楊 帆， 楊曉慧＊， 黃 勇

（1.長春理工大學 電子信息學院，吉林 長春 130022；2.吉林博安消防設備有限公司，吉林 長春 130000）

0 引 言［1－4］

現(xiàn)如今附帶底層圖像處理的智能工業(yè)相機，其為了方便與PC的連接，大部分采用USB接口進行圖像數(shù)據(jù)傳輸。文中設計一個基于FPGA和USB的圖像傳輸平臺，可以將掛在FPGA外部的SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過USB總線傳到上位機。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，使用了DMA技術，加速了圖像傳輸?shù)乃俣?，減少了圖像傳輸時對CPU的使用率。

為了驗證圖像采集的正確性，必須做出一套驗證圖像采集正確性的平臺。最為直觀的方法就是讓肉眼可以觀察到圖像。常用的方法有3種：

1）使用VGA顯示器顯示；

2）使圖像輸出為視頻信號，用監(jiān)視器顯示；

3）將圖像傳輸?shù)缴衔粰C顯示。

第1種和第2種方法在實時圖像采集的時候有很大優(yōu)勢，可以一直顯示圖像的各種變化。但是需要硬件一直在刷新操作，一旦停止刷新，圖像將會立即停止顯示。第3種方法難度較大，但可以顯示一幀圖像，也可以實時顯示。當在要求只顯示一幀圖像的時候，硬件可以在顯示完圖像后結束刷新，圖像依然可以用肉眼觀察到，為此，本研究具有很大的研究意義。

1 整體介紹

本平臺圖像暫存在外掛的SDRAM內(nèi)部，測試圖像為1 024＊768的灰度圖像。FPGA內(nèi)部運行NIOS核，所有外設在AVALON總線上統(tǒng)一編址。這樣圖像存儲的地址就已知了，AVALON總線上的任意設備在AVALON總線協(xié)議的看管下，均可以對此圖像數(shù)據(jù)進行讀取。USB圖像傳輸模塊程序為IP核形式的，掛在AVALON總線上，與此模塊相連的兩個DMA控制器分別為數(shù)據(jù)的輸出和輸入通道。DMA控制器的優(yōu)點是快速且不占用CPU時間。圖像傳輸?shù)倪^程：首先，等待上位機發(fā)送圖像傳輸指令；然后，接到圖像傳輸指令后，對輸出DMA通道的參數(shù)進行配置；最后，分塊將圖像寫入USB芯片的FIFO中，由USB芯片將圖像數(shù)據(jù)進行打包發(fā)往上位機。

2 系統(tǒng)硬件平臺

2.1 硬件結構

本系統(tǒng)所采用的FPGA為EP3C16F484C6，該芯片邏輯門豐富引腳眾多，可以同時獨立外掛兩個SDRAM后仍舊擁有多余的引腳。該平臺可以完成圖像采集、圖像處理、雙目定位等功能的研究。

系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

USB芯片外掛的EEPROM內(nèi)部存放USB芯片的固件程序，上電后CY7C68013A發(fā)起讀取信號，將固件程序讀到芯片內(nèi)部RAM中開始運行。

2.2 USB傳輸模塊結構

USB傳輸采用Cypress公司的CY7C68013A，該芯片內(nèi)部集成了USB2.0收發(fā)器、SIE、增強的8051微控制器和可編程外圍接口，主從端點FIFO結構為其它芯片提供了簡單和無縫的連接接口。高性能成熟的傳輸技術使它成為比較熱門的USB傳輸芯片。

FPGA與USB芯片接口示意圖如圖2所示。

圖2 硬件連接示意圖

3 系統(tǒng)軟件平臺

3.1 USB芯片固件程序

Cypress公司提供了一個固件架構，實現(xiàn)了與USB兼容的外圍設備所需的基本功能，只要進行少量的功能設置就可以完成通信功能。本平臺的USB固件中，USB芯片工作在Slave FIFO接口方式上，將端點EP2配置為四緩沖的Auto－Out模式，將端點EP6配置為四緩沖的Auto－In模式，微控制器不參與數(shù)據(jù)傳輸過程。

3.2 FPGA內(nèi)部程序

PLLTest模塊為系統(tǒng)提供多種時鐘，SDRAM正常工作時所需要的時鐘要有一定的偏移，如果不能提供這樣的偏移，則SDRAM無法正常工作。FLASH接口與外掛的EPCS芯片相連，保證程序掉電之后可以保存。

FPGA頂層原理圖如圖3所示。

圖3 FPGA頂層原理圖

3.3 NIOS程序

IsFLAGB（）子函數(shù)為等待上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，緊接著開始發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)為1 024＊768＊8的灰度圖像，一次發(fā)送512個字節(jié)包，所以，發(fā)送一陣圖像需要發(fā)送1 536次。程序如下：

3.4 上位機驅動程序

根據(jù)網(wǎng)上的一些資料，本平臺使用的驅動是直接在LabView環(huán)境下通過NI－VISA自帶的驅動向導自動生成USB驅動程序，完全避開了以前開發(fā)USB驅動程序的復雜性，大大縮短了開發(fā)周期。

一個USB設備與電腦連接以后，會分配一個VID和PID。NI－VISA驅動向導根據(jù)這兩個值生成驅動程序，運行Driver Wizard根據(jù)向導提供的步驟可以非常容易地獲取需要的驅動程序。

3.5 LabView顯示程序

NI－VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是美國國家儀器公司開發(fā)的一種用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口。在LabVIEW 上使用NI－VISA進行USB通信時，使用USB RAW設備，USB RAW設備是指除了明確符合USB TMC規(guī)格的儀器之外的任何USB設備，通信時需要進行配置。

LabView測試程序采用NI－VISA接口，可以非常容易地與USB設備連接獲得通信。NI－VISA接口通過USB設備的VID和PID的值尋址到待通信的USB設備，然后首先打開USB傳輸，先發(fā)送若干個字節(jié)，接著等待下位機發(fā)送而來的數(shù)據(jù)，最后關閉USB傳輸。接到的數(shù)據(jù)通過后來的轉換形成數(shù)組，最后轉成圖像，顯示非常直觀［5－8］。

上位機程序如圖4所示。

圖4 上位機程序

4 結 語

本平臺是以后實驗的基礎，基于本平臺可以進行下位機圖像處理及圖像采集的開發(fā)工作，也可以進行雙目視覺定位系統(tǒng)的開發(fā)工作。后期為了驗證此平臺方案的實用性，使用DSP控制器同樣利用本實驗的研究思路，又做了另一款基于DSP和USB的圖像傳輸平臺。

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