基于EZ-USB FX2的圖像采集系統的設計與實現

劉 勝 ， 陳 華 ， 聶 雄

（1.廣西大學 計算機與電子信息學院，廣西 南寧 530004；2.廣西財經學院 計算機與信息管理系，廣西 南寧 530003）

由于圖像采集系統采集的數據量大，帶寬要求高，以往的圖像采集系統通常使用PCI總線實現。但是計算機本身配置的PCI接口數量非常有限，而且拆裝PCI接口設備需要打開機箱，一般操作人員并不具備這樣的能力，導致系統應用受到限制。USB（通用串行總線）接口則可以完全解決以上難題。首先，USB2.0接口的速度已經達到480 Mbps，完全可以滿足圖像采集系統對速度的要求。另外，USB接口是真正支持即插即用，且允許熱插拔的接口，所以目前大量數據采集系統都選擇使用USB2.0接口實現[1]。

本文利用SAA7113H實現模擬視頻信號解碼，并借助EZ-USB FX2單片機CY7C68013將數字圖像數據直接通過USB2.0接口傳輸到計算機，通過PC機程序實現圖像的無損采集，大大簡化了采集卡的硬件設計，降低了采集卡硬件要求，有效降低了圖像采集卡的成本。

1 系統硬件設計

系統硬件結構如圖1所示。系統主要由視頻解碼芯片SAA7113H、USB控制芯片CY7C68013和一塊容量為1 kB的24C01EEPROM芯片組成。

1.1 視頻解碼芯片——SAA7113H[2]

SAA7113H是飛利浦公司出品的一款視頻解碼芯片，它的作用是將輸入的模擬視頻信號解碼為標準的8位VPO數字信號。它可以輸入4路模擬視頻信號，通過I2C總線對內部寄存器的不同配置可以對4路復合視頻輸入進行轉換，改變亮度、對比度等參數。SAA7113H兼容PAL、NTSC等多種制式，可以自動檢測場頻，可以在PAL、NTSC之間自動切換控制。SAA7113H解碼后輸出的是標準的YUV 4∶2∶2格式數字信號。

圖1 系統硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of system

1.2 USB控制芯片——CY7C68013A[3]

CY7C68013A （EZ-USB FX2）是Cypress半導體公司推出的一款USB2.0芯片，它內部集成了增強的8051內核，支持最大48 MHz的時鐘頻率，在相同時鐘頻率下，FX2的平均指令執行速度可達到標準8051的2.5倍。CY7C68013芯片內部集成了一個與8051內核相對獨立的SIE（串行接口引擎），在不需要8051內核參與的情況下，通過USB端口和外部邏輯共享FIFO的方式，實現外部數據與USB端口的數據交換，大大加快了數據傳輸的速度，可實現的最大速度為480 Mbps。

1.3 系統硬件實現

硬件連接方面，利用CY7C68013的I2C端口連接24C01，以便在系統上電后提取24C01中的信息，實現設備枚舉，下載相應固件。利用CY7C68013模擬I2C端口連接SAA7113H，對其內部寄存器進行配置，實現解碼芯片初始化操作。CY7C68013工作在 Slave FIFO （從屬的 FIFO）模式，將SAA7113H的VPO數據總線直接連接到CY7C68013的FD總線，使用CY7C68013的IOA0端口檢測數字視頻的場標志信號，用于實現幀同步。將CY7C68013的SLWR*（從屬寫）信號置為有效，SLRD（從屬讀）和SLOE(輸出有效)置為無效，由SAA7113H通過自身輸出的27 MHz同步時鐘將數字視頻信號以同步方式直接寫入CY7C68013內部的FIFO，再通過SIE將FIFO中的數據以高速方式直接傳送到PC機，實現視頻數據的采集。

2 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括固件程序設計、驅動程序設計和PC機采集程序3大部分。

