（生物医学工程专业论文）基于usb的眼科b超图像实时采集与处理系统.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得主国匡堂銎堂隆兰垦室垫垒匡堂瞳 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：互一今l 签字同期：伊f 1 7 年 易月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解主国医堂銎堂堕皇垦室垫垄匡堂瞳有关 保留、使用学位论文的规定。特授权主国堡堂銎堂瞳兰垦室逊垒匡堂睦可将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 正仓7 签字日期：伽f p 年莎月f 日 中国医学科学院北京队和医学院硕i ：学位论文 中文摘要 传统的眼科b 超诊断仪一般没有图像存储功能，图像只能显示于现有诊断 仪上，在图像存储与再利用上有很大局限性： 1 由于存储空间较小，难以实现图像存储，多通过视频拷贝保存图像； 2 限于硬件条件，无法对图像进行较复杂的处理。 然而，如果能将眼科b 超图像实时采集并显示于p c 上，充分利用p c 的强 大功能，就可实现数据存储与再利用，方便临床诊断并提高其可靠性。 基于这种背景，本课题提出一种眼科b 超图像实时采集的新方法。应用f p g a 在眼科b 超诊断仪的s v g a ( s u p e rv i d e og r 印h i c sa r r a y ) 信号d a c ( 数模转换) 之前进行信号采集，是全数字信号采集，然后通过对静态i 认m 和u s b 接口芯 片的时序控制，实现b 超图像的实时高速传输。图像传输经编码处理，以最大 限度减少传输的误差。p c 对上传的图像进行解码后，实现实时显示，并对图像 进行必要的后处理。 系统开发分为两部分：硬件部分与软件部分。硬件部分包括p c b 设计、f p g a 编程和u s b 固件开发等；软件部分包括u s b 驱动开发和应用程序开发。本论文 主要负责硬件部分。 本论文充分验证了应用u s b 接口实现图像实时传输显示的可行性，并进一 步验证了数字视频采集的优势，即图像的高保真性、实时性和存储处理的便捷性。 本论文全数字的眼科b 超图像采集方法，不仅是全数字眼科b 超研究中的重要组 成部分，更是对眼科b 超信息化的一种探索，无论在实际应用中，还是理论研究 方面都有重要意义。 关键词：眼科b 超、s v g a 、f p g a 、u s b 中冈医学科学院北京协和f 必学院影! l ：学位论义 a bs t r a c t t r a d i t i o n a lb 。s c a no p h t h a l m i cu l t r a s o u n d a p p a r a t u sh a sn oi m a g e ss t o r a g e c a p a b i l i t ya i l di m a g e sc a no n l yb ed i s p l a y e do nt h es c r e e no fa p p a r a t u s t h i sl i m i t sm e r e u s ea n d i m a g e - p r o c e s s i n gi nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 i t sd i m c u l t t os t o r ei m a g e sb e c a u s eo fi n s u m c i e n t s p a c e t h e r e f o r e ，t h e i m a g e sa r e0 1 f t e ns a v e db yv i d e o - c o p y 2 i t su n a b l et op r o c e s si m a g e su s i n gs o m ec o m p l i c a t e dm e t h o d sb e c a u s eo f h a r d w a r e1 i m i t a t i o n h o w e v e r ，i ft h