周應(yīng)發(fā) ZHOU Ying-fa；黃澤鍔 HUANG Ze-e

（廣州颯特紅外股份有限公司，廣州 510006）

（Guangzhou SAT Infrared Co.，Ltd.，Guangzhou 510006，China）

基于FPGA的USB視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計

周應(yīng)發(fā) ZHOU Ying-fa；黃澤鍔 HUANG Ze-e

（廣州颯特紅外股份有限公司，廣州 510006）

（Guangzhou SAT Infrared Co.，Ltd.，Guangzhou 510006，China）

本設(shè)計以高清CCD模塊采集到的可見光視頻圖像通過USB實(shí)時傳輸?shù)絇C機(jī)為例，闡述USB視頻系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)使用OmniVision的OV5640 CCD圖像傳感器作為光電成像器件，采用USB2.0控制器芯片CY7C68014A與FPGA直連，通過FPGA對高清CCD模塊的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并傳輸?shù)経SB芯片上，最后在PC機(jī)上實(shí)時顯示。該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，便于大型系統(tǒng)的設(shè)計。通過該設(shè)計實(shí)現(xiàn)高清CCD的USB實(shí)時傳輸，已在相關(guān)手持設(shè)備產(chǎn)品中進(jìn)行應(yīng)用。

圖像傳感器；USB；圖像傳輸

0 引言

隨著科技發(fā)展，CCD器件及其應(yīng)用技術(shù)的研究取得了驚人的進(jìn)展。與CMOS器件相比，成像方面相同像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確。而CMOS的產(chǎn)品往往通透性一般，對實(shí)物的色彩還原能力偏弱，曝光也都不太好。目前市面上絕大多數(shù)的消費(fèi)級別以及高端數(shù)碼相機(jī)都使用CCD作為感應(yīng)器；CMOS感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像頭上。

USB(Universal Serial Bus)通用串行總線是一種PC機(jī)與外圍設(shè)備間的高速通信接口，它具備其他總線無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：連接簡便，即插即用；高傳輸速率；能夠自動檢測和配置外圍設(shè)備。USB2.0協(xié)議其理論最高傳輸速度可達(dá)480Mbps，為計算機(jī)與外設(shè)的高速數(shù)據(jù)交換提供了可能，也為高分辨率動態(tài)圖像采集系統(tǒng)提供了理想選擇[1-2]。

系統(tǒng)采用Spartan-6系列的FPGA，該系列的FPGA為成本敏感型應(yīng)用帶來了低風(fēng)險、低成本和低功耗的最佳平衡，與前幾代器件相比，不僅功耗降低42%，同時性能提高12%。該系列不僅擁有業(yè)界領(lǐng)先的系統(tǒng)集成能力，同時還能實(shí)現(xiàn)適用于大批量應(yīng)用的最低總成本[3-4]。由于該USB實(shí)時傳輸系統(tǒng)僅是手持設(shè)備系統(tǒng)中的一個組成部分，采用該FPGA有利于大系統(tǒng)的設(shè)計與管理。

本文中介紹如何結(jié)合FPGA技術(shù)，利用 OmniVision公司的OV5640 CCD圖像傳感器和Cypress公司的CY7C68014A控制傳輸芯片（內(nèi)部集成了增強(qiáng)型51內(nèi)核）來實(shí)現(xiàn)高速圖像采集與傳輸。

1 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示，三部分構(gòu)成。并采用Spartan-6系列的FPGA，型號為XC6SLX45來進(jìn)行設(shè)計。

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)視頻來源于高清CCD模塊，模塊中使用的OV5640是一款1/4英寸5百萬像素的高性能圖像傳感器。要從該模塊從獲取視頻圖像數(shù)據(jù)涉及到兩個方面，首先是給CCD模塊供電，該模塊必須提供三組電源2.8V，1.8V，1.5V。設(shè)計時可通過主電源（本系統(tǒng)主電源為3.7V）輸入到線性電源芯片，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓。在FPGA中可使用任意兩根線與CCD模塊的IIC接口相連。該模塊供上電后，，用模擬IIC的方式對該模塊寄存器進(jìn)行配置[5-6]。此處將輸出格式配置為8-bit YCbCr，并以640X480預(yù)覽模式，30幀每秒為例。該CCD模塊輸出的視頻數(shù)據(jù)信號與FPGA的接口如圖1所示。

FPGA將從CCD模塊中采集的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，存放在外部DDR存儲器中。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸，顯示系統(tǒng)設(shè)計 Cypress公司的USB芯片CY7C68014A可使最高數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到480Mbps。即USB2.0允許的最高速度。

1.2.1 USB固件程序編寫 在USB設(shè)備與PC正常通信之前，主機(jī)必須檢測并配置設(shè)備，所以用戶必須編寫固件程序代碼，響應(yīng)主機(jī)的控制請求命令，并能夠提供描述符，使主機(jī)了解設(shè)備的功能，從而配置設(shè)備，開始與設(shè)備正常通信。Cypress為用戶提供了一個固件程序框架firmware，它幫助用戶完成了大部分與USB協(xié)議相關(guān)的工作[7]。用戶根據(jù)外設(shè)功能的具體要求，在相應(yīng)的函數(shù)中填寫函數(shù)體可以完成開發(fā)。系統(tǒng)需要對USB端口及FIFO的初始化配置。通過設(shè)置相關(guān)的寄存器來設(shè)置FX2的工作狀態(tài)。例如USB內(nèi)核工作在USB2.0方式，由固件程序應(yīng)答USB傳輸?shù)?。系統(tǒng)傳輸使用同步FIFO傳輸模式。

