摘   要： 利用USB2.0接口芯片CY7C68013的特點(diǎn)，通過(guò)塊傳輸方式實(shí)現(xiàn)了視頻圖像的實(shí)時(shí)無(wú)損傳輸。詳細(xì)介紹了CY7C68013的Slave FIFO工作方式在視頻圖像傳輸中的應(yīng)用以及系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： USB2.0  塊傳輸  Slave FIFO  視頻圖像

　　對(duì)于數(shù)據(jù)量很大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，USB2.0協(xié)議[1][2][3]有專門的等時(shí)傳輸方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但等時(shí)傳輸不但實(shí)現(xiàn)困難，且由于在數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程中和主機(jī)不進(jìn)行握手，因此當(dāng)數(shù)據(jù)包出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)主機(jī)不會(huì)要求USB重新發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤。因此不適用于視頻圖像的精密分析與測(cè)量。而USB2.0協(xié)議中的塊傳輸方式在數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程中和主機(jī)進(jìn)行握手，當(dāng)數(shù)據(jù)包出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)會(huì)要求USB重新發(fā)送數(shù)據(jù)，這就保證了傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而且開(kāi)發(fā)相對(duì)容易。本文利用USB2.0塊傳輸方式實(shí)現(xiàn)了CCD視頻圖像的實(shí)時(shí)無(wú)損傳輸。
1  USB2.0接口芯片CY7C68013簡(jiǎn)介
　　(1)內(nèi)置USB2.0收發(fā)器和智能串口引擎(Serial Interface Engine，SIE)。
　　(2)增強(qiáng)的8051內(nèi)核，其時(shí)鐘頻率可為12MHz、24MHz和48MHz，同時(shí)該芯片還帶有2個(gè)通用異步收發(fā)器(UART)、3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器和2個(gè)數(shù)據(jù)指針，可支持外部中斷。
　　(3)可通過(guò)USB下載程序，也可從外部擴(kuò)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(shù)據(jù)接口。
　　(6)具有通用可編程接口GPIF。
　　(7)內(nèi)置I2C接口，其工作速率為100kHz或400kHz。
　　(8)帶有最大達(dá)8Kb的FIFO，可運(yùn)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(jī)發(fā)送一些控制命令字給USB設(shè)備。
　　(2)中斷傳輸：主機(jī)發(fā)送中斷指令給USB設(shè)備。
　　(3)等時(shí)傳輸（Isochronous Transfer）：用于視頻或音頻等數(shù)據(jù)流的傳輸，傳輸時(shí)維持一定的速度，高速時(shí)會(huì)有一定的錯(cuò)誤發(fā)生。其傳輸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　(4)塊傳輸（Bulk Transfer）：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，準(zhǔn)確性高(若出現(xiàn)錯(cuò)誤而發(fā)生傳送失敗，會(huì)重新傳一次)，且無(wú)速度上的限制（即沒(méi)有固定傳輸速率）。其傳輸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　通過(guò)比較塊傳輸和等時(shí)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)：等時(shí)傳輸是以數(shù)據(jù)流的方式不斷傳輸數(shù)據(jù)，可以充分保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送。而塊傳輸比等時(shí)傳輸多了握手的部分（ACK/NAK/STALL/NYET)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)必須分包傳輸，而且每個(gè)包最大為1 024b。這樣塊傳輸?shù)乃俣葧?huì)受到一定的影響。從理論上看，在USB2.0協(xié)議中等時(shí)傳輸最高支持480Mbps，而塊傳輸最高支持416Mbps。
