（机械电子工程专业论文）基于usb和cpld的标牌图像采集系统.pdf

一 山东大学硕士学位论文 一 摘要， 本文主要论述了基于u s b 总线的标牌图像采集系统的开发过程和方法。开 发了基于u s b 总线和c p l d 的标牌图像采集系统的硬件电路以及人机交互界 面。 整个采集系统硬件部分由基于u s b 总线的数据传输部分和标牌图像采集 的控制部分两部分组成。数据的存储和上位机到下位机的通讯数据是由高速内 存s r a m - - c y 7 c 1 0 4 9 b v 3 3 来完成的。 本系统主要由视频解码、c p l d 控制、u s b 传输模块及图像显示算法四部 分组成。在硬件电路部分，根据课题的具体要求，对一些主要芯片进行了选择， 然后设计了硬件线路。u s b 总线的数据传输部分分为硬件部分和软件部分。其 中u s b 总线接口芯片c h 3 7 5 是这一部分的核心，选择并控制u s b 总线的数据 传输方式使之适合是本课题的关键部分。标牌图像数据的采集控制部分主要是 由a l t e r a 的c p l d 芯片e p m 7 1 2 8 l s c 8 4 完成的，其软件部分由v h d l 语言 编写，在m a x + i l u s l i 开发环境下完成的。在人机交互界面部分，首先分析了 无损存储图像数据的存储格式，然后将采集到的原始图像象素数据以位图文件 的形式存储并显示出来。 在课题设计开发完成以后，制作成印刷电路板，对y p 3 6 0 数控标牌打印 机打印的标牌进行了采集试验，经过多次的测试和修改，取得了较为满意的采 集效果。 关键词：标牌图像采集；s a a 7 1 1 1 a ：e p m 7 1 2 8 s ；u s b 儿i 一 。 山东大学硕士学位论文 一 e ! | i l li 自s a b s t r a c t t h i sa r t i c l et h e s i sm a i n l yd i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dm e t h o do f t h e s y s t e mo fl a b e li m a g ec a p t u r e d t h eh a r d w a r ec i r c u i tb a s e do nu s bb u sa n dc p l d o ft h es y s t e mo fl a b e li m a g ec a p t u r e dh a sb e e nd e v e l o p e d ，i n c l u d i n g h u m a n ，c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni n t e r f a c e g e n e r a l l y , t h ew h o l eh a r d w a r es y s t e mi sm a d eu po f t w om a i np a n s ：o n ei st h e d a t at r a n s f e r r i n gb a s e do nu s ba n dt h eo t h e ri st h ec o n t r o l l i n go f t h et h es y s t e mo f l a b e li m a g ec a p t u r e d t h es r a m c y 7 c 1 0 4 9 b v 3 3i su s e da sab r i d g em e d i u m b e t w e e nt h e s e c y t c l 0 4 9 b v 3 3h a sn o to n l yb e e nu s e dt os t o r ea n dt r a n s f e rt h e d a t ab u ta l s ot or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h em a i np r o c e s s e ra n dt h e s u b o r d i n a t i v eo n e s t h ew h o l es y a t e mc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n gf o u rp a r t s ：v i d e od e c o d e r ，c p l d c o n t r o l l i n g ，t h em o d u l eo f h ed a t at r a n s f e r r i n gb a s e do nu s b a n dt h ea l g o r i t h m s s h o w i n gl a b e li m a g e a tt h ep a r to ft h eh a r d w a r ec i r c u i t ，a c c o r d i n gt ot h e c o n c r e t e c o m m a n d so f t