圍Master的控制及設計，確定了無損視頻圖像采集系統的硬件設計方案，系統硬件結構如圖4所示。系統由A/D轉換器、同步分離電路、鎖相環電路、CPLD及USB2.0傳輸模塊(CY7C68013)構成。系統中A/D轉換器采用視頻采集芯片TDA8709，具有8位數據寬度，最高數據采樣率可達32MHz，內置視頻放大及鉗位電路，可外加增益控制。同步分離芯片采用LM1881，可以方便地從0.5～2V標準負極性NTSC、PAL或SECAM制式視頻信號中提取行、場同步信息。鎖相環芯片采用高速鎖相環NE564，最高工作頻率可達到50MHz。CPLD采用ALTERA公司的EPM7128，可用門單元為2 500個，管腳間最大延遲5ns。系統中的邏輯控制功能由CPLD和USB2.0傳輸模塊配合完成，比外加其他處理器速度快。

　　標準視頻輸入由同步分離電路分離出標準行同步信號HSYN和場同步信號VSYN，場同步信號送至CPLD，行同步信號經鎖相環電路鎖相，產生每行N個點的鎖相脈沖VCOOUT輸入到CPLD。一個工作周期開始時，主機首先發出塊請求命令，USB2.0傳輸模塊響應并設置位信號線PE0，指示CPLD開始采集。CPLD檢測到場同步信號有效后，則將鎖相脈沖CLK加至A/D的轉換脈沖輸入端及USB2.0模塊的寫脈沖輸入端。每次A/D轉換完畢，D[7..0]有效，并在CLK作用下將采集到的圖像數據寫入USB2.0傳輸模塊并傳回主機。CPLD內置一計數器，對鎖相脈沖進行計數，并由場同步信號復位，計數滿一場后置位信號線INT，輸入到USB2.0傳輸模塊的中斷端，USB2.0傳輸模塊響應中斷并撤銷信號PE0，此時主機也已接收滿一場圖像，一個工作周期結束。下一個工作周期仍然由主機發出塊傳輸請求開始。現場采集的視頻圖像中的一幀如圖5所示，完全可以滿足精密分析和測量的需要。

5  結束語
　　綜上所述，根據CY7C68013的結構特點，使其工作在Slave FIFO模式下，應用USB的Bulk傳輸方式實現了CCD視頻圖像的實時無損傳輸和顯示，不存在傳輸圖像失真或數據丟失的現象。目前這一系統已成功運用于液體中化工試劑、油珠、微細顆粒的粒徑測量和統計上。
參考文獻
1   Compaq Hewlett-Packard Interetc.Universal Serial Bus Specification  Revision 2.0.2000
2   Anderson D，Dzatko D.Universal Serial Bus Susterm  Architecture(Second Edition).MindShare INC，2001
3   周振宇，谷海穎．基于USB總線的實時數據采集系統設計.   電子技術應用，2002；28(2)
4   Cypress Semiconductor.EZ-USB FX2 Technical Reference  Manual.2001
5   許永和．EZ-USB FX系列單片機USB外圍設備設計與應用.北京：北京航空航天大學出版社，2002