基于USB 2.0協議的高速圖像傳輸系統

鄒建彬 高 凱 張爾揚

摘 要:為了實現高速、大容量的圖像數據傳輸,討論一種基于USB 2.0協議的高速圖像數據傳輸方法。該方法以接口芯片CY7C68013A為數據傳輸核心,克服了傳統接口局限,支持熱插拔和即插即用,有效地解決了計算機和外設之間高速、大容量的圖像傳輸問題。詳細描述系統各部分的軟、硬件設計,并在實際應用中實現了圖像數據的高速傳輸。測試結果表明,系統傳輸速度可達到192 Mb/s,它在各種高速數據傳輸領域有著廣泛的應用價值。

關鍵詞:USB 2.0;CY7C68013A;圖像傳輸;固件

中圖分類號:TN919.8

0 引 言

傳統的圖像傳輸普遍采用由PC機主板所提供的各種接口來實現,如PCI接口、EPP接口、IEEE 1394接口等。PCI接口的最高速率可達到132 Mb/s,但其安裝麻煩,價格昂貴,可擴展性差,無法專門對其做電磁屏蔽,在高速傳輸方面速度也不夠理想。EPP接口無需用PC機中的其他卡,可無限制連接數目,設備安裝使用容易,但最高速率只有2 Mb/s,速度比較慢,主要用于低端性能要求不高的場合。IEEE 1394接口允許連接多種高性能設備,使其高性能總線互連,傳輸速率可達400 Mb/s,其中IEEE 1394 b可達3.2 Gb/s,主要使用在高速的影像或者沒有外圍連接PC的場合,其外圍電路復雜,且造價昂貴。與以上接口相對應的通用串行總線(Universal Serial Bus,USB),其數據速率明顯高于一般的串口,既可支持控制、中斷、同步、塊傳輸四種數據傳輸方式,又可支持熱插拔和即插即用,且具有占用系統資源少,功耗低,數據傳輸可靠的優點。

USB總線技術就是想利用單一的總線技術來滿足多種應用領域的需要。USB 1.1協議支持兩種傳輸速度,即低速1.5 Mb/s和全速12 Mb/s。2000年發布的USB 2.0協議,向下兼容USB 1.1協議,數據的最高傳輸速率可達到480 Mb/s,它可使USB的應用范圍不斷擴大。

該系統基于USB 2.0總線技術,將CY7C68013A芯片的Slave FIFO塊傳輸接口模式和FPGA技術相結合,實現了計算機與外設之間高速的圖像數據傳輸。

1 系統設計

1.1 硬件及外設控制設計

實現USB接口單元的主要芯片是CYPRESS公司的EZ[CD*2]USB FX2LP 系列中的CY7C68013A(對比之前FX2系列的CY7C68013具有更低功耗、更小電流、高性價比等優點),負責完成硬件系統與PC之間的圖像傳輸。它與外設有三種接口方式:端口模式、可編程接口GPIF和Slave FIFO。Slave FIFO方式是從機工作方式,在具有外部數據處理邏輯的設備中,USB數據在主機和外部邏輯設備中傳輸,通常不需要FX2LP的CPU參與,而是經過FX2LP內部端點FIFO來傳輸。外部控制器可對多個端點的FIFO選擇讀寫。FX2LP的Slave FIFO工作方式可設為同步或異步;工作時鐘均可由內部產生或外部輸入。基于該系統處理的是高速圖像的傳輸,需要外部控制器直接對FIFO進行控制,故采用從機,即Slave FIFO方式。

高速圖像傳輸的原理框圖如圖1所示,首先圖像可由計算機上層應用軟件發送或者接收,再通過USB接口芯片連接高速緩存。

圖1中USB接口采用CY7C68013A芯片的Slave FIFO接口模式,使得上層PC與緩沖器之間能夠高速通信,并利用FPGA控制USB的高速傳輸。如圖2所示,CY7C68013A的主要功能信號及與FPGA之間的握手信號如:IFCLK為時鐘信號,可以選擇由外部輸入或者內部輸出;FIFOADR[1:0]引腳選擇4個FIFO(2,4,6或8)中的一個與USB數據總線FD連接。定義該系統中上行數據傳輸為FIFOADR[1:0]=10,即為EP6端口;下行數據傳輸為FIFOADR[1:0]=01,即為EP2端口。FLAGB,FLAGC為所選擇FIFO的標志信號,FLAGB代表FIFO為滿;FLAGC代表FIFO為空;默認低電平有效。FPGA可以通過不斷查詢這兩個標志信號決定是否進行讀或寫操作。SLOE為讀/寫使能信號;SLWR,SLRD分別為讀寫控制信號,在同步和異步模式下,控制信號不一;FD[15:0]為16位的雙向數據總線。PA0,PA1為輸出信號,作為硬件系統工作狀態的控制信號。

1.2 軟件設計

圖像傳輸系統的軟件設計主要包括三個部分:固件程序設計、驅動程序設計和計算機上層應用軟件。固件程序是硬件中的軟件部分,通過執行該軟件可實現特定的硬件功能,主要包括初始化、處理標準的USB設備請求以及USB掛起時的電源管理等。固件首先初始化內部的狀態變量,然后調用用戶初始化函數 TD_Init()。從該函數返回后,固件初始化USB接口到未配置狀態并使能中斷。然后每間隔1 s進行一次設備重枚舉,直到端點0接收到一個SETUP包。一旦檢測到SETUP包,固件函數將開始交互下述任務調度:調用用戶函數TD_Poll();判斷是否有標準設備請求等待處理。如果有,分析該請求并響應;判斷USB內核是否收到USB掛起信號。如果有,則調用用戶函TD_Suspend()。從該函數成功返回TRUE值后,在檢測是否發生USB喚醒事件。如果未檢測到,則處理器進入掛起方式;如果有,則調用用戶函數TD_Resume(),程序繼續運行。如果從TD_Suspend函數返回FALSE,則程序繼續進行