h et h e s i s ，t h em a i nc h i p bo f t h ec i r c u i th a v eb e e ns e l e c t e da n dt h e h a r d w a r ec o n n e c t i n gh a sb e e nc o m p l e t e d t h ed a t at r a n s f e rp a r tc o n s i s t so f t h e h a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e t h ec o r eo f t h i sp a r ti st h eu s bi n t e r f a e e c h i p c h 3 7 5 c h o o s i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ew o r k i n gs t y l eo f t h ec h i pi s t h ee m p h a s i s o f t h et h e s i s t h ec a p t u r i n ga n dc o n t r o l l i n gp a r to f t h el a b e li m a g eh a sc o m p l e t e db y c p l d e p m 7 1 2 8 s l c 8 4p r o d u c e db ya l t e r a ，w h i c hh a sp r o g r a m m e dw i t hv h d l l a n g u a g e ，u n d e rt h ee n v i r o n m e n to f m a x + p l u s l i ，a tt h ep a r to f t h eh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o ni n t e r f a c e ，t h es t o r a g ef o r m a to f t h ei m a g e - d a t ah a sb e e nm a d e ，t h e n ，t h e o r i g i n a li m a g ep e l sd a t ac a p t u r e dh a s b e e ns t o r e da n ds h o w m b yt h ew a y o f t h e b m p a f t e rt h ew h o l ed e s i g no ft h ep r o j e c t ，p r i n t e dc i r c u i tb o a r dh a sb e e nt e s t e do n t h el a b e lp r i n t e db yy p 3 6 0s t a m pp r i n t e ra n dt h es a t i s f i e dr e s u l t sh a v e b e e n g o t t e n 一 k e yw o r d ：l a b e li m a g ec a p t u r i n g ：s a a 7 1 11 a ；e p m 7 1 2 8 s ；u s b i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：趟! 垒 日期：a 2 芝f 耋缉 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：雌导师签名：锻瞧日期泣蜂垒! i 一 山东大学硕士学位论文 一 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景与目的意义 金属标牌是绝大多数机电产品中不可缺少的重要标志，代表着产品性能、 规格、出厂代号、国家标准、生产日期等重要信息。标牌的内容分为固定不变 内容和动态数据两部分，前者一般印刷在标牌上，后者由于其不固定特性一般 不能事先制作，需要在产品生产线上适时制作。 随着产品质量的不断提高，标牌作为产品的重要标志，受到了各生产厂家 越来越高的重视：特别是我国进入 w t o ”，外商对标牌质量要求更高。目前， 我国标牌动态内容的在线制作正处在由机器制作代替手- r 锘, l 作的快速发展时 期，但仍存在着几乎所有标牌的打印字符是靠人工检错，效率低、出错率高等 问题。2 0 0 1 年首都钢厂就曾囡标牌内容出错，造成上万吨钢材售后返厂的事故， 造成重大经济损失。因此开发研制标牌图像采集与识别系统，实现标牌内容的 自动检错，对提高标牌制作设备的水平具有重要科学意义和广阔应用前景。这 是本课题提出的目的意义之一，工作图如图1 1 【i 】。 图1 - 1 工作图 实现产品从生产、入库、销售到用户的全过程信息化物流管理，是信息化 发展的必然要求；完成这个过程不仅需要产品本身具有可识别性( 标牌信息制 作) ，而且必须对产品进行自动识别( 标牌信息自动录入) 。目前我国机电产品的 生产、入库、出库到市场各环节的记录工作基本靠人工完成，工作量极大。