基于FT601的高速實時圖像傳輸系統設計

盧超 梁爍 嚴帥 張會新

關鍵詞： FT601; USB 3.0接口; 圖像傳輸; 傳輸速率; TVP5150; 乒乓緩存

中圖分類號： TN911.73?34; TP274+.2 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）14?0014?04

Design of high?speed real?time image transmission system based on FT601

LU Chao1， LIANG Shuo1， YAN Shuai2， ZHANG Huixin1

（1. National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology， North University of China， Taiyuan 030051， China;

2. Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering， Beijing 100076， China）

Abstract： Aiming at the rapid increase of the collected and transmitted data amount caused by the constant improvement of image resolution， a real?time transmission system of analog video images is designed in virtue of the high?speed transmission performance of the USB 3.0 chip FT601. The TVP5150 is used as the decoding chip of analog videos. The image data after ping?pong buffer by two pieces of SDRAM is uploaded to the upper computer via the USB 3.0 interface. The test results show that the image transmission rate can reach 225 MB/s， which greatly improves the transmission rate and real?time performance of the image transmission system.

Keywords： FT601; USB 3.0 interface; image transmission; transmission rate; TVP5150; ping?pong buffer

隨著圖像采集技術的迅猛發展，圖像的分辨率不斷提高，使得需要采集傳輸的數據量急劇增加，給數據傳輸系統的設計帶來了很大壓力[1]。以一幅分辨率為320×240的真彩色圖像（24 b/s）為例，其比特數為1.84 Mbit，占約0.2 MB的存儲空間，若以100 f/s的速度傳輸，其傳輸速率[2]需達到184 Mb/s。傳統的USB 2.0接口傳輸速率最大為60 MB/s，已經無法勝任設計要求。本設計提出采用FT601高速USB芯片實現實時圖像的高速傳輸，結合兩片SRAM對圖像數據的緩存，大大提高了傳輸圖像數據的可靠性和實時性，能夠滿足現有大部分高清圖像數據的傳輸需要。

1 ?系統總體設計

為了實現圖像數據的高速實時傳輸，本系統分為圖像接收模塊、數據緩存模塊、系統控制模塊以及高速傳輸模塊，總體設計方案如圖1所示。模擬攝像頭通過BNC接口將視頻信息輸入到系統中，解碼芯片TVP5150將前端攝像頭采集到的模擬視頻解碼為YCbCr 4∶2∶2類型的數字視頻格式;數據緩存模塊通過控制兩片SRAM的寫入和讀出實現圖像數據的乒乓緩存，防止數據丟失、覆蓋等問題[3];基于FPGA的系統控制模塊在硬件電路不做更改的情況下，更改硬件描述語言，控制圖像接收速率以及各模塊的邏輯控制[4];高速傳輸模塊與地面設備通信，轉發命令，同時通過配置USB 3.0芯片FT601將緩存后的數據快速地傳輸到上位機，實現圖像數據的實時傳輸。

2 ?硬件設計

2.1 ?模擬視頻采集電路設計

由于FPGA不能對采集到的模擬視頻信息進行直接處理，本系統采用高集成度、低功耗的TVP5150作為模擬視頻的解碼芯片。它可以將采集到的模擬數據進行解碼，并完成圖像數據與行同步、場同步、像素時鐘等信號分離，同時完成解碼處理。TVP5150通過I2C總線配置攝像頭的采集方式，將前端攝像頭采集到的模擬視頻解碼為YCbCr 4∶2∶2類型的數字視頻格式，滿足ITU?RBT.656協議。

TVP5150通過AIP1A，B引腳輸入模擬視頻信號，VBLK與AVID控制圖像剪裁，HSYNC輸出行同步信號，VSYNC輸出場同步信號，FID為奇偶場標識，YOUT[0..7]輸出并行圖像數據。模擬視頻采集電路原理圖如圖2所示。

2.2 ?緩存電路設計

本系統選用兩片SRAM CY7C105DV33來滿足原始圖像數據緩存的需要，每片SRAM的容量為8 Mbit。除電源與地管腳外，SRAM的其余管腳均與FPGA相連，電路連接圖見圖3。布線過程中，數據線與信號線盡量保持與FPGA等距離連接，以減少數據的PCB延時誤差，同時利用軟件的等長布線功能，保證信號完整性。

2.3 ?USB 3.0接口設計

USB 3.0模塊采用FTDI公司的FT601芯片，支持USB 3.0超高速數據傳輸，傳輸速度高達5 Gb/s，同時兼容USB 2.0。FT601的內部結構圖如圖4所示[5]。FIFO控制器用于管理FIFO存儲器里所有的管道數據或緩沖器，數據通過FIFO協議層來實現發送和接收，通過判斷讀FIFO“空”標志位、寫FIFO“滿”標志位的有效與否，來實現FPGA的數據讀取、數據寫入;USB 3.0協議控制器負責管理從USB控制端點流入的數據，處理由USB主機控制器生成的USB協議請求，并依照USB 3.0規范控制FIFO功能參數命令。