2.1 固件程序設計

固件程序流程圖如圖2所示。該固件在采集卡上電后初始化CY7C68013，使其工作在Slave FIFO模式，設置總線位數為8位，以便接收SAA7113H的8位數字視頻信號。將EP2端點設置為批量AUTO IN傳輸方式，512字節4倍FIFO緩沖。一次最大傳輸數據包大小為512字節。利用SAA7113H的時鐘信號實現同步從屬FIFO寫數據。

通過模擬的I2C端口初始化SAA7113H，使其能夠接收CCD攝像機的模擬視頻信號，以標準的ITU656格式輸出，并設置RST0輸出奇偶場標志，然后等待上位機的開始采集命令。

圖2 固件程序流程Fig.2 Firmware program flow

在收到PC機開始圖像采集命令后，固件程序首先通過IOA0端口檢查SAA7113H的奇偶場信號。如果外部模擬視頻信號源未連接，該信號將一直維持高電平。固件在一段時間等待并確認外部視頻信號未連接的情況下，向PC機回傳設備尚未準備好的信息，否則一直清空FIFO，將FIFO中已有數據清除，直到奇場信號到來，固件回送設備準備好信息給PC，以實現視頻圖像幀同步采集。圖像數據傳輸過程將由SIE完全控制，固件不參與傳輸操作。

2.2 驅動程序設計[4-5]

Cypress開發包中提供了一個通用驅動程序，即cyUSB.sys，該驅動程序符合Windows硬件質量實驗室WHQL標準，系統直接使用該驅動程序實現圖像數據采集。由于CY7C68013采用的是軟配置的方案，芯片中并沒有提供用于永久存放固件程序的存儲器，固件程序需要在每次上電后通過外部存儲器加載或從PC機下載到內部RAM中。驅動程序主要實現固件程序的裝載功能，以便系統上電后，可以自動從PC機下載固件到CY7C68013，然后使用通用驅動程序完成采集卡的設備重枚舉。

在Cypress提供的開發包中包含了一個固件下載驅動模板，即EZ-Loader Driver。系統固件下載驅動主要依賴它來實現。具體的步驟為：

1）利用hex2c.exe將Intel HEX格式文件轉換成C代碼數組。

2）將所有的EZ-Loader Driver文件連同子文件復制到一個新建的目錄中。并利用第一步得到的C代碼數組替換EZLoader Driver中firmware.c中的數組。

3）在Windows XP DDK中使用build命令在新建目錄中創建固件下載驅動程序。

4）改寫驅動安裝信息文件。

2.3 PC機采集程序

PC機采集程序用Visual Studio.net 2003調用CyAPI函數庫實現。為提高圖片采集速度，程序使用兩個線程分別實現圖像數據采集和圖像甄別和處理。程序總流程圖如圖3所示。

圖3 PC程序總流程Fig.3 Main flow chart of PC program

每次啟動采集程序時，系統通過創建USBDevice實例獲得設備句柄，并嘗試打開USB設備。當點擊程序界面開始采集按鈕后，程序通過USB控制端點發送一個開始采集信號，并要求采集卡回傳一個設備狀態信號。如果設備提示無模擬視頻信號連接，則提示用戶連接。如果設備準備好，則開始接收圖像數據。

由于USB主控制器工作于Slave FIFO模式，采集卡上傳到上位機的數據量固定為27 MB/S，如果上位機沒能及時接收數據必然會導致圖像數據丟失，所以程序中使用一個線程(線程1)以異步方式做圖像數據接收，實際效果非常好。線程1主要代碼如下：

OVERLAPPED oRec[QUEUESIZE]； //數據接收隊列for(；dlg-＞bLooping；){ //線程 1 主循環

for(QNum=0；QNum ＜QUEUESIZE；QNum++)//初始化

oRec[QNum].hEvent=CreateEvent(NULL，false，false，"CYUSB_IN")；

for(QNum=0；QNum＜QUEUESIZE；QNum++){

dlg-＞FIFOInEndpt-＞SetXferSize(inlens)； //一次接收的數據量

inContext[QNum]=dlg-＞FIFOInEndpt-＞BeginDataXfer(inData+QNum*INSIZElEN；linsize；&oRec[QNum])； //開始異步接收