因 此，采集标牌图像信息，实现标牌信息的自动录入，对信息化物流管理具有重 要意义。这也是本课题提出的又一目的意义。工作图如图1 2 【l j 。 图l - 2 工作图 一山东大学硕士学位论文一 图l - l 、1 2 中的标牌图像采集正是本课题的研究内容。它来源于工程实际； 是山东大学开发研制成功的机电一体化高科技产品一数控标牌打印机的重要组 成部分。该设备已在全国2 5 省市的1 0 0 余家企业推广应用，取得来巨大经济效 益和很好的社会效益。绝大多数企业提出了标牌字符图像自动采集与识别的开 发要求。 1 1 1u s b 总线的发展 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ，通用串行总线) 1 2 1 ，它是一种电缆总线，是电脑 系统接外围设备的新的输入输出标准，而u s b 协议是u s b 总线的通信协议。 在w i n d o w s 9 8 推出以后，对u s b 总线的支持模式臼趋成熟。目前，u s b 总 线己经成为主板上的标准配置，u s b 作为一种新型的接口以其较快的传输速率 和方便的连接等优势受到用户的青睐。到目前为止，u s b 己经在p c 机的多种外 设上得到应用 3 1 。 随着微处理机的性能不断提高和多媒体网络技术的不断发展，人们对微机 系统的i o 不断提出更高的要求，原来的总线标准如i s a 、e i s a 等已经不能胜 任现代数据传输的要求，正在逐渐被淘汰【4 1 。新一代总线标准p c i 具有1 3 2 m b s 的传输速度p 】，但其不具有即插即用的特性。而u s b 总线同时具有高速性和即 插即用的特性，具有替代p c i 设备的发展趋势，因此开发基于u s b 总线的外部 扩展设备已经成为追在眉睫的任务。 扫描仪和数码相机、数码摄像机是最早在u s b 技术上崭露头角的外设。这 几种产品的迅速跟进主要还是得益于u s b 较高的数据传输能力，使大容量的图 像传输在短时间内即可完成。u s b 总线在其它硬件相关外设中得到了非常广泛 的应用，特别是那些常见，常用的输入设备，如键盘、鼠标器以及形形色色的 游戏操控杆等，这些外设在与p c 接1 2 的u s b 化以后，较之传统意义上的周边设 备优势在于外型美观、体积纤小、连接方便、即插即用，而且性能表现更为稳 定，很少出现闯题。 一 正是由于u s b 设备在工业应用方面的优异表现，提高了数采测控业界对它 的关注度。近年来，数家知名数据采集专业企业宣布要推出自己的数据采集设 2 山东大学硕士学位论文 备以及基于u s b 总线的其它测控用设备，好多专业期刊相继推出u s b 总线在数 据采集、测控方面应用的文章。由此可见u s b 技术正在以怎样的一种速度在数 采测控方面迅猛发展。 1 1 2 图像采集与处理系统发展现状 随着数字多媒体技术的不断发展，数字图像处理技术被广泛应用于可视电 话、电视会议、监控系统等各种民用、商用及工业生产领域中，同时对图像采 集系统的要求日益提高。其中，这些产品最核心的技术是实时图像的采集和处 理，图像采集的速度、质量直接影响到产品的整体效果。众所周知，视频图像 数字化后数据量非常庞大，对如此大量高速的数据进行实时处理是计算机应用 领域中技术难度最大的部分。如何实现视频图像的高保真数字化并且采取科学 合理的方法实现数据的高速传输是该领域必须解决的首要问题。 目前，各种基于接口卡、并口的图像采集设备已能在市场上买到。随着i s a 逐渐被淘汰，接口卡基本都是基于p c i 总线的( 6 1 。硬件模式基本分为两种： d s p + p c j 控制芯片【7 1 和c p l d f p g a + p c i b 】1 9 】控制芯片，前者前端运算处理能力 很强，在接口卡上可以完成数据的压缩和存储，但用于图像处理的d s p 芯片及 其开发价格昂贵【7 1 0 0 。后者c p l d f p g a 完成采集的控制任务，但不具备图像处 理的能力，将计算机作为处理平台，这种模式适合于做虚拟设备。且价格合理， 但是由于使用了p c i 总线，使其应用受到了限制。 目前，u s b 总线在图像采集方面当前的发展趋势就是将u s b 总线技术与虚 拟仪器技术相结合的u s b 总线虚拟仪器技术【l l 】。随着u s b 传输速度的提高，不 久的将来，现有的采集系统将被基于u s b 总线的采集系统所取代。u s b 总线在 设备小型化、便携化的转变上起着不可估量的作用。u s b 总线设备在与笔记本 电脑配合在很大程度上提升了笔记本电脑的性能。因此，使用笔记本电脑为处 理核心，利用u s b 总线为虚拟仪器与笔记本电脑的通信接口的新一代虚拟仪器 设备正在被逐步开发出来。本课题所推出的标牌图像采集系统也正是基于将外 设与笔记本电脑相结合这种思路而展开的。这种u s b , 总线的虚拟仪器在保证外 设性能的前提下，大大提高了外设的小型化与便携性，非常适合解决前述遇到 3 山东大学硕士学位论文 的问题。 。 1 2 全文结构概述 论文在第一章绪论部分介绍了本课题的研究背景以及课题的来源和意义， 第二章介绍了图像采集系统的工作原理及总体设计，对课题的独创性作了详细 的说明。