因需要通過USB 3.0傳輸大量高速數據，因此，將FT601設置為“245同步FIFO”模式，兩個GPIO都拉低到GND[6]。TXE_N表示發送FIFO有空間可寫，低電平表示可以寫入數據;RXF_N表示接收FIFO有數據，低電平表示可從接收緩存區讀取數據;OE_N為輸出使能，表示輸出有效;WR_N寫使能拉低進入寫循環;使用32位并行傳輸數據。FT601硬件電路連接如圖5所示。

3 ?軟件邏輯及關鍵技術研究

3.1 ?模擬視頻采集接口邏輯設計

模擬攝像頭擬輸入到系統的數據格式為PAL制式ITU?RBT.601標準格式。TVP5150接收圖像數據時，通過FPGA對I2C總線進行配置，將設定的寄存器的地址參數傳遞給TVP5150內部寄存器。寄存器配置的操作流程如圖6所示。

當對內部寄存器的地址為00H～8FH進行配置時，第3次從機應答與發送停止信號之間需要另外增加一個延時，用于等待數據完全寫入寄存器。本系統選擇PAL?N，ITU?RBT.601標準，行同步速率為15.625 kHz，SCLK為27 MHz，帶有外同步信號輸出的8?bit 4∶2∶2格式。

3.2 ?數據緩存模塊邏輯設計

本系統通過對2片CY7C1051DV33型號SRAM的交替讀/寫實現圖像緩存[7]。寫循環模式下，采用WE（Write Enable）控制模式，將WE和CE置為低電平，當BLE（Byte Low Enable）為低電平時，I/O0～I/O7的數據寫入A0～A18地址引腳指定的位置。讀循環模式下，采用OE控制，將WE置為高電平，拉低CE與OE信號線，此時數據被讀出。

系統上電初始化后，數據緩存模塊片選信號默認選中SRAM1，當檢測到有數據輸入時，SRAM1寫請求信號使能，同時開始記數。數據從SRAM1的地址0依次寫入，地址計數器檢測到設定容量時，則給出SRAM1滿標志不再寫入，同時片選信號指示當前SRAM2為寫模式，SRAM1為讀模式，使能SRAM1的讀信號及SRAM2的寫信號。將SRAM1的寫地址計數器清零，同時等待高速傳輸模塊讀取圖像數據。SRAM的寫入與讀取采用異步方式進行，但由于寫入一幀數據所需時間大于讀出一幀數據所用時間，且USB 3.0數據傳輸速度很快，經過理論計算及實際測試，驗證了數據既不會溢出也不會被覆蓋，可實現對數據的實時壓縮及傳輸。SRAM的邏輯控制流程圖如圖7所示。

3.3 ?USB 3.0模塊邏輯設計

USB 3.0模塊的高速數據傳輸功能主要由FTDI公司的FT601芯片實現，由于測試設備需要通過USB 3.0接口傳輸大量數據，因此將FT601設置為“245同步FIFO”模式。在“245同步FIFO”模式下，FT601通過FIFO總線與FPGA之間完成數據傳輸。

USB 3.0模塊的FPGA程序分為讀操作和寫操作兩個部分[8]，FT601工作在“245同步FIFO”模式下，片上集成的16 KB數據緩沖區被分成4個4 KB的數據緩沖區，數據上下行都采用兩個乒乓存儲的4 KB數據緩沖區完成數據緩沖。當FT601的數據接收緩沖區中有數據時，FT601拉低接收使能信號RXF_N，執行讀操作;當檢測到TXE_N由1電平變為0電平時，表明FIFO中有空間寫入數據，執行寫操作。FT601操作流程圖如圖8所示。

4 ?實驗驗證

搭建實驗平臺對高速實時圖像傳感系統進行測試，通過上位機軟件接收圖像傳輸系統上傳的數據，實驗結果如圖9所示。圖中，讀取了3 GB的數據，實測接收速度達到225 MB/s，耗時14 s，滿足設計要求。

5 ?結 ?語

本文介紹一種基于FT601的高速實時圖像傳輸系統整體設計方案，通過TVP5150采集視頻信號，以FPGA為控制核心，實現了高速圖像數據的實時傳輸。同時，控制兩片SRAM交替讀/寫，實現數據的乒乓緩存，保證了圖像數據的連續性、無縫性，具有廣泛的應用價值。

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