　　對(duì)于實(shí)時(shí)視頻圖像傳輸，采集到的視頻信號(hào)為PAL制式隔行掃描黑白全電視視頻信號(hào)。該信號(hào)每幀信號(hào)由奇場(chǎng)和偶場(chǎng)信號(hào)構(gòu)成，每場(chǎng)重復(fù)周期為20ms，場(chǎng)消隱脈沖寬度為1 612μs，在場(chǎng)消隱期間無(wú)有效數(shù)據(jù)，每行重復(fù)周期為64μs，行消隱脈沖寬度為12μs。對(duì)于分辨率為800×600的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)視頻圖像在理論上是可行的。這樣每次連續(xù)采集一場(chǎng)的數(shù)據(jù)，如果可以在場(chǎng)消隱的時(shí)間內(nèi)完成一場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理和顯示，那么在下一場(chǎng)數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)就不會(huì)耽誤數(shù)據(jù)的繼續(xù)采集，從而可以實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)傳輸。實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)介及其在視頻圖像傳輸中的應(yīng)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(diǎn)如下：(1)采用外部Master的控制方式，減少了直接應(yīng)用內(nèi)部Master的繁雜。(2)直接利用芯片內(nèi)部集成的FIFO進(jìn)行工作，有效地將外部數(shù)據(jù)經(jīng)CY7C68013進(jìn)行傳遞。(3)同步和異步2種工作模式適應(yīng)多種數(shù)據(jù)傳輸要求。
　　采用Slave FIFO方式傳輸視頻圖像數(shù)據(jù)的原理框圖如圖3所示。其中IFCLK的設(shè)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(xiě)信號(hào)受IFCLK上升沿控制，在異步模式下，SLWR寫(xiě)信號(hào)受讀信號(hào)SLOE控制。所以，采用異步工作模式，用視頻圖像的采集時(shí)鐘作為SLOE的觸發(fā)信號(hào)。這樣可以使SLWR信號(hào)和SLOE信號(hào)保持同步，經(jīng)FIFO直接將采集數(shù)據(jù)寫(xiě)入主機(jī)。其寄存器配置為：IFCONFIG=0xCB。為了充分利用CY7C68013的內(nèi)部FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩沖，可以采用4倍Buffer的方式，可以用端點(diǎn)6對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀入（IN）操作（由于只是將采集的圖像數(shù)據(jù)送入主機(jī)，所以此時(shí)不用考慮端點(diǎn)2和端點(diǎn)4這2個(gè)OUT端點(diǎn)。這樣就只需要對(duì)IN端點(diǎn)6進(jìn)行配置），這樣按照其工作方式，可以應(yīng)用全部8KB緩沖。其寄存器配置為：EP6CFG=0xE0；PKTEND直接決定FIFO中數(shù)據(jù)的傳輸方向及方式。應(yīng)用CY7C68013芯片自身的AUTOIN方式，完全可以保證數(shù)據(jù)及時(shí)無(wú)誤地從采集設(shè)備到主機(jī)的傳輸，其配置為：EP6FIFOCFG=0x0C；端點(diǎn)(ENDPOINT)6的選擇可以通過(guò)對(duì)FIFOADR的寄存器進(jìn)行設(shè)置來(lái)確定。這樣，就可以用最短的時(shí)間將從采集到的芯片通過(guò)CY7C68013送到主機(jī)進(jìn)行處理。

　　在場(chǎng)消隱期間的處理工作是利用Slave FIFO方式傳遞實(shí)時(shí)視頻圖像的一個(gè)關(guān)鍵。當(dāng)USB傳完一場(chǎng)信息后，可以在IBN（IN Bulk NAK）中斷中應(yīng)用判斷標(biāo)志來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢栽诠碳凶远x一個(gè)函數(shù)proc（void），在USB Interrupt Handlers中利用該函數(shù)調(diào)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(gè)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(shù)據(jù)的時(shí)間。每次調(diào)用IBN中斷前都設(shè)置PE0＝0x00，一旦調(diào)用IBN中斷后，PE0=0x01，輸出為高電平?？梢岳迷摳唠娖娇刂艭PLD的場(chǎng)同步信號(hào)，利用CPLD把每場(chǎng)頭信號(hào)A0找出來(lái)。這樣利用PE0和A0做“與”運(yùn)算，就可以從每場(chǎng)開(kāi)始時(shí)就采集數(shù)據(jù)，不會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。隨后AD按照采樣時(shí)鐘進(jìn)行采集，通過(guò)設(shè)置所要求的分辨率和采集時(shí)鐘的大小，可以得到每場(chǎng)需要采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集完畢后，通過(guò)CPLD產(chǎn)生中斷請(qǐng)求送給INT。這時(shí)固件程序進(jìn)入中斷服務(wù)，同時(shí)又將PE0設(shè)置為0x01，重復(fù)IBN中斷的工作過(guò)程。