ei m a g e sc o u l db er e q u i r e di nr e a l t i m ea n dt r a n s f e m dt op ct o d i s p l a y ，u s i n gp c sp o w e r 如l 如n c t i o n ，m ei m a g e sr e - u s ea n dp r o c e s s i n gc 锄b e r e a i i z e de a s i l y t 1 1 i sc o u l df a c i l i t a t em ec l i n i c a ld i a g n o s i sa n d i m p r o v ei t sr e l i a b i l i t y f o rt h i s ，an e wm e t h o do fr e a l t i m ei m a g e - a c q u i s i t i o nf 如mb - s c a no p h t h a l m i c u l t r a s o u n da p p a r a t l l sw a sp r e s e n t e d f i r s t l y ，t h es v g ad i 舀t a ls i g n a lw a sa c q u i r e d 舒o mt h e6 0 n t e n do fv g ac o i u l e c t o ra n dt h e nw a st r a n s m i t t e dt os r a ma n d u s b - c h i pc o n t r o l l e db yf p g a s e c o n d l y ，t h ei m a g e d a t a ( f r o ms v g as i g n a l ) w e r e e n c o d e dt or e d u c ee n o r sd u 订n gt r a n s m i s s i o n f i n a l l y ，t h ei m a g e d a t aw e r ed e c o d e d b yp cs o 脚a r et od i s p l a ya j l dp r o c e s s t h es y s t e i nd e v e l o p m e l l tc o n s i s t e do f 俩op a n s ：t h eh a r d w a r e ( p c bd e s i 印i n g ， f p g ap r o 舀a 1 1 1 1 1 1 i n ga n dt h ed e v e l o p m e n to fu s bf i m w a r e ) 锄dt h es o n w a r e ( l e d e v e l o p m e n to fu s b “v ea n dm ep cs o 脚a r e ) t h i st h e s i si sm a i n l yr e s p o n s i b l ef o r t h eh a r d w a r e p a n 1 1 1 i st h e s i s ，w h oh a st e c h n i c a la d v a n t a g e s ，e x p l o r e dt h ef e a s i b i l i t yo fr e a l t i m e 们n s m i s s i o na n dd i s p l a yo fb s c a nu l t r a s o u i l di m a g e sw i t hu s b f u n h e n l l o r e ，i t i n d i c a t e dt h a td i 舀t a lv i d e oa c q u i s i t i o nc a i lt m s m i ti m a g e sw i t hh i 曲一f i d e l i t y 锄d h i 曲。