第三、四章是本文的核心，详细介绍了整个系统的硬件及软件设计 最后对工作做了总结，提出了自己的见解。 l 。u s b 总线接口部分的设计。包括： ( 1 ) u s b 总线控制方案的确定、u s b 控制芯片的选择及使用 ( 2 ) u s b 控制芯片与单片机硬件逻辑 ( 3 ) u s b 控制芯片固件程序及初始化程序的开发 2 。图像采集控制部分的实现 ( i ) 视频解码芯片的选择及使用 ( 2 ) 复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 的选择 ( 3 ) c p l d 与视频解码芯片的的硬件设计 3 。数据传输部分的实现 ( 1 ) 高速静态r a m 的选择和使甩 ( 2 ) c p l d 、高速静态r a m 和单片机的硬件设计 4 。图像采集系统的软件部分 ( 3 ) 视频解码芯片、c p l d 和u s b 控制芯片的初始化 ( 4 ) 位图文件实现算法及人机对话界面 5 。 整套系统的测试运行及试验结果 4 一 山东大学硕士学位论文 第2 章工作原理及总体设计 2 1 标牌图像采集系统的工作原理 标牌图像采集的系统结构如图2 - 1 ，它的工作流程是：前端采用p h i l i p s 公 司生产的s a a 7 1 1 1 a 10 1 ，将c c d 摄像头输入的模拟视频信号转化为数字信号， 然后将图像存储于大容量静态存储器中，图像数据在单片机的控制下经过u s b 总线控制芯片传输到计算机中。 4 图2 - 1 系统工作原理图 下面介绍该视频采集系统的工作原理： 1 、初始化： s a a 7 1 1 1 a 在上电后并不能马上产生数字视频信号，必须通过i i c 串行总 线【】( p h i l i p s 规定的一种串行总线标准，主要由一根时钟信号线和一根数据信 号线组成) 对其内部寄存器进行初始化，s a a 7 1 1 1 a 才能正常工作。c p l d 和 c h 3 7 5 没有提供i i c 串行总线的接口支持，系统采用单片机的两个引脚模拟i i c 总线与i i c 串行总想对接，电路接口如图2 2 。s c l 、s d a 信号线即是上面所提 到的i i c 串行总线，与s 从7 1 1 1 a 上的相应管角相连。单片机将初始化数据写 入到i i c 总线控制器完成初始化。 山东大学硕士学位论文 图2 - 2 i i c 接口电路 c h 3 7 5 是u s b 控制芯片，需要正确设置其端口地址、工作方式、握手模 式、时钟等才可以正常工作，这一部分任务同样由单片机完成。 2 、获取图像： 应用程序端需要标牌图像信息时，通过调用u s b 控制芯片的a p i 函数向 单片机发送指令，随后单片机向c p l d 控制芯片发送指令，控制视频解码芯片 工作，并将一帧图像的象素信息存储于高速静态大容量r a m 中，c p l d 控制 芯片负责配合解码芯片产生1 9 位地址信号，采集完毕后，c p l d 通知单片机可 以将数据传回计算机，但单片机不能同时产生1 9 位地址信号，这项工作同样由 c p l d 完成，待所有数据由u s b 传输完毕，硬件系统复位，等待下一此的采集 命令。 应用程序首先将获得的原始图像象素信息存入缓冲区，之后调用图像格式 算法，将原始象素信息以位图文件的形式保存下来，并将图像在显示器上显示 出来。 2 2 u s b 总线概述 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 是外围设备与计算机进行连接的 新型接口，其最早i b m 、i n t e r 、n e c 等七家公司与1 9 9 4 年1 1 月共同提出的， 目的是用u s b 来取代p c 现有的各种外围设备，使外围设备的连接具有单一化、 即插即用、熟插拔等特点。它的出现大大简化了p c 机和外设的连接过程，使 p c 机接口的扩展变得更容易可以说，u s b 是计算机外设连接技术得重大变 革1 1 2 】。 在u s b 之前，外设与p c 机的通信主要是通过p c 机主板所提供的各种接 口来实现，如p c i 接口、p s 2 接口、串行接口、并行接口等，这些老式的接口 存在很多缺陷： 6 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 他们都是非共享式接口，只支持单个外设的连接，即同一时刻一个接1 2 只能连接一个外设，而p c 机接口的数量有限，根本无法满足大量外设的需要。 这时，计算机的可用端口数就显得越来越紧张。 ( 2 ) 接口体积庞大，几乎占用了主板面积的一半，硬件厂商不可能无限制地 增加主板的面积来扩充这些老式的端口。 ( 3 ) 这些接口的规格不一，用户将外设连接到p c 机上时，他们不得不面对 种类繁多的i o 扩展槽和外部接口，会使用户觉得很不方便。 ( 4 ) 这些接口采用传统的i o 模式，外设被映射为c p u 的i 0 地址空间，并 别分配一个制定的中断请求，或是一个d m a 通道。这种模式会带来诸如i o 地址冲突、指定外设的中段请求被别的外设占用等问题。这时用户必须打开机 箱盖，采用手工的方法设置一些开关和跳线以重新配置这些设备，然后重新启 动电脑，才能使新配置生效。