USB接口的数字摄像系统设计

开发板

摘要：讨论了基于USB（Universal Serial Bus）接口的数字摄像系统的实现。该系统使用CY、PRESS公司的EZ＿USB系列芯片，并利用其开发板来实现数字摄像系统。该系统完全符合USB1.1协议，是一个新型的多媒体设备。
关键词：USB　摄像系统　I2C总线　固件

USB作为一种新的扩展接口，主要致力于计算机－电话一体化和应用类消费产品。它的数据传输率比标准串／并口高。USB总线具有时分复用的特点，多个不同速度的USB外设可以通过集线器同时连接到同一台计算机的同一个USB口上，在USB总线带宽允许的情况下，多个外设可以同时工作而不相互影响。USB传输速率适用于中、低速外设。高速模式下，USB支持实时的视频、音频和压缩的视频数据传输。

在视频会议和可视电话等多媒体应用中，具有数字接口的摄像系统(CAMERA)是其关键的部件。它完成视频图像的采集、处理，并通过数字接口把信号送进计算机显示，作进一步处理。

1 USB数字摄像系统原理

1.1 USB简介
通用串行总线(Universal Serial Bus)适用于USB外围设备连接到主机上，通过PCI总线与PC内部的系统总线连接，实现数据的传送。同时USB又是一种通信协议，支持主系统与其外设之间的数据传送。在USB的网络协议中，每个USB的系统只能有一个主机。
USB是一种层状的星形拓扑，其根部是主机控制器，USB器件与根部接口连接实现其功能。若多个器件同时行使其功能，就要通过集线器来扩展，但扩展层不能超过5层。USB器件支持热拔插，而且可以即插即用。USB一般支持两种传输速度，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有几种用于不同类型的数据传输方式。控制传输，主要用于设置、命令和状态信息；中断传输，与一般的中断概念不同，主要用于打印机、扫描仪等大量数据传输；同步传输，用于视频、声音等实时传输。
考虑到USB传输速率较高，如果利用只实现ENGINE功能的芯片，外加一个普通微控制器(如8051)，其处理速度就会很慢而达不到USB传输要求。USB外设作为消费类产品的目的之一在于降低产品成本，如果采用高速微处理器(如DSP)，满足了USB的传输速率，但成本较高。经多方面比较选择了CYPRESS公司的内置微控制器芯片EZ-USB 2131Q，开发了具有USB接口的数字摄像系统。

1.2 系统的原理图
系统的原理图如图1所示。

整个系统以EZ_USB为核心，通过I2C总线控制电路对数字CAMERA 芯片的工作状态进行控制，数字图像数据通过数据转换电路送入数据缓冲区，USB总线控制器从数据缓冲区中读取数据。与计算机的通讯则通过USB接口实现。

2 USB数字摄像系统硬件

2.1 EZ_USB 2131Q芯片介绍
EZ_USB 2131Q内部框图如图2所示。它是Cypress公司的内嵌微控制器的80pin的USB接口控制芯片，包含3个8位多功能端口、8位数据端口、16位地址端口、2个USB数据端口和其它输入输出端口。

EZ_USB 2131Q芯片采用了一种基于内部RAM的解决方案，允许客户随时不断地设置和升级，不受端口数、缓冲大小、传输速度及传输方式的限制。

片内嵌有一个增强型的8051微控制器，与标准的8051相比，其速度快3倍。它通过内部RAM编程和数据存储，这样使得芯片具有软特性。USB主机通过USB总线下载8051程序代码和设备特征到RAM中，然后EZ_USB芯片作为一个由代码定义的外围设备重新连接到主机上。
EZ_USB 2131Q有两种同步传输方式：即普通读写方式和快速读写方式。在普通读写方式下，芯片从外部读取或向外部写入数据的速率不会超过1000字节/毫秒，而且数据传输指令只能一一列出，共要写出1000行相同的指令。中间不能用循环来传输数据，而且也没有时间来加入其它指令。这种方式对于要求同步传输、每帧传输1023字节的设备是不可取的。在快速读写方式下，芯片可以在0.5毫秒内从外部读取或向外部写入1023字节的数据，并且还留有足够的时间可以加入其它指令。

