利用USB2.0单片机实现全数字图像的实时采集

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利用USB2.0单片机实现全数字图像的实时采集

摘要：主要论述利用USB2.0单片机接口技术实现高分辨率（640×480点阵以上）、快速（24帧/s以上）全数字图像的实时采集、传输的原理、方法和系统实现，以及相应的固件程序设计。     关键词：USB2.0 接口技术 数字图像 单片机
引言
传统的方法是用视频采集卡（如1394）对视频信号进行采集，利用相应的软件传给PC机，既不方便，也不经济。本文介绍一种利用Cypress公司2002年发布的世界上第一块带 有USB2.0接口的芯片CY7C68013与PC机（主板为支持USB2.0的华硕主板PB533）实现了高分辨率（640×480点阵以上）、快速（24帧/s以上）、全数字图像的实时采集系统。
1 数字图像的实时采集原理
数字图像的实时采集原理如图1所示。在图1中，以Omnivision technologies公司的OV7620/7120芯片作为图像采集芯片，其主要特点是该芯片可提供0.5～30帧/s，640×480像素点阵CMOS的彩色或黑白数字图像，工作频率为27MHz，像素时钟为27MHz；以Cypress公司的CY7C68013作为CPU控制和USB2.0接口芯片，该芯片的主要特点是在一块芯片上集成了USB2.0内核和引擎、一个增强型51系列的微处理器，及可编程外围接口的芯片，提供了高效率的时序解决方案，在这种有独创性的结构下，仍然使用低价位的51系列的微处理器，其数据传输速度可以达到56MB/s，可以提供USB2.0的最大带宽。因此在图1中，CPU控制和USB2.0接口芯片选择了上述芯片。图像芯片（OV7620/7120）所采集的图像数据按设定的频率（0.5～30帧/s），在CY7C68013内部51CPU的控制下，直接将其送到CY7C68013的FIFO缓冲区，再由其内部的USB2.0接口通过USB电缆将其图像数据传输到计算机。
2 数字图像的实时传输
为了实现数字图像的实时传输，必须解决影响实时传输的几大因素：一是图像芯片采集速度；二是图像芯片与CY7C68013的FIFO缓冲区之间的传输速度；三是CY7C68013内部的USB2.0与带有USB2.0接口计算机之间的传输速度；四是计算机中应用软件的接收图像、处理图像速度。以下将分别加以具体说明。

    （1）图像芯片采集速度
图像芯片采集速度是选择图像芯片的关键指标，在该指标满足的前提下，选取图像分辨率相对较高的图像芯片。如可以选取Photobit公司的PB-0300或Omnivision公司的OV7620以及Philips公司的SAA7111等高分辨率图像采集及处理芯片。
（2）图像芯片与CY7C68013的传输速度
一般的，对于大多数CMOS数字图像采集和处理芯片，其数据传输速度为其像素时钟，与其工作频率基本一致，其周期小于40ns；而当CY7C68013工作在主频48MHz时，其内部的通用编程接口可以将外部5～48MHz的数据传输到内部FIFO缓冲区。可见，应选取像素数据传输速度合适的图像采集及处理芯片。
（3）CY7C68013与计算机之间的传输速度
在USB1.0和USB1.1接口中，只支持低速和全速两种传输方式。在低速方式下其最大传输速度为1.5Mbps；在全速方式下其最大传输速度为12Mbps。显然，在这两种方式下要完成高分辨率（640×480像素点阵以上）的数字图像实时传输（24帧/s以上）是不可能的。而USB2.0接口，除支持低速和全速两种传输方式外，还支持高速传输方式。在高速传输方式下，其最大传输速度为480Mbps。因此选取带有USB2.0内核的CY7C68013芯片作为USB2.0接口芯片及带有USB2.0接口的计算机，满足数字图像的实时传输速度要求。
（4）计算机中应用软件的处理速度
计算机中，应用软件的接收图像、处理图像速度，也是完成高分辨率数字图像实时传输所面临的一个很大挑战。特别是在Windows多任务作业下的延迟，更是如此。
此外，USB总线的带宽、操作系统等也会影响数字图像的实时传输。
3 系统实现及固件程序设计
（1）系统实现
本系统的具体和详细设计如图2所示的数据采集逻辑原理图。在图2中，图像采集处理芯片用OV7620/7120，时钟频率为27MHz，像素时钟为27MHz；CPU控制和USB2.0接口芯片用CY7C68013，时钟频率为24MHz，通过对CY7C68013内部的CPUCS寄存器进行修改，使其工作在48MHz方式下。根据芯片OV7620/7120及CY7C68013内部的FIFO、通用编程接口等特点，其具体接法是：将OV7620/7120的像素时钟PCLK接到CY7C68013的IFCLK上；OV7620/7120的HREF、VSYNC分别接到CY7C68013的RDY0、RDY1上；同时将OV7620/7120的VSYNC、CHSYNC分别接到CY7C68013的INT0、INT1上。将CY7C68013的PE0、PE1接在OV7620/7120的I2C BUS上。


图2

    （2）固件程序设计
按照图2数据采集逻辑原理图，其固件程序设计主要由以下几部分组成。
①USB2.0接口的初始化程序设计。本段程序主要通过对CY7C68013的CPUCS寄存器进行设定，使CY7C68013重枚举后工作在频率48MHz下；通过对CY7C68013的USBCS寄存器设定，使其USB内核工作在USB2.0方式下，由固件程序应答USB的传输，而不是由USB内核应答；同时通过对CY7C68013的IFCONFIG寄存器设定，使其CY7C68013工作在通用编程接口方式下。
②图像芯片的初始化程序设计。本段程序主要通过CY7C68013的PE0、PE1模拟I2C BUS的时序，完成对图像芯片的初始化、显示窗口大小、数据格式、显示帧数等工作。
③通用编程接口（GPIF）程序设计。本接口程序设计主要完成对CY7C68013通用编程接口的初始化以及控制信号RDYx和CTLx(本设计中未用)、数据宽度（8位）、FIFO缓冲区、计数器等的编程设计，并对OV7620/7120的输入信号HREF、VSYNC等进行逻辑控制，即当HREF为高电平、VSYNC为底时，数据开始传输。
④USB2.0等时传输程序设计。本段程序主要完成USB2.0的等时传输功能。要实时采样数据，必须使用USB2.0的等时传输技术及中断技术。
⑤主程序设计。在主程序中，除要完成①～④中断论述的功能外，还要给出USB控制传输的固件应答程序及相应的中断初始化和中断服务程序，其完整程序见本刊网站www.dpj.com.cn。
4 结论
本系统在工业在线检测、无人驾驶汽车等领域得到了很好的应用，满足了应用的需求。