不论是对外设的开发者还是使用者，这个过程都 相当繁琐 u s b 克服了老式接口的缺陷，从传统i 0 模式的桎梏中解放了出来，开辟 了一条外设与p c 机连接的新方法，和其他老式p c 机接口相比，u s b 主要具 有如下优点：【1 3 】 ( 1 ) 热插拔。可以把u s b 外设连接到一台正在运行的计算机上，操作系统 可以自动识别，用户可以立刻使用，不需要重新启动计算机。用户也可以随时 断开u s b ，外设，而不管计算机是否正在运行，这都不会损坏p c 机和外设。 ( 2 ) i i p 插即用【1 4 l 。u s b 实现了自动配置，不需要用户手工配置i o 地址和中 段请求。当u s b 外设接入p c 机时，操作系统会自动检测到这个连接，并加载 合适的驱动程序。对用户来说，只需等几秒钟，u s b 外设的安装就完成了如 果是外设的第一次连接，操作系统可能会需要用户为其选择合适的设备驱动程 序，除此之外，所有的安装都是自动的。 ( 3 ) 共享式接口。u s b 端口支持多个外设的连接，通过u s b 集线器，一个 u s b 主控制器最多可以连接1 2 6 个外设。 ( 4 ) 灵活u s b 支持三种传输速率：1 5 m b s 、1 2 m b s 、4 8 0 m b s ；四种传输 方式：块传输，同步传输、中断传输和控制传输，这使其能适合多种外设的需 要。 ( 5 ) 接口体积小。与其他老式p c 机接i z 相比，u s b 接口小且薄，占用很少 7 山东大学硕士学位论文 的计算机主板面积，也更适合与外设体积的小型化。 ( 6 ) 节省系统资源。在u s b 系统中，只有u s b 主控制器需要使用一根中断 请求线和些l j o 地址空间。对u s b 外设来说，它需要的仅仅是u s b 系统为 其分配一个唯一的地址，而这个地址只有u s b 子系统知道。 ( 7 ) 提供电源。电流的大小取决于集线器端口，最小为1 0 0 m a 最大不会超 过5 0 0 m a ，用户可以直接使用这个总线电源。另外，u s b 支持低功耗模式，持 续3 m s 没有总线活动，自动进入挂起状态，以节省电能消耗。 ( 8 ) 低成本u s b 能实现强大的功能，他比以前的接口更加复杂，但是它的 组件和电缆并不贵。 实现u s b l 总线接口的方法有多种，设计者可以根据实现的难度、成本等实 际情况加以选择。 ( 1 ) 采用专用u s b 控制芯片实现u s b 接口设计 u s b 器件一般来说是有两种类型的，一种是m c u 集成在芯片里面的，比 如i n t e l ，c y p r e e ，n a t i o n ms e m i c o n d u c t o r s ，a n c h o r e h i p s 等等：另外的还有就是 单独的一个芯片实现u s b 的e n g i n e 的功能，像p h i l i p s ，p d i u s b d l l ， p d i u s b p l i a ，p d i u s b d l 2 t ”】【j “等，还有像l u c e n t 也出了两款器件，u s s 8 2 0 ， u s s 一6 2 0 ，8 2 0 是普通的高速设备，具有8 个双向的e n d p o i n t s ，而6 2 0 是具有 d m a 功能，使用起来比8 2 0 占用系统资源要少得多，不过总的来说，在这个 方面p h i l i p s 和n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r s 的要大众一些，开发的话应该上手快一 些，不过p h i l i p s 的芯片和5 l 的芯片接口比较麻烦一些【1 7 1 。 如果用户不想购买昂贵的u s b 总线接口设计开发工具，则可以采用c p l d 或f p g a 设计自己的u s b 总线接口，这种方法的特点是具有较高的性能价格比， 但是对开发者的要求较高，不仅要求开发者具有较高的c p l d 或f p g a 设计经 验，更需要对u s b 协议有较深程度的了解【1 8 】【i ”。另外如果要设计的u s b 总线 接口具有附加的通信功能，这种方法不太适合。 ( 2 ) 采用现有的总线接1 2 芯片设计u s b 接1 2 目前，用户可以选择的总线接口芯片是南京沁恒公司的c h 3 7 1 c h 3 7 5 c 2 “， 以及带有u s b 接口的单片机芯片。由于产品成本以及具体的性能特点，南京沁 恒公司的产品正在成为u s b 总线接口芯片的主流。下面就对c h 3 7 1 c h 3 7 5 进 8 山东大学硕士学位论文 行简单的介绍。 这两种接口芯片是专门为u s b 总线的使用者设计的，它们都可以将复杂的 复杂u s b 总线接1 3 关系转化为简单的8 位局部总线，并且为用户提供中断等硬 件资源，可以方便地和单片机等微处理器连接。 这两种芯片都可以作为总线从设备( s l a v e ) 使用，在完成基本的数据传送方 面没有大的区别，都具有突发传送、头读、可预取等功能。