s p e e d ，a i l dc 锄m a l ( em ei m a g e se a s yt os t o r ea i l dp r o c e s s t l h et o t a l l y d i 百t a l - a c q u i s i t o nm e t h o dw a sn o to n l ya 1 1i m p o r t a n tp a r ti nr e s e a r c ho ft o t a l l yd i 舀t a l b s c a l lo p h t h a l m i cu l t r a s o u n d ，b u ta l s oa ne x p l o 订n go fi n f o m a t i o n i z a t i o no fb s c a n o p h t h a l m i cu l t r a s o u n d i th a si m p o r t a i l tm e a j l i n g sb o mi np r a c t i c a la p p l i c a t i o na n d t h e o 叮r e s e a r c h k e y w o r d s ：b - s c a no p h t h a l m i cu l t r a s o u n d ，s v g a ，f p g a ，u s b 中罔医学科学院北京协和仄学院侦i j 学位论文 目录 中文摘要i a b s t r ac 1 i i i i 第一章绪论1 1 1 超声成像与眼科b 超l 1 2 课题背景与意义3 1 3 论文安排4 第二章u s b 设计原理7 2 1u s b 简介7 2 1 1u s b 发展历程7 2 1 2u s b 的四种传输类型7 2 1 3u s b 通信结构8 2 2e z u s b 简介l o 2 2 1c y 7 c 6 8 0 1 3 a 封装1 1 2 2 2 端点类型1 3 2 2 3 端口1 4 2 2 4 加载方式1 5 2 2 5s l a v ef i f o 模式1 9 第三章系统设计2 7 3 1 影响系统的冈素2 7 3 2 设计开发流程2 7 3 3 采集方式( 接口) 选择2 8 3 4 传输接口选择3 1 3 5 电路设计3 1 3 6s v g a 采集3 2 3 7r a m 控制3 5 3 8u s bl 州中 ：3 6 3 9u s b 控制3 9 3 1 0f p g a 设计3 9 3 1 1u s b 驱动4 2 第四章系统调试4 5 4 1o 一9 递增数列测试4 5 4 2d e 数据截取测试4 5 4 3 仿真s v g a3 3 测试4 7 4 4 仿真s v g a8 0 0 6 0 0 测试4 9 4 5 编码测试5 0 4 6 真实s v g a 采集显示5 2 第五章系统改进5 5 第六章总结与展望5 7 参考文献5 9 研究生期间参与项目及发表论文6 1 致谢6 2 附录6 3 b 超视频采集方法综述6 7 v 中困医学科学院北京协和医学院硕i j 学位论义 第一章绪论i 帚一早三石。下匕 1 1 超声成像与眼科b 超 现代医学影像技术的发展r 新月异，其中超声成像、x c t 断层成像、放射 性同位素扫描成像和核磁共振成像被列为现代医学四大影像技术。与其它成像方 式相比，超声成像具有实时性好、无损伤、无痛苦以及低成本等独特的优点n 1 ， 使其在现代医学影像技术中占有重要地位。 ( 一) 医用超声技术 按照对超声应用的不同，医学超声大致可分为超声诊断技术和超声医疗技 术。超声诊断技术，是以超声波为信息载体，用以探查和提取人体的生理或诊断 信息的技术，它具有安全、无痛、适用面广、直观、可重复检查、对软组织鉴别 力强、灵活及廉价等一系列优点，已成为当代医学图像珍断中的首选技术。 超声成像是用超声波获取物体可见图像的方法，利用超声对人体的作用与反 作用规律，观察在生理和病理状态下人体结构的形态学特征与变化规律。由于声 波可穿透很多不透光的物体，故利用声波可获得这些物体内部结构声学特性的信 息，超声成像技术将这些信息变成人眼可见的图像，即可获得不透光物体内部声 学特性分布的图像。因此，超声成像是人们获取不透光物体内部声学特性分布最 直观的方法。 医学超声诊断成像有多种方法，可以是反射成像，也可以是透射成像或散射 成像，主要有以下几类： 1 脉冲回波法 诊断信息产生于超声经人体组织界面反射和散射后的信号强弱，这是目前使 用最广泛的方法。