如图2所示，USB收发器连接到USB总线的D+和D-管脚；串行接口引擎(SIE)编码和解码串行数据并且进行错误校验、位填充和执行USB所需的其他信号，最后完成数据从USB接口的传输。
EZ_USB-2131Q使用了一个增强型SIE/USB接口(USB核)，它本身完成了许多的USB协议，这样就简化了8051代码。

2.2 EZ_USB系列USB总线仿真板
CYPRESS公司的EZ_USB开发板为USB设备的开发提供了一个良好的工具。开发板使用的是80管脚的AN2131Q芯片，而且包含5个用于扩展接口的引出端。板上所有的电路均为3.3V，开发板可以由USB连接器供电，也可以由外部供电。

EZ_USB开发板包括以下几个部分：
· 2131 EZ_USB集成电路，它包括一个高性能的8051核；
· 64K扩展RAM(由两个32K RAM组成)；
· 两个8051 UART口；
· DIP开关控制来选择RAM内存映射地址和EEPROM地址；
· 两个I2C总线的8位I/O扩展芯片，一个用于驱动七段LED，另一个用于读8位开关状态；
· 一个3.3V调节器，它可以把5V转换成3.3V；
· 电源和中断/监控指示灯；
该仿真板基于EZ_USB系列USB总线控制器，它包含标准的MCS51外设模块和USB模块。USB模块集成了USB的收发器、串行总线接口机制、功能接口单元和收/发缓冲区。通过内存配置开关可灵活地改变RAM的地址空间，并方便地进行内存扩充。

利用该板上的I/O扩展连接口提供的控制线和数据线对CAMERA芯片进行控制，并完成图像数据的输入。图像数据则通过USB端口送入计算机，可以进行异步传输和等时传输。

监控程序驻留在板上的EPROM内，可与PC机进行通讯，控制程序通过外部UART送入仿真板，可以进行实时仿真。这个仿真板和控制器都完全满足《USB协议》。采用该仿真板来完成产品的开发，并在此基础上完成产品，可提高产品的开发周期。

2.3 数字CAMERA芯片
采集卡的CODEC是OmniVision Inc.的OV6620，该芯片将CMOS光感应核与外围支持电路集成在一起，具有可编程控制与视频模/数混合输出等功能，其输出的视频为彩色图像，与CCIR标准兼容。OV6620内部嵌入了两个8位的A/D，因而可以同步地输出8位或16位的数字视频流。在输出数字视频流的同时，还提供象素时钟PCLK、水平参考信号HREF、垂直同步信号VSYNC?便于外部电路读取图像。

2.4 I2C总线控制电路
I2C总线是一种双向串行总线，它只有两根信号线，可用于不同的IC或硬件模块间的通讯。两条线分别是串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)，当与设备相连时，每条线都必须通过上拉电阻接到电源上。I2C总线上可连接多个主从设备。I2C总线具有控制简单、稳定可靠的特点。I2C总线的数据量是可编程的，其最大的数据量是100K。图3给出了一个完整的I2C总线上的数据传输。

2.5 数据转换及数据缓冲电路
CAMERA芯片的数据输出率较高，并且输出的图像数据格式不能直接用于通过USB总线传送，因而需要进行数据格式转换。CAMERA芯片的数据输出格式由工作模式决定，通过I2C总线控制。为了简化电路，并保持系统一定的灵活性，采用了ALTERA公司的CPLD可编程逻辑阵列芯片来实现数据转换。数据缓冲采用NEC公司的256K×8位静态RAM芯片。电路图如图4所示。

