一种应用于实时图像系统的USB2.0通信设计
2010-07-02杨斌刘布民吴斌程鹏
杨斌,刘布民,吴斌,程鹏
(1.电子科技大学 微电子与固体电子学院,四川 成都 610054；2.中国科学院微电子研究所,北京 100029)
随着数字通信与数字多媒体技术的发展，实时图像系统已经被广泛应用于商业、工业、医学、军事、科学研究等领域。目前的实时图像系统中，海量的数据处理和数据成像功能，通常借助计算机终端（PC终端）完成，所以系统需要实时地将采集到的图像数据传递到PC终端。而现在大多数以PC为终端的实时图像系统，都采用PCI接口进行数据采集后的数据传输[1]，具有安装复杂、开发周期长、体积大等缺点，不适于小型化设备的应用场合。针对这种情况，本文提出了一种以PC为终端，基于FPGA和USB2.0芯片的便携式实时图像采集传输系统。该系统充分利用了FPGA的实时控制能力和实时数据处理能力，以及USB2.0芯片低成本、高吞吐率、移植方便等特点,使得整体系统具有成本低、可扩展性强、功耗低、设备体积小等优势，能够作为小型化设备应用于多种实际场合，有较高的应用价值。
1 系统框架及芯片简介
系统由 USB2.0芯片、FPGA和图像传感器组成[2],外加PC终端，配合系统工作。系统框图如图1所示。
系统工作原理：系统上电后，在PC终端的图形界面中，定义图像传感器的配置信息；USB2.0芯片将配置信息转发至FPGA；FPGA根据所得信息,对图像传感器进行初始化配置；配置完成后，传感器周期性地采集图像信号发送至FPGA；FPGA利用内部2个采用乒乓操作的FIFO，将图像数据缓存后，发送至 USB2.0芯片（USB2.0芯片传输速度比图像数据获取速度快）；USB2.0芯片将图像数据转发至PC终端；最后PC终端将实时图像信息显示出来。如果PC终端显示的图像未达到用户要求，可实时修改图像传感器工作模式，以满足要求。
图1 系统框图
系统中，图像传感器采用OmniVision公司的低功耗CMOS彩色图像传感器芯片 OV7649；FPGA采用 Altera公司面向低功耗、低成本应用而推出的CycloneII系列中的EP2C5AF256A7；USB2.0芯片选用Cypress公司的CY7C68013A，它是应用广泛的USB2.0芯片CY7C68013的低功耗版本。EP2C5AF256A7、CY7C68013A组成USB2.0通信部分，该部分为本系统的核心。
1.1 FPGA芯片(EP2C5AF256A7)
FPGA处于系统中核心位置，用于控制图像传感器和USB2.0芯片，并将实时图像数据缓存转发。
EP2C5AF256A7的逻辑功能较强，完成系统功能后，还有不少逻辑余量，可用于其他控制逻辑，使系统具有较强的可扩展性。
1.2 USB2.0芯片(CY7C68013A)
USB2.0芯片是系统中数据传输的核心，用于将图像数据转发至PC终端，并将配置信息转发到FPGA。图2为CY7C68013A芯片框图，片内集成了USB2.0收发器、串行接口引擎（SIE）、增强型的8051微处理器和可编程的外围接口[3]。
CY7C68013A有3种可用的接口模式：
(1)端口模式下，数据经内部8051微处理器转发，设计灵活，但数据传输速度较慢。
(2)从属FIFO模式下，数据通过片内FIFO与外部逻辑连接，传输速率高，但需要外部逻辑来提高设计灵活性。
图2 CY7C68013A芯片框图
(3)GPIF模式下，片内FIFO和外部逻辑之间，集成可编程接口,以牺牲传输速率来提高数据传输的灵活性，是端口模式和从属FIFO模式的折中。
考虑到系统实时性和采用的FPGA逻辑功能较强等原因素，CY7C68013A工作在从属FIFO模式。
2 硬件架构
在USB2.0通信部分，主要的硬件连接为FPGA与USB2.0芯片的硬件连接。图3为FPGA与USB2.0芯片中对应管脚之间的电气连接。
图3 USB2.0芯片与FPGA的硬件连接
图中，IFCLK用于数据同步和控制信息同步,采用48 MHz的时钟频率。FLAGB_FULL和FLAGC_EMPTY为FIFO状态标识信号。FIFOADR[1:0]为端点选择信号：当传递图像数据时，FIFOADR[1:0]=10；当传递配置信息时，FIFOADR[1:0]=00。SLOE为数据使能信号。SLRD、SLWR为读写控制信号：SLRD有效时，USB2.0芯片转发配置信息；SLWR有效时，USB2.0芯片转发图像数据。PKTEND为包结束命令：FPGA发送完1帧图像数据后，将该信号置为有效1次，防止数据流不连续。FD[7:0]为FPGA与USB2.0芯片之间通信的双向8位数据总线。
3 软件实现
USB2.0通信部分的软件实现包括：(1)USB2.0芯片固件程序；(2)PC终端驱动程序；(3)FPGA的控制代码。
3.1 固件程序
USB2.0芯片内嵌了加强型8051微处理器,帮助 USB2.0芯片完成初始化、协议通信和片内电源管理等工作[4]。要使微处理器正常工作，就离不开固件的控制和协调，固件应该完成下面的内容：