按信号显示方式的不同，脉冲回波法又分为a 型、b 型及m 型三大类。a 型和b 型超声诊断仪就是通常所说的a 超和b 超。 2 多普勒法 诊断信息产生于超声经运动着的人体组织界面和血流细胞所反射和散射后 的超声信号的频移，或者说多普勒频移。目前应用这类成像方法的设备比较多， 中因医学科学院北京咖和医学院顺l j 学位论义 如胎儿听诊器、血流检测仪、多普勒诊断系统和彩色血流显像仪等。 3 透射法 珍断信息产生于超声透射过人体组织后的幅度及相位的变化，其应用有超声 全息、透射型超声c t 和透射型超声显微镜等。 ( 二) 超声诊断仪发展 医学超声诊断方法建立在医学超声工程技术发展的基础上。由于人体组织器 官自身的多样性、复杂性及生理和病理组织的特异性，实现准确的超声诊断绝非 易事，这就向医学超声工程技术提出了很高的要求。广泛深入的临床诊断应用， 进一步促进了医学超声工程技术的发展。从2 0 世纪7 0 年代到9 0 年代，多阵元 超声换能器技术、数字扫描转换技术、超声多普勒检测技术、数字声束成形技术 等重大技术的突破，有力地促进医学超声诊断仪的发展。由于低强度超声对人体 组织不产生损伤，使超声图像诊断成为医学图像诊断的首选技术陋1 。 8 0 年代，超声诊断技术逐步开始了信息化的进程，现在几乎与信息产业的 发展同步酊进。8 0 年代初期就已有多种应用计算机处理b 型超声图像，其增加 了中低档b 型超声诊断仪的功能，可使黑白灰阶显示的仪器实现伪采编码显示， 并可对b 超图像进行放大、增强、中值滤波、图像反转和边缘增强等图像后处 理，一些处理机上还有图像存档及诊断报告等功能。此类处理机增加了b 型超 声诊断仪的功能，并给诊断医师带来了许多便利。9 0 年代在许多中档狄阶显示 的b 型超声诊断仪上已有较强的计算机图像处理功能，实现多种图像处理及转 换，图像存储回放可达8 到9 6 幅，并能自动计算与报告，还有胎儿生长曲线， 产期预测等各种功能曲线显示，信息处理能力明显增加。9 0 年代中期，多种功 能强大的图像处理工作站相继问世，除了上述功能外，可存档图像l 万幅以上， 可由二维图像重建三维图像( 目前大多是表面模式显示) ，可与互联网相接，而近 来又在一些处理机上实现了远程图像传递及远程会诊，而在一些高性能仪中自身 就具有此种功能，超声诊断信息化正逐步向前发展，这给超声诊断带来突破性进 展引。 ( 三) 眼科b 超的应用 在超声诊断技术不断发展的形势下，各类专科超声设备也得到了很大的发 展，其中眼科a b 超是发展最迅速的专科超声设备之一。它可以用来诊断视网 2 中闰仄学科学院北京协和仄学院顾l ：学位论文 膜脱落、眼内和眼眶肿瘤、玻璃体混浊、出血、眼底病变及眼内异物等疾病。眼 科超声珍断仪在我国已使用2 0 余年，在眼科各种疾病的渗断i 二积累了丰富的经 验，已成为眼科临床不可缺少的诊断工具。超声探查所提供的诊断信息是任何其 他现代诊断方法所不可取代的，它在眼内和眼眶疾病鉴别中起着非常重要的作 用。最初的眼科超声诊断设备是使用内科的超声诊断设备配以眼科专用探头进行 的，但是内科超声诊断设备高昂的售价妨碍了它的推广，所以国内外各医疗仪器 生产厂商纷纷研制生产了一系列专门的眼科超声类仪器。如同本t o m e y 公司的 t o m e vu d 6 0 0 0 ，国内迈达医学科技有限公司的o d m 一2 1 0 0 sa b 超。 眼睛属于体表小器官，其特点决定了眼科a b 超需要较高的精度和分辨 力，并且要采用操作灵活的小体积探头。”。眼科b 超图像的高分辨力，决定了眼 科b 超诊断仪也必须实现信息化，充分利用计算机的强大功能，以处理更为庞大 的数据。 1 2 课题背景与意义 ( 一) 课题背景 在超声设备信息化过程中，其综合性能高低取决于计算机平台。计算机在超 声诊断中的深入应用使得现代的超声诊断系统本身就是一台计算机，计算机技术 不仅应用于一般的控制( 如面板功能键控制、字符和图形发生等) 和后处理( 如 图像转换、数字滤波、插补和平滑) ，以及各种测量计算、显示和自检功能，而 且在声束的形成、前处理、图像产生过程以及图像质量改善等方面也直接采用了 计算机技术，从而使现代的超声诊断系统具有现代计算机的几大特点：1 强 大的信息处理能力；2 高速运算能力；3 灵活的软件控制能力。 