因为c h 3 7 5 是c h 3 7 1 的换代产品，所以在某些方面的功能又有些加强，主要是增加了增加了芯片的 稳定性和引脚的数量；其次，增加了高电平锁存局部总线中断的功能，并且在 寄存器中设置了相应的位来实现。另外，对某些输出信号加强了驱动能力。 采用c h 3 7 1 c h 3 7 5 两种芯片进行设计，其主要优点疆功能强、可靠性强， 设计者可以避开复杂的u s b 协议，不用编写控制芯片固件程序和驱动程序，而 且价格也不算太昂贵。其缺点是芯片引脚比较少且不支持其它通信协议( 比如 n o ) ，并且设计也缺乏一定的灵活性。 综合考虑以上几个方面，并且接合我的实际情况，我决定采用南京沁恒公 司的c h 3 7 5 作为我的u s b 接口的总线控制芯片。 2 3 复杂系统可编程逻辑器件( c p l d ) 概述 现代电子系统一般由模拟子系统、数字子系统和c p u 子系统三大部分组成。 数字系统以往是采用传统的搭积木式的方法进行设计，即由器件搭成电路板， 由电路板搭成电子系统，设计的灵活性很差，系统中分立元件的种类多且数目 大。随着半导体技术、集成技术和计算机技术的发展，可编程逻辑器件和e d a 技术逐步得到普及，电子系统设计发生了革命性的变化，解决了以往以分立元 件为基础的电子系统存在的许多不足。现在，利用可编程逻辑器件和e d a 工具，就可以通过设计芯片来实现系统功能，将原来由电路板设计的大部分工 作放在芯片的设计中进行，极大地减少了设计的盲目性，提高了设计效率。 可编程a s i c 是指由用户编程来实现所需功能的专用集成电路，c p l d 2 1 l 是 可编程a s i c 中极具魅力的可编程器件，它们是现代化系统设计，电路设计和工 艺设计紧密结合的产物。 9 山东大学硕士学位论文 c p l d 器件的设计可分为设计输入、设计实现和器件编程三个步骤及相应 的功能仿真、时序仿真和器件功能测试三个验证过程f 2 2 1 ，如图2 3 所示【2 2 l ： 图2 3 三个验证过程 由上图可见，电路的设计与连接完全反映在芯片设计中，在下载之前的设 计输入和综合、仿真等工作都是通过软件来完成的。这种设计方法具有研发周 期短、成本低、设计灵活等优点，而且，其可编程特性使系统内硬件的功能可 以像软件编程一样进行配置，实时地进行灵活而方便的更改和开发。这种“软” 硬件的系统设计概念使电子系统具有极强的灵活性和适应性。 e d a 技术两个重要的基本特征是“自顶向下”的设计方法和v h d l 硬件描述 语言。“自顶向下”的设计方法是指从系统级入手，在顶层进行功能方框图的划 分和结构设计，然后在方框图一级利用硬件描述语言来描述高层次的系统行为， 最后进行逻辑综合优化。这种设计方法有利于在早期发现结构设计中的错误， 提高设计的成功率。 硬件描述语言使得设计者在比较抽象的层次上描述设计的结构和内部特 征它的突出优点有： ( 1 ) 便于组织大规模系统设计v h d l 提供了从行为级、r t l 级、逻辑门级到 最终电路级和版图参数的多层次描述，整个设计过程都在v h d l 的环境下进行。 随着e d a i 具功能的优化，设计者可以逐步提高设计的层次，一而相应的较低层 次的v h d l 可由e d a 工具自动生成，从而提高开发效率。 ( 2 ) 语言的公开可利用性高v h d l 语言已经成为i e e e 标准，得到众e d a i 具 1 0 山东大学硕士学位论文 j i ! l l ! ! ! ! ! g ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! g ! ! ! ! 的支持。 ( 3 ) 设计与工艺无关v h d l 代码的可移植性和可重用性好，便于设计的复用 和继承。 2 4 “单片机+ c p l d 体系结构”的特点 单片机系统是当前应用最广泛、最典型的现代电子系统，具有智能化的硬 件体系结构，主要由软件来实现系统功能，是以计算机为核心的一种“柔性硬 件”，因此设计者们拥有相当自由的开发空间，可以形成自己自己的开发风格， 以纯单片极为控制可信的系统设计优势主要表现为以下几点：1 2 3 1 ( 1 ) 时序控制能力强 单片机有专门的时钟电路产生信号，其定时单位有拍节与状态，机器周期、 指令周期，根据指令和所需得机器周期数的不同可分为单字节指令单机器周期 和单字节指令双机器机器周期、双字节指令单机器周期和双字节指令双机器周 期以及三字节指令双机器周期。单片机执行指令是在时序电路的控制下严格按 时序进行工作，它从外围设备接收和发送数据及控制信号都是按程序指令顺次 进行控制，不存在并行机制，有力保证了整个应用系统的有序工作。 ( 2 ) 设计简单快捷 单片机实际上是一个微型计算机系统，其内部逻辑结构包含c p u 、r a m 、 r o m 、定时器、计数器、并行口、串行口、总线、中断控制系统和系统时钟电 路等资源，这些功能模块已作为内核嵌入。对设计者而言，只需要了解其操作 方式和指令系统，便可以在软件中方便地实现许多模块级功能。 ( 3 ) 性价比高 1 9 7 6 年第一款8 位单片机问世，它以体积小、控制功能全、价格低等特点赢 得了广泛的应用和好评。随后，各种系列和型号的单片机芯片就如雨后春笋， 层出不穷。