(1)初始化:设置特殊功能寄存器的初值，使USB2.0芯片做好工作准备。
(2)完成USB2.0协议规定的USB设备端的响应动作。
(3)处理收到的中断。
(4)完成数据的收发和处理。
(5)控制与外围电路的接口，协同外围电路工作。
在Keil uVision 2软件环境下，修改Cypress公司提供的固件框架中的TD_Init()函数，配置USB2.0芯片进入用户所需要的工作方式；修改TD_Poll()函数，定义USB2.0芯片的数据传输方式，即可完成固件程序的编写。下面是核心固件代码：
//接口配置：
IFCONFIG=0x43;
SYNCDELAY;
FIFOPINPOLAR=0x0C;
SYNCDELAY;
//设定端点2工作模式：
EP2CFG=0xA2;
SYNCDELAY;
OUTPKTEND=0x82;
SYNCDELAY;
OUTPKTEND=0x82;
SYNCDELAY;
EP2FIFOCFG=0x10;
SYNCDELAY;
//设定端点6工作模式：
EP6CFG=0xE0;
SYNCDELAY;
EP6FIFOCFG=0x0C;
SYNCDELAY;
EP6AUTOINLENH=0x02;
SYNCDELAY;
EP6AUTOINLENL=0x00;
SYNCDELAY;
3.2 驱动程序
驱动程序通过控制PC终端的硬件，完成USB2.0协议中主机端动作；完成PC终端和USB2.0芯片之间的数据收发和存储[5]。
驱动程序基于Windows XP系统环境开发,使用JUNGO公司的 Windriver和Microsoft公司的Visual C++6.0进行实现。具体开发过程：
(1)通过Windriver获取USB2.0芯片的硬件连接情况和各个通信管道的状态参数。
(2)根据得到的信息，对Windriver中的参数进行修改，生成驱动程序框架。
(3)使用Visual C++6.0修改驱动程序框架，完成系统中PC终端的驱动程序。
3.3 控制代码
从USB2.0协议角度，FPGA是USB2.0设备端：响应主机端命令；从数据收发角度，FPGA是主控器：与USB2.0芯片内的FIFO进行通信。图4为FPGA读写数据时的状态转移图。
图4 FPGA读写数据时的状态转移图
FPGA完成数据收发的过程可以分为FPGA读数据和FPGA写数据两个部分：
(1)FPGA读数据
①复位后，进入空闲状态。
②开始读信号有效后，判断FIFO状态,如 FIFO空，跳回空闲状态；FIFO不空，跳入读数据状态。
③在读数据状态中，FPGA读数，并将读数计数器加1。
④读完1个数据后，判断读信号和FIFO标志位，如果读信号有效且FIFO不空，跳回读数据状态；如果读信号无效或FIFO空，跳入空闲状态。
⑤跳入空闲状态后，等待触发条件。
图5是该模块在Quartus 8.0软件的SignalTap II Logic Analyzer中获得的波形。
(2)FPGA写数据
①复位后，进入空闲状态。
图5 FPGA往PC终端读3 bit波形
图6 FPGA往PC终端写3 bit波形
②开始写信号有效后，判断FIFO状态，如FIFO满，跳回空闲状态；FIFO不满，跳入写数据状态。
③写完1个数据后，判断写信号和FIFO标志位，如果写信号有效且FIFO不满，跳回写数据状态；如果写信号无效或FIFO满，跳入空闲状态。
④跳入空闲状态后，等待触发条件。
图6是该模块在Quartus 8.0软件的SignalTap II Logic Analyzer中获得的波形。
在系统实测中，图像传感器芯片工作在27 MHz时钟频率下,采集84 S/s、640×480分辨率的实时图像数据，实时峰值采集速率接近207 Mb/s；USB2.0通信部分，峰值传输速率可达423 Mb/s，为实时图像采集速度的2倍；FPGA在完成系统功能后，还有不少的逻辑余量。所以，该系统可通过以下方式扩展：(1)多路实时图像数据采集；(2)提高图像分辨率或帧频；(3)利用逻辑余量增加系统功能。
本文提出的实时图像系统具有低成本、低功耗、高吞吐率和扩展性强等优点，能够很好地适用于多种小型化便携式设备应用场合。
[1]BI Bo,SUN Shu Ying,WANG Chun Ping.Design of data acquisition equipment based on USB[C].ICEMI’2007,8th,IEEE,2007:866-869.
[2]方加喜,李玉山.USB接口的数字摄像系统设计[J].电子技术应用,2002,28(7):50-52.
[3]钱峰.EZ-USB FX2单片机原理、编程及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.
[4]张鑫,苏东林,李保权,等.基于 USB的 DSP高速数据传输系统[J].电子技术应用,2006,32(10):99-101.
[5]胡文静,陈松.基于EZ-USB芯片CY7C68013的驱动程序设计[J].计算机应用研究,2005(9):121-122.
