基于USB接口的数字摄像系统的实现

基于USB接口的数字摄像系统的实现

在视频会议和可视电话等多媒体应用中，具有数字接口的摄像系统（CAMERA）是其关键的部件。它完成视频图像的采集、处理，并通过数字接口把信号送进计算机显示，作进一步处理。

1 USB数字摄像系统原理

1.1 USB简介

通用串行总线（Universal Serial Bus）适用于USB外围设备连接到主机上，通过PCI总线与PC内部的系统总线连接，实现数据的传送。同时USB又是一种通信协议，支持主系统与其外设之间的数据传送。在USB的网络协议中，每个USB的系统只能有一个主机。

USB是一种层状的星形拓扑，其根部是主机控制器，USB器件与根部接口连接实现其功能。

若多个器件同时行使其功能，就要通过集线器来扩展，但扩展层不能超过5层。USB器件支持热拔插，而且可以即插即用。USB一般支持两种传输速度，即低速1.5Mbit/s和全速12Mbit/s，在USB2.0版本中其速度提高到480Mbit/s。

USB有几种用于不同类型的数据传输方式。控制传输，主要用于设置、命令和状态信息；中断传输，与一般的中断概念不同，主要用于打印机、扫描仪等大量数据传输；同步传输，用于视频、声音等实时传输。

1.2 系统的原理图

系统的原理图如图1所示。

2 USB数字摄像系统硬件

2.1 EZ_USB 2131Q芯片介绍

EZ_USB 2131Q有两种同步传输方式：即普通读写方式和快速读写方式。在普通读写方式下，芯片从外部读取或向外部写入数据的速率不会超过1000字节/毫秒，而且数据传输指令只能一一列出，共要写出1000行相同的指令。中间不能用循环来传输数据，而且也没有时间来加入其它指令。这种方式对于要求同步传输、每帧传输1023字节的设备是不可取的。在快速读写方式下，芯片可以在0.5毫秒内从外部读取或向外部写入1023字节的数据，并且还留有足够的时间可以加入其它指令。

EZ_USB-2131Q使用了一个增强型SIE/USB接口（USB核），它本身完成了许多的USB协议，这样就简化了8051代码。

2.2 EZ_USB系列USB总线仿真板

EZ_USB开发板包括以下几个部分：

· 64K扩展RAM（由两个32K RAM组成）；

· 一个3.3V调节器，它可以把5V转换成3.3V；

该仿真板基于EZ_USB系列USB总线控制器，它包含标准的MCS51外设模块和USB模块。USB模块集成了USB的收发器、串行总线接口机制、功能接口单元和收/发缓冲区。通过内存配置开关可灵活地改变RAM的地址空间，并方便地进行内存扩充。

利用该板上的I/O扩展连接口提供的控制线和数据线对CAMERA芯片进行控制，并完成图像数据的输入。图像数据则通过USB端口送入计算机，可以进行异步传输和等时传输。

监控程序驻留在板上的EPROM内，可与PC机进行通讯，控制程序通过外部UART送入仿真板，可以进行实时仿真。这个仿真板和控制器都完全满足《USB协议》。采用该仿真板来完成产品的开发，并在此基础上完成产品，可提高产品的开发周期。

2.3 数字CAMERA芯片

2.4 I2C总线控制电路

2.5 数据转换及数据缓冲电路

数据转换电路通过可编程逻辑完成下列功能：根据同步信号，针对QCIF格式，过滤一行中的冗余数据和一帧中的同步行数据，产生数据缓冲芯片的写时钟信号、写复位信号和写使能信号。数据的过滤是通过控制写使能信号实现的，该芯片在使能信号为低时，可以写入缓冲区，而在信号为高时，则不能够将数据写入缓冲区。

读操作信号有：RDCLK（读时钟信号）、RE（读允许信号）、OE（输出允许信号）和RDST（读复位信号）。读操作的过程为：控制产生一个读复位信号RDST，使读缓冲区的地址指针指向零，在下一时钟周期进行读操作；在读时钟的上升沿，如果RE和OE信号同时为低，SRAM中的数据就会出现在输出数据总线上，同时SRAM的读地址指针自动增加。

读写操作过程互不干扰，各自有自己的地址指针。把CAMERA芯片输出的图像数据依约定的要求按帧存放在缓冲区，并加上相应的帧间隔标志，USB控制器则从缓冲区中读取数据，并通过接口送往主机，完成数据图像的传输。

开发一个USB设备，软件设计是必不可少的。USB应用系统软件设计分为三部分：USB外设端的固件（Firmware）、主机操作系统上的客户驱动程序以及操作界面程序。界面程序通过客户驱动程序与系统USBI（USB Device Interface）进行通信，由系统产生USB数据的传送动作，固件则响应各种来自系统的USB标准请求，完成各种数据的交换工作和事件处理。

该系统是为了开发USB接口的数字化摄像设备而设计的，系统的一个性能是帧传输率，CAREMA芯片的数据传输率最高可达到30帧/秒。目前笔者所实现的USB接口，在等时传输方式下，可达到8帧/秒。由于目前采用仿真模式，系统的性能在最后的定型中，可得到进一步的提高。

下一步将继续进行系统的集成和优化，并最终实现产品化。由于目前的系统是基于系统仿真板的，所以必须进行集成，以最小系统实现。此外，还要进一步开发设备的驱动程序。由于EZ_USB包括很多的功能，而这里只用到它的等时传输，浪费了很多的资源，加大了成本。所以在后继研究中，还会开发USB控制器，这样才能真正地降低成本，提高性能。

参考文献

5 Malter Oney. Programming the Windows Driver Model. Microsoft Press 1999

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