就目前的发展情况来看，超声诊断仪性能的提高在很大程度上受计算机发展 水平的影响。可以说没有计算机的出现与发展，就不会有今天高性能超声诊断仪 的存在。因此，对于超声诊断仪，尤其是眼科b 超诊断仪，如何实现与计算机的 结合，就成为信息化过程中亟待解决的关键技术。 ( 二) 课题意义 本课题f 是对眼科b 超诊断仪信息化的一种探索。 传统的眼科b 超诊断仪一般没有图像存储功能，图像只能显示于现有诊断 1 中固医学科学院北京协和队学院颂i j 学位论义 仪上，在图像存储与再利用上有很大局限性： 1 由于存储空问较小，难以实现图像存储，多通过视频拷贝保存图像； 2 限于硬件条件，无法对图像进行较复杂的处理。 所以如何实现眼科b 超诊断仪与p c 的结合，如何充分利用p c 的强大功能解 决这些问题，已显得十分迫切。针对这种问题，较为普遍的方式是p c 加视频采 集卡。这种方法主要基于诊断仪的视频输出接口。由于眼科b 超诊断仪一般都 提供有视频输出接口，比如天津迈达医学科技有限公司的o d m 一2 1 0 0 sa b 超 就提供有p a l ( p h a s ea l t e m a t i n gl i n e ) 和s u p e rv i d e og r a p h i c sa 1 1 r a y ( s u p e rv g a ， s v g a ) 3 视频输出，所以，可通过视频采集卡从这些接口采集信号，然后利用 p c 的强大功能实现超声图像的存储与处理。目前，国内外很多厂商都开发有这 种采集卡，比如国内陕西维视开发的m v 一3 5 0 医疗专用高清图像采集卡 ( m v 一3 5 0 ) ，荷兰a r v o o 公司开发的o r l a n d oa n 采集卡。其中，m v 一3 5 0 支持p a l ，n t s c ( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns t a j l d a r d sc o m m i t t e e ) 彩色或黑广= l 视频输 入；o r l a j l d oa n 支持p a l ( 5 0 h z ) 和n t s c ( 6 0 h z ) 输入。然而，这种方式在 采集过程中经过了多次数字信号与模拟信号的转换，数据损失将不可避免。这使 得经视频采集卡获得的图像出现失真，影响了图像质量。本课题采用全数字的采 集方式，有效避免了类似数据损失，同时在稳定性，实时性方面也做了一些研究， 提高了采集质量，实现了眼科b 超诊断仪与计算机的结合，方便了临床诊断并 提高了诊断可靠性。 1 3 论文安排 本课题任务是丌发一个系统，它可实时采集传输眼科b 超图像，并在计算 机上显示处理，包括硬件软件两部分。硬件主要是设计开发一个采集板，负责数 据的采集与传输，包含三个主要部件：f p g a 、删和u s b ；计算机上编写软 件程序，对图像进行显示与处理。系统要求能够实时传输图像，并有良好的图像 清晰度与系统稳定性。 论文分为六个部分： 第一章绪论介绍超声成像技术的应用、原理以及超声诊断仪的发展，并 对本课题涉及的眼科b 超作了重点介绍。详细讨论了b 超诊断仪的信息化背景， 4 巾用医学科学院北京协和医学院硕l ：学位论义 在此基础上提出了本课题，并对其意义和任务进行了说明。 第二章u s b 设计原理对本课题重要的传输接口u s b 进行简单介绍，包 括定义和传输方式。对实现该接口功能的芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a ，从结构、封装、工 作模式、加载方式、端点类型、端口类型、固件框架、驱动程序和调试工具方面 作了介绍，重点介绍本课题所采用的s l a v ef i f o 工作模式。 第三章系统设计第三，四章是本论文的重点。详细阐释了系统从设计到 调试的整个过程。设计流程主要包括：采集方式选择、传输方式选择、电路设计、 u s b 固件设计、u s b 控制、s v g a 采集、r a m 控制、f p g a 设计、u s b 驱动和 应用程序编写。 第四章系统调试按实验顺序，详细介绍了各个阶段总共6 个实验的调试 过程以及实验结果。 第五章系统改进介绍了后期提高系统速度的实验并提出改进方向。 