EZ-USB FX2實(shí)現(xiàn)圖像采集系統(tǒng)

　　由于圖像采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量大，帶寬要求高，以往的圖像采集系統(tǒng)通常使用PCI總線實(shí)現(xiàn)。但是計(jì)算機(jī)本身配置的PCI接口數(shù)量非常有限，而且拆裝PCI接口設(shè)備需要打開(kāi)機(jī)箱，一般操作人員并不具備這樣的能力，導(dǎo)致系統(tǒng)應(yīng)用受到限制。USB(通用串行總線)接口列可以完全解決以上難題。首先，USB2.0接口的速度已經(jīng)達(dá)到480Mbps，完全可以滿足圖像采集系統(tǒng)對(duì)速度的要求。另外，USB接口是真正支持即插即用，且允許熱插撥的接口，所以目前大量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都選擇使用USB2.0接口實(shí)現(xiàn)。

　　本文利用SAA7113H實(shí)現(xiàn)模擬視頻信號(hào)解碼，并借助EZ-USB FX2單片機(jī)CY7C68013將數(shù)字圖像數(shù)據(jù)直接通過(guò)USB2.0接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過(guò)PC機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)圖像的無(wú)損采集，大大簡(jiǎn)化了采集卡的硬件設(shè)計(jì)，降低了采集卡硬件要求，有效降低了圖像采集卡的成本。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由視頻解碼芯片SAA7113H、USB控制芯片CY7C68013和一塊容量為1kB的24C01EEPROM芯片組成。

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　　圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　1.1 視頻解碼芯片-SAA7113H

　　SAA7113H是飛利浦公司出品的一款視頻解碼芯片，它的作用是將輸入的模擬視頻信號(hào)解碼為標(biāo)準(zhǔn)的8位VPO數(shù)字信號(hào)。它可以輸入4路模擬視頻信號(hào)，通過(guò)I2C總線對(duì)內(nèi)部寄存器的不同配置可以對(duì)4路復(fù)合視頻輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換，改變亮度、對(duì)比度等參數(shù)。SAA7113H兼容PAL、NTSC等多種制式，可以自動(dòng)檢測(cè)場(chǎng)頻，可以在PAL、NTSC之間自動(dòng)切換控制。SAA7113H解碼后輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的YUV 4:2:2格式數(shù)字信號(hào)。

　　1.2 USB控制芯片--CY7C68013A

　　CYTC68013A(EZ-USB FX2)是Cypress半導(dǎo)體公司推出的一款USB2.0芯片，它內(nèi)部集成了增強(qiáng)的8051內(nèi)核，支持最大48MHz的時(shí)鐘頻率，在相同時(shí)鐘頻率下，F(xiàn)X2的平均指令執(zhí)行速度可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)8051的2.5倍。CY7C68013芯片內(nèi)部集成了一個(gè)與8051內(nèi)核相對(duì)獨(dú)立的SIE(串行接口引擎)，在不需要8051內(nèi)核參與的情況下，通過(guò)USB端口和外部邏輯共享FIFO的方式，實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)與USB端口的數(shù)據(jù)交換，大大加快了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，可?shí)現(xiàn)的最大速度為480Mbps。

　　1.3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

　　硬件連接方面，利用CY7C68013的I2C端口連接24C01，以便在系統(tǒng)上電后提取24C01中的信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備枚舉，下載相應(yīng)固件。利用CY7C68013模擬I2C端口連接SAA7113H，對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)解碼芯片初始化操作。CY7C68013工作在Slave FIFO(從屬的FIFO)模式，將SAA7113H的VPO數(shù)據(jù)總線直接連接到CY7C68013的FD總線，使用CY7C68013的IOAO端口檢測(cè)數(shù)字視頻的場(chǎng)標(biāo)志信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn)幀同步。將CY7C68013的SLWR*(從屬寫(xiě))信號(hào)量為有效，SLRD(從屬讀)和SLOE(輸出有效)置為無(wú)效，由SAA7113H通過(guò)自身輸出的27MHz同步時(shí)鐘將數(shù)字視頻信號(hào)以同步方式直接寫(xiě)入CY7C68013內(nèi)部的FIFO，再通過(guò)SIE將FIFO中的數(shù)據(jù)以高速方式直接傳送到PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括固件程序設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和PC機(jī)采集程序3大部分。