CAMERA芯片的主要输出信号有：CLKOUT(时钟输出，作为CPLD芯片的全局工作时钟)、Y和UV(视频数据输出线均为8位，作为CPLD芯片的数据线)、VSYNC(垂直同步信号，用作帧同步信号)、CHSYNC(水平同步信号，用作行同步信号)。

数据转换电路通过可编程逻辑完成下列功能：根据同步信号，针对QCIF格式，过滤一行中的冗余数据和一帧中的同步行数据，产生数据缓冲芯片的写时钟信号、写复位信号和写使能信号。数据的过滤是通过控制写使能信号实现的，该芯片在使能信号为低时，可以写入缓冲区，而在信号为高时，则不能够将数据写入缓冲区。

数据缓冲芯片的数据输入与数据输出分别由不同的信号控制，两者互不干扰。写数据控制信号有：WRCLK(写时钟信号)、WRST(写复位信号)和WREN(写使能信号)。写操作过程是：首先，控制产生一个内部复位信号WRST，使写缓冲区的写地址指针指向零，在复位周期后，进行写操作；在写时钟信号的上升沿，如果写使能信号为低，一个时钟周期后，数据就写入SRAM中，同时SRAM的写地址指针自动增加。

读操作信号有：RDCLK(读时钟信号)、RE(读允许信号)、OE(输出允许信号)和RDST(读复位信号)。读操作的过程为：控制产生一个读复位信号RDST，使读缓冲区的地址指针指向零，在下一时钟周期进行读操作；在读时钟的上升沿，如果RE和OE信号同时为低，SRAM中的数据就会出现在输出数据总线上，同时SRAM的读地址指针自动增加。

读写操作过程互不干扰，各自有自己的地址指针。把CAMERA芯片输出的图像数据依约定的要求按帧存放在缓冲区，并加上相应的帧间隔标志，USB控制器则从缓冲区中读取数据，并通过接口送往主机，完成数据图像的传输。

3 USB数字摄像系统软件

开发一个USB设备，软件设计是必不可少的。USB应用系统软件设计分为三部分：USB外设端的固件(Firmware)、主机操作系统上的客户驱动程序以及操作界面程序。界面程序通过客户驱动程序与系统USBI(USB Device Interface)进行通信，由系统产生USB数据的传送动作，固件则响应各种来自系统的USB标准请求，完成各种数据的交换工作和事件处理。

由于图像数据自身的格式和USB同步传输适合传输时间敏感的大量数据，采用了同步传输模式。但是同步传输设备和进程的同步设计有较大的难度，且它不提供错误检查机制。固件利用中断来响应主机的I/O请求。因此8051核的IRQE是关键。需要注意的还有USB设备的初始化和配置。初始化时，要按严格的顺序对AN2131的各寄存器进行操作。主机操作界面程序是用VC++6.0编写的，主要实现图像显示以及图像处理等多种功能。

该系统是为了开发USB接口的数字化摄像设备而设计的，系统的一个性能是帧传输率，CAREMA芯片的数据传输率最高可达到30帧/秒。目前笔者所实现的USB接口，在等时传输方式下，可达到8帧/秒。由于目前采用仿真模式，系统的性能在最后的定型中，可得到进一步的提高。
下一步将继续进行系统的集成和优化，并最终实现产品化。由于目前的系统是基于系统仿真板的，所以必须进行集成，以最小系统实现。此外，还要进一步开发设备的驱动程序。由于EZ_USB包括很多的功能，而这里只用到它的等时传输，浪费了很多的资源，加大了成本。所以在后继研究中，还会开发USB控制器，这样才能真正地降低成本，提高性能。

参考文献
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，裘雪红． IBM PC微机应用系统设计．西安?西安电子科技大学，1999
5 Malter Oney. Programming the Windows Driver Model. Microsoft Press          1999
(收稿日期：2002-01-20)

注：

电子技术应用1995~1999光盘版

本刊光盘版正式发行，内容完整，检索方便。

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