第六章结束语对课题进行总结，给出系统达到的速度指标，系统所具有 的创新点，优势以及改进的方向。 中围医学科学院北京协和医学院硕f ：学位论文 2 1u s b 简介 第二章u s b 设计原理 2 1 1u s b 发展历程 u s b ( u n i v e r s a ls 舐a lb u s ，通用串行总线) 是一种计算机和外部设备进行 通信连接的接口，最早于1 9 9 4 年1 1 月，由c o m p a q 、d i 百t a le q u i p m e n t 、i b m 、 i n t e l 、m i c r o s o r 、n e c 和n o n h e mt e l e c o m7 家公司共同提出。u s b 出现的目 的是取代现有计算机接口，简化计算机与外部设备的连接过程，使计算机的扩展 更加方便隋1 。 u s b 规范发展至今已有u s b l 0 、u s b l 1 、u s b 2 0 、u s b 3 0 、无线u s b 和u s bo t g 等多个版本协议，这些协议都具有很好的向下兼容性。目前u s b 支持三种传输速率：l o ws p e e d1 5 m b i t s 、f u l ls p e e d1 2 m b i t s 、h i 曲一s p e e d 4 8 0 m b i t s 1 和s u p e r s p e e d5 og b i t s 。 u s b 以其高效、快速、接口体积小、支持热插拔、即插即用、兼容性好、 节省系统资源和成本低等优点，得到广泛应用。各种计算机外部设备都在逐渐改 为u s b 接口，u s b 技术的出现是计算机接口技术的一大飞跃1 。 2 1 2u s b 的四种传输类型 1 b u l k 块传输：用于高速或全速u s b 设备，适用于传输大量且对传输时 间和传输速率均无要求的数据，比如打印机和扫描仪等设备。本课题就是使用该 传输方式。 2 i n t e m l p t 中断传输：用于低速、全速和高速设备，适用于传输少量或者 中量对事物处理周期有要求的数据，比如鼠标、键盘类设备。 3 i s o c h r o n o u s 同步传输：用于高速或全速u s b 设备，适用传输大量、速率 恒定、且对服务周期有要求的数据，比如音频和视频类设备，因为这类设备需要 数据的及时发送接收，且对数据的币确性要求不是非常高。 4 c o n t r o l 控制传输：用于低速、全速或高速设备，适用于传输少量的，对 传输时间和传输速率均无要求、但必须保证数据的f 确性。u s b 控制传输主要 7 中困医学科学院北京协和医学院硕i j 学位论文 用于主机和u s b 设备之间的配置信息通信，包括设备的地址、设备描述符和接 口描述附等。 所有的u s b 设备都有控制传输方式。在u s b 协议中，任何u s b 设备都必 须在端点0 的缺省管道中支持控制传输。u s b 的系统软件通过该管道来访问u s b 设备的状念，并对其进行配置。除了端点o 外，其他端点也可支持控制传输。 2 1 3u s b 通信结构 u s b 数据通信在实现时采用分层结构，从逻辑上可分为功能层、设备层和 总线接口层三个层次，其通信模型如图2 1 所示。其中，功能层完成功能级的描 述、定义和行为；设备级完成从功能级到传输级的转换，把一次功能级的行为转 换为一次一次的基本传输；u s b 总线接口层处理总线上的b i t 流，完成数据传 输的物理层实现和总线管理。图巾黑色箭头代表真实的数据流，狄色箭头代表逻 辑上的通讯。在h o s t 端，应用软件( c l i e n ts w ) 不能直接访问u s b 总线， 而必须通过u s b 系统软件和u s b 主机控制器来访问u s b 总线，在u s b 总线上 h o s l 垂| l l e r c o n n e c t p h y s i c a ld e 识c e 王，i ， c 髓e n t s w 知确嘲鞠翳鞲 “i f 呲心佣 f u n c 舡o nl a y l j卜_ 一j t l u s bs y s t 绷 卜“1 吣瞎羽 u s b d e v 瞅 s w 乙a y e r _ = 了：- t - ：_ 二= ! 。