由于在場(chǎng)消隱期間沒(méi)有場(chǎng)頭信號(hào)，PE0始終為高，AD不會(huì)采集數(shù)據(jù)，因此可以利用場(chǎng)消隱的這段時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)和主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。在主機(jī)端的上位機(jī)處理程序中，初始時(shí)通過(guò)在驅(qū)動(dòng)中定義MaximumTransferSize的大小可以使其足夠大于一場(chǎng)數(shù)據(jù)(800×600)。這樣當(dāng)USB通過(guò)線程中的DeviceIoControl將全部一場(chǎng)的數(shù)據(jù)送到主機(jī)的內(nèi)存后，就可以通過(guò)IBN中斷利用場(chǎng)消隱期間將采集的一場(chǎng)數(shù)據(jù)在主機(jī)中顯示出來(lái)。實(shí)驗(yàn)證明，主機(jī)將存儲(chǔ)于內(nèi)存中的一場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)顯示出來(lái)大約用300～500μs，大大小于場(chǎng)消隱的1 612μs，所以此方法是完全可行的。當(dāng)場(chǎng)消隱結(jié)束后，IBN中斷自動(dòng)解除，又可以重新采集圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)每場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)和主機(jī)中的傳輸和顯示，達(dá)到實(shí)時(shí)處理的效果。
4  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　結(jié)合CCD視頻圖像采集和Slave FIFO的外圍Master的控制及設(shè)計(jì)，確定了無(wú)損視頻圖像采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)由A/D轉(zhuǎn)換器、同步分離電路、鎖相環(huán)電路、CPLD及USB2.0傳輸模塊(CY7C68013)構(gòu)成。系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器采用視頻采集芯片TDA8709，具有8位數(shù)據(jù)寬度，最高數(shù)據(jù)采樣率可達(dá)32MHz，內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)負(fù)極性NTSC、PAL或SECAM制式視頻信號(hào)中提取行、場(chǎng)同步信息。鎖相環(huán)芯片采用高速鎖相環(huán)NE564，最高工作頻率可達(dá)到50MHz。CPLD采用ALTERA公司的EPM7128，可用門單元為2 500個(gè)，管腳間最大延遲5ns。系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)視頻輸入由同步分離電路分離出標(biāo)準(zhǔn)行同步信號(hào)HSYN和場(chǎng)同步信號(hào)VSYN，場(chǎng)同步信號(hào)送至CPLD，行同步信號(hào)經(jīng)鎖相環(huán)電路鎖相，產(chǎn)生每行N個(gè)點(diǎn)的鎖相脈沖VCOOUT輸入到CPLD。一個(gè)工作周期開(kāi)始時(shí)，主機(jī)首先發(fā)出塊請(qǐng)求命令，USB2.0傳輸模塊響應(yīng)并設(shè)置位信號(hào)線PE0，指示CPLD開(kāi)始采集。CPLD檢測(cè)到場(chǎng)同步信號(hào)有效后，則將鎖相脈沖CLK加至A/D的轉(zhuǎn)換脈沖輸入端及USB2.0模塊的寫(xiě)脈沖輸入端。每次A/D轉(zhuǎn)換完畢，D[7..0]有效，并在CLK作用下將采集到的圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入U(xiǎn)SB2.0傳輸模塊并傳回主機(jī)。CPLD內(nèi)置一計(jì)數(shù)器，對(duì)鎖相脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由場(chǎng)同步信號(hào)復(fù)位，計(jì)數(shù)滿一場(chǎng)后置位信號(hào)線INT，輸入到USB2.0傳輸模塊的中斷端，USB2.0傳輸模塊響應(yīng)中斷并撤銷信號(hào)PE0，此時(shí)主機(jī)也已接收滿一場(chǎng)圖像，一個(gè)工作周期結(jié)束。下一個(gè)工作周期仍然由主機(jī)發(fā)出塊傳輸請(qǐng)求開(kāi)始?，F(xiàn)場(chǎng)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(cè)量的需要。

5  結(jié)束語(yǔ)
　　綜上所述，根據(jù)CY7C68013的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其工作在Slave FIFO模式下，應(yīng)用USB的Bulk傳輸方式實(shí)現(xiàn)了CCD視頻圖像的實(shí)時(shí)無(wú)損傳輸和顯示，不存在傳輸圖像失真或數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。目前這一系統(tǒng)已成功運(yùn)用于液體中化工試劑、油珠、微細(xì)顆粒的粒徑測(cè)量和統(tǒng)計(jì)上。
參考文獻(xiàn)
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