1.2.2 USB驅(qū)動程序編寫 FX2通用驅(qū)動程序CyUSB.sys,是Cypress公司提供的通用驅(qū)動程序，系統(tǒng)連接PC時如果找不到設(shè)備，可按照主機(jī)驅(qū)動幫助文件[8]第14頁介紹的方法.將設(shè)備的PID，VID加入到驅(qū)動中。

1.2.3 USB圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)傳輸與顯示的框圖如圖2所示。

由于Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片支持一種簡便的更新方式：設(shè)備在每次接入主機(jī)時，主機(jī)自動將程序代碼加載到設(shè)備的程序存儲器中，然后重新枚舉設(shè)備。所以，系統(tǒng)設(shè)備使用了一片串行EEPROM，在設(shè)備接入主機(jī)時，從EEPROM中加載固件程序到設(shè)備。系統(tǒng)中PC與USB模塊之間有4個數(shù)據(jù)傳輸通道，分別是：計算機(jī)發(fā)送指令數(shù)據(jù)包到USB，使用0號通道。計算機(jī)從USB讀取指令執(zhí)行情況，使用1號通道。計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到USB，使用2號通道。計算機(jī)從USB讀取數(shù)據(jù)，使用3號通道。這4種傳輸過程分別使用不同的數(shù)據(jù)通道，其中第0、1號通道叫命令通道，數(shù)據(jù)包最小為1個字節(jié)，最大是64字節(jié)；第2、3號通道叫數(shù)據(jù)通道，最小是2K(2048)字節(jié)，最大是3M字節(jié)。系統(tǒng)中FPGA與USB芯片通過直連的方式通信，數(shù)據(jù)傳輸方式使用同步FIFO接口。主要數(shù)據(jù)接口如圖3所示。

當(dāng)需要在PC機(jī)上實(shí)時顯示圖像時，用戶通過在PC的應(yīng)用界面上操作，從而由PC機(jī)通過命令通道發(fā)送命令給USB芯片，USB芯片又發(fā)送命令給FPGA，F(xiàn)PGA將從高清CCD模塊獲取到的圖像數(shù)據(jù)不斷的送往USB芯片內(nèi)部FIFO，同時FPGA通過與USB連接的查空信號FIFO_Empty和查滿信號FIFO_Full，決定是否可以繼續(xù)往USB內(nèi)部的FIFO送數(shù)據(jù)。USB芯片的作用是將FPGA傳輸過來的圖像數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通道送往PC機(jī)的應(yīng)用程序進(jìn)行顯示[9]。

2 硬件實(shí)驗結(jié)果

通過對系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計詳細(xì)了解后，使用上述方法進(jìn)行設(shè)計，并設(shè)置OV5640為640X480預(yù)覽模式，30幀每秒。PC上圖像顯示效果如圖4所示，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用在公司的手持設(shè)備中。

[1]蘇建坡,馬海濤,唐玉國.基于USB2.0及GPIF的CMOS圖像傳感器視頻實(shí)時采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006,12(09)：35－37.

[2]李杰,劉金國,王英霞等.CMOS有源圖像傳感器的最新研究進(jìn)展[J].傳感器技術(shù)，2005，24（1）：7－8.

[3]Spartan-6 Family Overview/DataSheet[M].Xilinx,2010.

[4]Spartan-6 FPGA Packaging and Pinouts/DataSheet[M].Xilinx,2010.

[5]楊介生.虛擬 I2C總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)SAA7111的初始化[J].雷達(dá)與對抗，2005(3):60-63.

[6]張冬冬.IIC總線通訊接口器件的CPLD實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2002(08).

[7]錢峰.EZ－USB FX2單片機(jī)原理、編程及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[8]CYUSB3.SYSPROGRAMMER'SREFERENCE/DataSheet[M].Cypress,2012.

[9]基于USB2.0的CMOS圖像采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].微計算機(jī)信息,2009(10).

USB Video Transmission System Based on FPGA

The module is designed to capture high-definition CCD visible,and then transferred video images via USB to a PC in real-time.The system uses OmniVision's OV5640 CCD image sensor as a photoelectric device,and With USB2.0 controller chip CY7C68014A directly connected with the FPGA.Through the FPGA video data from the high-definition CCD module was processed and transferred to the USB chip,and finally displayed on the PC.The design is simple,easy to use,and fitted for large-scale systems.The design and implementation of real-time transmission of high-definition CCD via a USB have been conducted in the handheld products.

image sensor；USB；image transmission

周應(yīng)發(fā)（1978-），男，貴州織金人，學(xué)士，廣州颯特紅外股份有限公司，副總工程師；黃澤鍔（1983-），男，廣東揭陽人，碩士研究生，廣州颯特紅外股份有限公司，電子工程師。

TP302.1

A

1006-4311（2014）13-0192-02

2014年2月24日。