}

for(QNum=0；QNum ＜QUEUESIZE；QNum++{

if(!dlg-＞FIFOInEndpt-＞WaitForXfer(&oRec[QNum]，200))//等待數據傳輸完成

dlg-＞FIFOInEndpt-＞Abort()；//復位管道

}

for(QNum=0；QNum＜QUEUESIZE；QNum++){ //將數據寫入數據緩沖區

sus=dlg-＞FIFOInEndpt-＞FinishDataXfer(inData+QNum*INSIZElEN，linsize，&oRec[QNum]，inContext[QNum])；

if(!sus) Success=false；

}……}

SAA7113H輸出的是隔行視頻信號，每秒25幀圖像，一幀圖像需要分兩次傳輸，先傳輸全部奇場（奇數行）數據，然后傳輸全部偶場（偶數行）數據[6]，采集卡中將SAA7113H的輸出設置為標準 YUV4∶2∶2數據，分辨率為 720×576。 系統將所有的解碼數據不做任何處理直接傳送到PC機，數據格式如圖4所示。其中，“80 10……”為消隱數據?！癋F 00 00 SAV”為一行數據塊的開始標志，作為奇場有效行，SAV的值為8X，作為偶場有效行，該值為CX?！癋F 00 00 EAV”為一行數據塊結束標志，作為奇場有效行結束，EAV的值為9X，作為偶場有效行結束，該值為DX。作為720像素的YUV4∶2∶2數據，每行一共有720×2=1 440個字節，PC程序需要從所有的數據中找出每一行中有效的1 440個字節數據，并按照實際行順序將奇場行和偶場行數據重新組合，轉換成RGB24位像素點并最終寫入BMP文件，實現圖像的采集、顯示和保存。

圖4 YUV4：2：2 數據格式[2]Fig.4 YUV4：2：2 data format[2]

數據查找及重組過程中，PC程序會根據YUV4∶2∶2數據格式做數據塊判別，如果發現有出錯數據程序會做自動拋棄處理，在對采集數據要求非常嚴格及單張采集間隔時間較長的場合，程序將發送重新采集信號給采集卡，再一次采集。系統實際使用過程中發現，數據出錯情況很少出現，且重發請求后可以得到正確數據。

3 結 論

利用本方案設計的圖像采集卡可以實現圖像的連續采集，并最終以bmp圖像格式保存，采集速率每秒最大25幀，適用于所有支持PAL模擬視頻格式的攝像機及監控攝像頭的圖像無損采集，具有成本低、圖像清晰等特點，在光學顯微鏡序列切片圖像采集系統中得到了很好的應用。另外，系統經過簡單修改后也可實現4個復合視頻源輸入的分時采集功能。

[1]王紅凱.基于CY7C68013A的USB接口系統設計[J].現代機械，2008（1）：77-78.WANG Hong-kai.Design of USB interface basedon CY7C68-013A[J].ModernMachinery，2008（1）：77-78.

[2]PhilipsSemiconductors.SAA7113H 9-bitvideoinput processor data sheet[EB/OL].（1999）.http：//www.21icsearch.com/download.shtml？id=02CFFE222F07FDC5.

[3]Cypress Semiconductor Corporation.EZ-USB FX2 Manual Technical Reference[EB/OL].（2001）.http：//www.cypress.com/？docID=27092.

[4]胡文靜，陳松.基于EZ-USB芯片CY7C68013的驅動程序設計[J].計算機應用研究，2005，22（9）：220-221.HU Wen-jing,CHEN Song.Design of USB driver based on EZ-USB CY7C68013[J].Application Research of Computers，2005，22（9）：220-221.

[5]錢峰.EZ-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.

[6]錢敏，李富華，黃秋萍，等.基于HDL的PAL制數字視頻圖像采集控制器設計 [J].微電子學與計算機，2007，24（12）：191-192.QIAN Min,LI Fu-hua,HUANG Qiu-ping,et al.The controller design of digital video data acquisition of PAL based on HDL[J].Microelectronics&Computer,2007，24（12）：191-192.