i 一_ u s b h 鸺lu s 8 8 憾 u s b b u s c o n 拉o l i e f i n t e 孵矗c e 融t e 订a c el a y a d 砸羽c o m m u n 垂c a 辖明sf b w l o 口i c a lc o m m u n i c a 缸o n s 订o w l m p 轮m 朋t a t i 佣f o c u sa 份a 图2 1u s b 通信模型 吾 中固医学科学院北京队和医学院坝i j 学化论文 和u s b 设备进行通讯肺1 。这种信息交互方式从主机的角度来看，其更为详细的 通信模型如图2 2 所示。 h o 搴ti n t e r c o n n e c ：l l 础。陌 霉m 一铀曩c 删m u 嘲锻硼 图2 2u s b 主机通信模型 可见，u s bs y s t e m 又包括三个基本部分：h o s tc o n t r 0 1d 订v e r ( h c d ) ，u s b d r i v e r ( u s b d ) ，h o s ts o r w a r e 6 | 。h o s tc o n t r o ld r i v e r 是主机控制器的驱动，它 的存在，使应用软件在不知道u s b 设备与哪个主机控制器连接的情况下，与设 备进行交互。u s bd n v e r 即u s b 驱动，它将u s b 设备抽象化，使应用程序可 9 中因医学科学院北京卧和医学院硕i j 学位论义 对设备进行参数设置与状态管理，而无需了解设备内部机制。同时，u s b 驱动 还将数据以i or e q u e s tp a c k e t s ( i r p s ) 的形式进行传输。 2 2e z u s b 简介 要使用u s b ，需要有u s b 芯片对u s b 协议进行解析，并且用户可通过u s b 芯片与主机进行协议的通信。目前市场上有多种u s b 功能芯片，其中大部分都 集成了8 0 5 1 内核及对u s b 协议的完整接口。这类芯片的主要功能实现便集中在 固件程序设计上。u s b 的固件十分重要，因为其不仅用来实现u s b 设备的主 要功能，还需要和u s b 主机进行数据通信。在众多芯片中，c y p r e s s 半导体公司 的e z u s b 系列芯片以其良好的性能和独特的设计在u s b 接口开发领域中占有 重要的位置。该芯片不仅具有和8 0 5 1 兼容的c p u 和完整的u s b 2 o 协议引擎， 还提供了完善的固件及主机程序开发包。使用c y p r e s s 的丌发包，可在不编写主 机程序的情况下，轻松的进行u s b 固件的开发和调试，因此得到广泛应用嵋1 。 e z u s bf x 2 系列芯片是世界上第一款集成了u s b 2 0 协议的微处理器，最 典型的就是c y 7 c 6 8 0 1 3 a ，它提供了强大的功能，包括u s b 接口以及和8 0 5 l 兼 图2 3f x 2 l p 内部结构 容的指令系统，但是它的功耗比较大，其绝对值高达9 3 6 m w 。因此，c y p r e s s 公 l o 巾罔i 父学科学院北京协和医学院顾i ：学位论文 司随后又推出了低功耗版本的e z u s bf x 2 l p 系列芯片，其中用得比较多的是 c y 7 c 6 8 0 1 3 a 。该芯片内部结构如图2 3 所示，其中包括u s b2 0 收发器、s i e ( 串行接口引擎，s 嘶a li i l t e m c ee n 酉n e ) 、增强的8 0 5 1 内核、1 6 k b 的r a m 、 4 l 的f i f o 存储器、i o 接口、数据总线、地址总线以及通用可编程接口g p i f 瞄1 。 2 2 1c y 7 c 6 8 0 13 a 封装 本系统使用e z u s bf x 2 l p 系列中的c y 7 c 6 8 0 1 3 a ，故主要针对该芯片进 行介绍。c y 7 c 6 8 0 1 3 a 有五种封装5 6 一p i no f n 、5 6 一p i nv f b g a 、5 6 一p i ns s o p 、 1 0 0 一p i nt q f p 和1 2 8 一p i nt q f p ( 如图2 4 所示) 。 