—種基于UVC協議的圖像采集系統設計

白會東 趙成成 田青青 魏巍

摘要：在USB協議中定義了多種類，它們不僅可以實現不同的功能，還能促進USB設備的普及。網絡攝像頭和USB采集卡中就用到了USB視頻類，它的好處是能夠實現即插即用，省去驅動的開發工作。一般情況下采用UVC協議的系統是單獨采用USB控制芯片來完成整個設計。為了增加設計的多元性，文章采用了 FPGA和USB3.0架構的方式，實現了一種基于UVC協議的圖像采集系統。

關鍵詞：UVC協議；USB3.0；圖像采集；固件

1 系統組成與工作流程

系統構成如圖1所示，分別為：含有OV5642傳感器的攝像頭模塊、Cyclone IV系列的FPGA芯片、Cypress公司的USB3.0芯片和主機[1]。系統的工作流程為：第一步，上電后在線配置USB3.0的固件程序和下載邏輯程序到FPGA中；第二步，程序加載到FPGA完成后會自動地通過SCCB接口配置攝像頭的寄存器，完成攝像頭的初始化工作；第三步，等待攝像頭模塊穩定輸出后開始接收圖像數據，并轉換成符合UVC（USB視頻類）格式；第四步，數據經過USB的DMA通道傳輸給上位機進行顯示。

2 程序設計

2.1 攝像頭配置程序設計

攝像頭的配置不是用USB芯片內的IIC接口進行加載，而是用FPGA內嵌的功能模塊完成的[2]。在FPGA中創建片上系統（SOC），用Verilog HDL語言設計硬件模塊，用C++語言設計配置邏輯程序。先調用Quartus II軟件中的Qsys工具完成硬件工程的創建，按照需求添加功能模塊，這里主要添加了Nios2處理器、On-chip Memory、oc_iic和PIO功能模塊。然后連接時鐘信號到每一個模塊上，把數據總線連接到相應的接口上，并設置中斷等級，完成硬件模塊的創建。在配置文件邏輯程序設計時，先調用Eclips完成軟件工程的創建，通過手動添加配置文件把工程映射到硬件上。同時把輸出文件配置成on-chip mm模式，然后編寫SCCB讀寫控制邏輯和配置文件。通過這種方式可以把軟件和硬件邏輯編輯到同一個文件中，減少了配置過程中多次配置的繁瑣步驟。最后由Quartus Ⅱ編譯產生包含軟件和硬件的sof文件。

2.2 USB固件程序設計

固件的開發使用了Cypress提供的框架和API。通過GPIF Ⅱ Designer工具設計通用可編程接口（GeneralProgrammable Interface，GPIF Ⅱ），生成包含接口配置信息的C頭文件[3]。其中GPIF Ⅱ接口是一個具有256種狀態的可編程狀態機，應用起來非常靈活，既可以作為主控接口也可以作為從設備接口。通過GPIF Ⅱ接口模塊把EZ-USB FX3數據傳輸通道轉變成FIFO，簡化了處理器的操作，讓數據經過DMA通道傳送給USB端點。GPIF Ⅱ接口數據傳輸的實際通道是GPIF線程，傳輸時把發送套接字映射到GPIF物理線程上，讓接口數據能夠存儲到緩沖區中。首先將第一個DMA描述符加載到套接字，獲取第一個DMA緩沖區的信息，然后把數據寫入第一個緩沖區，當第一個緩沖區寫滿時，套接字會根據描述符指針讀取第二個DMA描述符信息，把數據繼續寫入所對應的緩沖區，以此順應描述符鏈循環操作。當全部緩沖區寫滿或者收到傳輸結束信號時，自動把數據傳輸到USB端點，避免了CPU操作帶來的開銷，提高了數據傳輸速率。設計中GPIF II狀態機要滿足在VSYNC和HSYNC都有效時，才能連續傳輸一行數據，而且都要保證在每幀開始傳輸前標頭位已經更新。通過乒乓操作對兩個Buffer的交替讀寫，實現了數據的連續傳輸。

C頭文件添加到固件框架中，調用API函數實現DMA通道。DMA通道是由套接字、DMA描述符和Buffer構成的，主要用于數據的緩存和傳輸。DMA通道的啟動是用CyFxUVCApplnlnit函數完成的，而函數中的dmaMultiConfig結構里描述了DMA通道的具體信息。固件運行時通過入口函數CyU3PFirmwareEntry （）進入主程序main （），完成硬件的初始化和啟動實時操作系統，然后執行創建線程和注冊回調函數等操作，完成USB的配置[4]。

3 系統驗證

系統驗證時要先下載USB固件，再加載FPGA控制邏輯。一旦使用USB-Blaster線纜通過JTAG接口加載配置文件，程序會立即執行并進行數據的采集。PC系統中提供UVC的驅動程序，所以開源應用上位機VirtualDub可以直接進行圖像的顯示，結果如圖2所示，圖像采集系統工作穩定。

4 結語

一般UVC模式的圖像采集系統只采用USB芯片完成，為了增加設計的多樣性，充分利用開發板的功能部件，增加了 FPGA的參與。在設計中FPGA主要用作配置攝像頭模塊，主要的控制邏輯是在FX3中實現，改變以往只使用USB芯片的設計模式。實驗結果表明，基于USB和FPGA架構使用UVC協議的采集系統具有可行性，能夠滿足圖像實時采集的要求。

[參考文獻]

[1]殷開亮.基于UVC協議的USB3.0圖像采集系統設計[D].蘇州：蘇州大學，2014.

[2]李江波，馬春庭，王全，等.基于UVC協議的USB3.0視頻采集系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2016（10）：31-35.

[3]Cypress Semiconductor.How to implement an image sensor interface using EZ-USB FX3 in a USB video class（UVC）framework[EB/OL].（2018-01-11）[2018-06-06].http：//www.cypress.com， 2018 ，1-11.

[4]張聰，張濤.基于USB3.0設備控制器的固件設計[J].電子器件，2013（3）：383-388.