现在，单片机已广泛应用于生活和生产的各个方面，如工业自动化、 军事装备、通信产品、家用电器、消费电子等，长期稳定的发展和广泛的应用 研究使其性价比非常高，并且积累了大量的技术参考资料 纯单片机控制方式的缺点 2 2 l 主要表现为： 山东大学硕士学位论文 一 ( 1 ) 端口数目有限 普通单片机的引脚数目为4 0 左右，主要包括电源、时钟、复位、控制信号、 i o 端口等。如果用这些端口直接产生各外围设备所需的数据和控制信号，其数 目通常不能满足要求，这样就需要在外部添加译码和锁存电路来扩展p o 端口， 由此整个系统将变得庞大和臃肿，设备的体积和重量也会增加。 ( 2 ) 系统硬件连线复杂，可靠性不够以纯单片机为控制核心的系统中，由于 添加了许多分立元件来扩展控制端口，这必将导致硬件连线复杂，信号之间的 干扰增大，可靠性降低，系统功耗也增大 以纯c p l d 为控制核心的系统的设计优势在于【2 i j ： ( 1 ) 可靠性高 。 c p l d 采用了现代先进的编程工艺和合理的内部互连结构，可以保证较高 的可靠性另外，对于运用v h d l 输入的设计，其实现方式独立于器件工艺， 避免了具体的电路搭建可能造成的不可预知的信号干扰和布线不合理等问题， 有利于提高系统性能。 ( 2 ) 设计效率高 c p l d 内部的基本结构是些基本的宏单元或逻辑块，每个芯片 中含有几十到上千个这样的基本单元，芯片的端口资源也相当丰富，用户可用 管腿可从几十n - - 、三百，很容易完成以数字电路方式实现的各种逻辑控制功 能。i p 核的开发和广泛应用更提高了设计的有效性，缩短了开发周期。 另外，c p l d 具备真正并行执行，其中v h d l 模型中包含并行执行的支持机 制。如图2 4 所示，如果输入集1 和输入集2 同时有效，则逻辑块1 和逻辑块2 同时 被激活，逻辑块3 会在逻辑块1 ( z 1 ) 或者逻辑块2 ( z 2 ) 的输出有效时被激活。当 信号传播通过逻辑块3 时，新变化的信号又可以通过逻辑块1 和逻辑块2 传播，即 信号流可以同时在这三个块中流动。这种并行处理能力无疑大大提高系统工作 效率，同时也有利于协调并发的低速设备和顺序执行的高速处理器之间的通信。 图2 - 4 逻辑框图 而单片机程序实际上是按顺序执行的，并不具备并行处理能力，只不过从 山东大学硕士学位论文 一 仿真的角度上可以把它们的执行看作是并发的。 ( 3 ) 集成度和保密性高 c p l d 设计的一个显著优势在于，它们像一张白纸，设计者可以定制系统 功能，在芯片内实现几乎所有的数字逻辑。这种集成化设计摆脱了引进分立元 件的限制，给系统的可靠性和保密性带来了较高的保障，对于军用设备的研发 具有重要意义。 一相对于单片机，纯c p l d 控制方式的缺点主要表现为： ( 1 ) 本身不具备内部寄存器 c p l d 并不象单片机那样本身含有寄存器、计时器、中断等资源，虽然可 以利用其内部逻辑单元来实现这些功能，但容易耗费大量的资源i ( 2 ) 时序控制能力不如单片机强 上面提到，c p l d 具备真正的并行执行，这一方面成就了它的高效设计， 但另一方面也给时序控制带来了很多问题。如图4 ，如果逻辑块t 和逻辑块2 中有 相同的进程敏感信号表而函数关系不同，这样很容易导致逻辑块3 接收信号紊 乱。因此，设计者需要充分考虑并行执行过程中时序关系对信号的影响 通过以上分析可见，单片机和c p l d 有很强的互补性【2 4 1 ，而“单片机+ c p l d 体系结构”则能够有效地克服单纯以单片机为控制核心和单纯以c p l d 为控制核 心的系统的缺点，并且把二者的长处最大限度地发挥出来。在基于该体系结构 的系统中，单片机担当控制的核心，而在c p l d 中实现单片机1 0 端口扩展，产 生系统所需的各种数据和控制信号，从而去掉译码器、锁存器、缓冲器等分立 元件，大大简化硬件连线，提高可靠性。另外，系统中的纯数字电路，如计数、 分频和一些基本逻辑功能都可以在c p l d 中集成设计。结合二者的长处，基于“单 片机十c p l d 体系结构”【2 5 i 的系统具备可靠性高、功耗低、保密性高、体积重量 小等优点，正切合了外设体积小、功能强的性能需求。 本章小结 本章首先概括的介绍了u s b 总线的特性、优点及常用的开发方法，说明了 本课题采用u s b 原因。然后介绍了c p l d ，通过比较单片机和c p l d 系统的优 山东大学硕士学位论文 劣，提出了基于“单片机十c p l d 体系结构”的系统概念，并将其运用到课题中。 在本章的最后，介绍了硬件采集系统的工作原理。 1 4 山东大学硕士学位论文 第3 章硬件设计 硬件设计一般分为这样几个步骤：一、设计硬件实现方案；二、进行器件 的选型；三、进行原理图设计；四、p c b 图设计；五、硬件调试。硬件实现方 案已在第二章中讲述，本章将从器件选型开始说明该图像采集系统的硬件设计 过程。 一 3 1 主要芯片功能概述 3 i iu s b 总线控制芯片- - c h 3 7 5 u s b 总线控制芯片c h 3 7 5 t ”1 是本课题的核心部件之一，对它的掌握程度是 本课题是否能够顺利的完成的关键，只有对它的各种功能和引脚定义有较为深 入了解，才有可能保证整个板卡硬件的顺利连接，才能为后面的软件程序开发 以及图片采集的控制部分打下基础；另外，由于u s b 总线协议的复杂性，决定 了u s b 总线控制芯片的复杂性。