TD_Init函數負責CY7C68013A進行初始化,首先設置時鐘為48 MHz,然后設置芯片工作于從屬FIFO塊傳輸模式,并配置端點6工作于自動塊傳輸IN,┒說2自動塊傳輸OUT模式。其主要程序段如下:

DR_VendorCmnd函數負責處理上位機發出的用戶自定義請求,通過控制PA0,PA1 的高低電平,以控制整個硬件系統的運行。該系統中,使用0xB3使PA0置低進行圖像數據的上行操作,用0xB4使PA0置高進行圖像數據的下行操作,使用0xB5使PA1置低來通知硬件開始傳輸,使用0xB6請求使PA1置高以通知硬件系統停止傳輸。

USB設備驅動程序負責建立起主機端和設備端的聯系。驅動程序主要有兩個:一是開機自動將固件程序下載至芯片RAM中,以由增強性8051執行。結合CYPRESS開發包EZ[CD*2]Loader Drivers以及HEX2C和Windows DDK即可生成所需要固件自動下載程序*.sys文件。二是完成上位機應用程序和硬件設備之間的數據傳輸。其主要包括驅動程序入口例程、即插即用例程、分發例程、電源管理例程和卸載例程。本系統根據通用驅動結合自身需要,在DDK環境下修改編譯,生成自己需要的驅動程序。USB上層應用程序都通過I/O控制來訪問設備驅動程序。上層應用程序首先通過調用Win32函數CreaFile()來取得訪問設備驅動程序的句柄;然后應用程序使用Win32函數DeviceIoControl()來提交I/O控制碼,并且為CreaFile()函數返回的設備句柄設置 I/O緩沖區。該系統中,設置USB端口緩沖區FIFO為1 024 B,端口非空即讀取,保持了傳輸的連續性,并且每次以幀結構包形式傳輸,每包的大小為512 B。以實驗中為例,每傳輸大小為245 KB的一幅圖像,需要490個包進行傳輸。

接收端應用程序流程圖如圖3所示。發送端應用程序流程類似,少了判斷圖像是否完整一幅,而多了傳輸完畢之后的圖像數據校驗。

2 系統仿真及實現

圖4所示為圖像發送系統主要端口的ChipScope實測波形,所用FPGA為V4[CD*2]XC4VSX55。︰SB_Data為傳輸的圖像數據,數據長度為16位,SLRD為異步讀取FD總線的時鐘,采用USB時鐘源48 MHz四分頻得到,FIFO指針在每次SLRD激活到撤消激活變化時累加,即每變化一次,讀取FIFO里16 b緩存數據一次。SLOE引腳為讀寫使能信號,默認低電平有效。從該實測圖可以看出,三路信號均符合異步讀取的時序要求。

主機接收端應用程序采用 Delphi 語言編寫,圖像傳輸它采取傳輸的同時顯示圖像的形式。從上位機應用程序截取一幅接收圖像如圖5所示。該應用程序主要用于各種調制方式下圖像的傳輸。可以看到傳輸圖[LL]像清晰完整,連續顯示沒有滯后,沒有噪聲斑點。圖像經過USB接口傳輸后沒有數據丟失,比較清晰。實驗證明,圖像傳輸過程中,沒有出現丟幀的情況。滿足實時高速的圖像傳輸。

3 結 語

USB 2.0技術以其高速傳輸和使用方便受到廣泛的關注,其應用也必將越來越廣泛。上述設計方案有效地解決了圖像傳輸過程中的高速通信問題。系統中采用異步方式傳輸,采用芯片所提供四分頻時鐘,最高速率可達到192 Mb/s。采用FPGA和USB 2.0相結合的方式,數據處理能力得到極大的提高,由于采用CY7C68013A的Slave FIFO模式,可使用外部FPGA并按照用戶需求設計,增強使用功能的多樣性和靈活性。該方案亦可應用于大容量、高速度的實時數據采集,音頻及視頻傳輸等領域。

參 考 文 獻

[1]錢峰.EZ[CD*2]USB FX2單片機原理、編程及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.

[2]李英偉,王成儒,練秋生,等.USB 2.0原理與工程開發[M].北京:國防工業出版社,2007.

[3]曾繁泰,陳金美.VHDL程序設計[M].北京:清華大學出版社,2001.

[4]Chris Cant.Windows WDM設備驅動程序開發指南[M].北京:機械工業出版社,2003.

[5]Cypress Semiconductor Corporation.EZ[CD*2]USB FX2LPCY7C68013A Technical Reference Manual[EB/OL].http://www.cypress.com,2006.

[6]熊興中,汪學剛.基于USB 2.0協議的雷達回波模擬器設計[J].現代雷達,2006,28(11):48[CD*2]50.

[7]姚劍敏,靳明,宋建中.基于USB 2.0的實時視頻圖像傳輸[J].數據采集與處理,2004,19(3):352[CD*2]355.

[8]賈俊濤,張桂林.基于USB 2.0的圖像傳輸系統的設計與實現[J].計算機工程與設計,2006,27(17):3 239[CD*2]3 241.

作者簡介 鄒建彬 男,1983年出生,博士研究生。研究方向為軍用無線通信與網絡技術。

高 凱 男,1978年出生,講師。研究方向為軍用無線通信與網絡技術。

張爾揚 男,1941年出生,博士生導師。研究方向為軍用無線通信與網絡技術。