　　2.1 固件程序設(shè)計(jì)

　　固件程序流程圖如圖2所示。該固件在采集卡上電后初始化CY7C68013，使其工作在Slave FIFO模式，設(shè)置總線位數(shù)為8位，以便接收SM7113H的8位數(shù)字視頻信號(hào)。將EP2端點(diǎn)設(shè)置為批量AUTO IN傳輸方式，512字節(jié)4倍FIFO緩沖。一次最大傳輸數(shù)據(jù)包大小為512字節(jié)。利用SAA7113H的時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步從屬FIFO寫(xiě)數(shù)據(jù)。

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　　圖2 固件程序流程圖

　　通過(guò)模擬的I2C端口初始化SAA7113H，使其能夠接收CCD攝像機(jī)的模擬視頻信號(hào)，以標(biāo)準(zhǔn)的ITU656格式輸出，并設(shè)置RSTO輸出奇偶場(chǎng)標(biāo)志，然后等待上位機(jī)的開(kāi)始采集命令。

　　在收到PC機(jī)開(kāi)始圖像采集命令后，固件程序首先通過(guò)IOAO端口檢查SAA7113H的奇偶場(chǎng)信號(hào)。如果外部模擬視頻信號(hào)源未連接，該信號(hào)將一直維持高電平。固件在一段時(shí)間等待并確認(rèn)外部視頻信號(hào)未連接的情況下，向PC機(jī)回傳設(shè)備尚未準(zhǔn)備好的信息，否則一直清空FIFO，將FIFO中已有效據(jù)清除，直到奇場(chǎng)信號(hào)到來(lái)，固件回送設(shè)備準(zhǔn)備好信息給PC，以實(shí)現(xiàn)視頻圖像幀同步采集。圖像數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程將由SIE完全控制，固件不參與傳輸操作。

　　2.2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　Cypress開(kāi)發(fā)包中提供了一個(gè)通用驅(qū)動(dòng)程序，即cyUSB.sys，該驅(qū)動(dòng)程序符合Windows硬件質(zhì)量實(shí)驗(yàn)室WHQL標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)直接使用該驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集。由于CY7C68013采用的是軟配置的方案，芯片中并沒(méi)有提供用于永久存放固件程序的存儲(chǔ)器，固件程序需要在每次上電后通過(guò)外部存儲(chǔ)器加載或從PC機(jī)下載到內(nèi)部RAM中。驅(qū)動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)固件程序的裝載功能，以便系統(tǒng)上電后，可以自動(dòng)從PC機(jī)下載固件到CY7C68013，然后使用通用驅(qū)動(dòng)程序完成采集卡的設(shè)備重枚舉。

　　在CyprESS提供的開(kāi)發(fā)包中包含了一個(gè)固件下載驅(qū)動(dòng)模板，即EZ-Loader Driver.系統(tǒng)固件下載驅(qū)動(dòng)主要依賴它來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體的步驟為：

　　1)利用hex2c.exe將Intel HEX格式文件轉(zhuǎn)換成C代碼數(shù)組。

　　2)將所有的EZ-Loader Driver文件連同子文件復(fù)制到一個(gè)新建的目錄中。并利用第一步得到的C代碼數(shù)組替換EZ-Loader Driver中firmwa re.c中的數(shù)組。

　　3)在WindowsXP DDK中使用build命令在新建目錄中創(chuàng)建固件下載驅(qū)動(dòng)程序。

　　4)改寫(xiě)驅(qū)動(dòng)安裝信息文件。