因此，有必要对c h 3 7 5 的性能特点、引脚定 义以及配置空间进行较为详细的介绍。 3 1 1 1c h 3 7 5 概述 c h 3 7 5 是一个u s b 总线的通用接口芯片，支持h o s t 主机方式和s l a v e 设备方式。在本地端，c h 3 7 5 具有8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中 断输出，可以方便地挂接到单片机d s p m c u 等控制器的系统总线上。在u s b 主机方式下，c h 3 7 5 还提供了串行通讯方式，通过串行输入、串行输出和中断 输出与单片机d s p m c u 等相连接。 c h 3 7 5 的u s b 主机方式支持各种常用的u s b 全速设备，外部单片机 d s p m c u 可以通过c h 3 7 5 按照相应的u s b 协议与u s b 设备通讯。作为一种 成熟的总线控制芯片，现在越来越受到人们的重视，其主要功能与特性如下： 山东大学硕士学位论文 一 ( 1 ) 全速主机接口u s bv i 1 ，外围元器件只需要一个晶体和两个电容； ( 2 ) 全速设备接1 2u s b v l 1 ，支持动态切换主机与设备方式； ( 3 ) 主机端点输入和输出缓冲区各6 4 字节； ( 4 ) 支持u s b 设备的控制传输、批量传输、中断传输； ( 5 ) 自动检测u s b 设备的连接和断开，提供连接和断开事件的中断请求： ( 6 ) 内置控制传输的协议处理器，简化常用的控制传输： ( 7 ) 并行接口包含8 位数据总线，4 线控制：读选通、写选通、片选输入、中断 输出； 一 ( 8 ) 串行接口包含串行输入、串行输出、中断输出，支持通讯波特率动态调整； ( 9 ) 支持5 v 电源电压和3 3 v 电源电压； 3 1 1 2c h 3 7 5 的主要引脚 c h 3 7 5 采用s o p 2 8 封装。下面将课题总用到的一些局部总线的主要引脚 介绍一下： ，u d + u d 双向三态u s b 总线的数据线，内置可控的上拉电阻 i n t 在复位完成后为中断请求输出，低电平有效 a 0地址线输入，内置上拉电阻，a 0 = i 时可以写命令，a 0 = 0 时可以读 写数据 a c t 仅用于内置固件的u s b 设备方式，u s b 设备配置完成状态输出， 低电平有效 t x d 仅用于内置固件的u s b 备方式，u s b 设备配置完成状态输出，低 电平有效仅用于u s b 主机方式，设备方式只支持并口，在复位期间为输入引脚， 内置上拉电阻，如果在复位期间输入低电平那么使能并口，否则使能串口，复 位完成后为串行数据输出 r x d串行数据输入，内黄上拉电阻 r s t 电源上电复位和外部复位输出，高电平有效 r d 读选通输入，低电平有效，内置上拉电阻 w r 写选通输入，低电平有效，内置上拉电阻 d 7 d 08 位双向数据总线，内置上拉电阻，可以直接和单片机d s p m c u 1 6 山东大学硕士学位论文 等相连接 v c c 正电源输入端，需要外接电源退耦电容，容量为o 1 u f v 3 内部电源节点，在3 t 3 v 电源电压时连接v c c 输入外部电源，在5 v 电源电压时外接容量为o 1 u f 退耦电容 x i 晶体振荡的输入端，内置偏置电阻，需要外接1 2 m h z 晶体的一端及 3 0 p f 电容 x o 晶体振荡的反相输出端，需要外接1 2 m h z 晶体的另一端及3 0 p f 电 容。 一 3 1 1 3c h 3 7 5 的命令 ( 1 ) 命令r e s e t - a l l 。 该命令使c h 3 7 5 执行硬件复位。通常情况下，硬件复位在4 0 m s 时间之内 完成。 ( 2 ) 命令c h e c ke x i s t 该命令测试工作状态，以检查c h 3 7 5 是否正常工作。该命令需要输入1 个 数据，可以是任意数据，如果c h 3 7 5 正常工作，那么c h 3 7 5 的输出数据是输 入数据的按位取反。例如，输入数据是5 7 h 。则输出数据是a s h 。 ( 3 ) 命令s e l s b m o d e 该命令设置u s b 工作模式。该命令需要输入1 个数据，该数据是模式代码： 模式代码为0 0 h 时切换到未启用的u s b 设备方式； 模式代码为0 1 h 时切换到已启用的u s b 设备方式，外部固件模式： 模式代码为0 2 h 时切换到已启用的u s b 设备方式，内置固件模式； 在u s b 设备方式下，未启用是指u s b 总线d + 的上拉电阻被禁止，相当于 断开u s b 设备；启用是指u s b 总线d + 的上拉电阻有效，相当于连接u s b 设 备，从而使u s b 主机能够检测到u s b 设备的存在。通过设置是否启用，可以 模拟u s b 设备的插拔事件。 在u s b 主机方式下，未启用是指不自动检测u s b 设备是否连接，所以需 要外部单片机检测；启用是指自动检测u s b 设备是否连接，当u s b 设备连接 或