弱御v f b g 甄5 x l m m 图2 4c y 7 c 6 8 0 1 3 a 封装类型 1 5 6 引脚封装 5 6 引脚芯片有三种封装形式：5 6 一p i nq f n 、5 6 一p i nv f b g a 和5 6 一p i ns s o p 。 其逻辑简化框图如图2 6 所示。它有2 4 个通用引脚( p o r t a ，p o r t b 和p o r t c ) ， 其中1 6 个i o 引脚可被设置成1 6 位数据接口，用于f x 2 的高速1 6 位f i f o 。 5 6 引脚封装具体功能如下： 3 个8 位i o 口，即p o r t a 、p o r t b 和p o r t d ； 1 2 c 兼容总线； 中困医学科学院北京协和医学院硕i ：学位论义 1 个8 位或1 6 位的通用可编程接口( g p i f ) ，与p o r t b 及p o r t d 复用， 还带有5 个非复用的控制信号； 4 个8 位或1 6 位的从属f i f o ，带5 个非复用的控制信号和4 或5 个与p o r t a 复用的控制信号吲。 陟 u s b c o 瑚耗c t o r u s 8 阳n s c e v e r ；僦广妇 10 u t i n l e 哟c e l 嚣卜愁s i e jr l 出妇 e z - u s 8 u s b n l e r l 矗c e s l r v e f i f o s p r o g 绍m & d a t a r a 埘 e p u 飘h 醐c e d 8 0 5 1 j 图2 5e z u s b5 6 引脚封装逻辑简化框图 2 1 0 0 引脚封装 1 0 0 引脚封装比5 6 引脚封装芯片增加的功能如下： 增加了2 个8 位i o 口，即p o r t c 和p o r t e ； 增加了7 个g p i f 控制信号( c t l ) 和准备信号( r d y ) ； 9 个非复用外设信号( 2 个u s a r t 、3 个计数器输入、i n t 4 和i n t 5 ) ； 增加了8 个控制信号( 同p o r t e 复用) ； 9 个g p i f 地址线( 复用、p o r t c 、p o i 盯e ) ； r d 和w r 信号用于p o r t c 读写选通。 3 1 2 8 引脚封装 1 2 8 引脚封装增加了8 0 5 1 地址、数据总线以及控制信号。其中i m 、p s e n 和w r 选通信号是标准8 0 5 l 单片机的控制信号，用于带有8 0 5 1 地址和数据总线 的外部扩展存储器的读写选通。f x 2 的译码信号c s 和o e 用于自动识别存储器 位置并进行操作，以区分是片内还是片外存储空间。1 2 8 引脚封装增加的功能如 下： 1 6 位8 0 5 1 地址总线； 8 位8 0 5 1 数据总线； 1 2 中陶仄学科学院北京协和医学院硕l ：学位论文 地址数据总线的控制信号h 3 。 4 三种封装的区别 1 0 0 引脚封装的芯片包括了5 6 引脚封装的所有功能，并且增加了两个i o 端口，即p o r t c 和p o r t e 端口，以及全部的u s a r t 、定时器、中断和g p i f 信号。r d 和w r 引脚在1 0 0 引脚封装中用于p o r t c 端口的选通，而在1 2 8 引 脚封装中则用于扩展存储器的选通信号口3 。 1 2 8 引脚封装的芯片比1 0 0 引脚封装增加了2 8 个引脚，用于引出全部8 0 5 1 的扩展存储器总线。这样，在加电和连接u s b 前的运行应用中，允许连接扩展 存储器。1 2 8 引脚封装同时也提供c y p r e s se z u s bf x 2 开发套件的功能，利用 运行在扩展r a m 中的调试监控程序，程序代码可下载到芯片中盯1 。 2 2 2 端点类型 u s b 协议定义了用于发送和接收数据的端点( e n d p o i n t ，e p ) 。由于u s b 是一个串行总线，所以设备端点实际上是一个用u s b 数据不断取空和填满的 f i f 0 。主机通过发送4 位地址和1 个方向位来选择端点。 从f x 2 的角度来看，端点就是一个充满了总线上接受或保持传输字节的缓 冲区。芯片从o u t 端点缓冲区读主机发出的数据，并且向玳端点缓冲区写要传 输给主机的数据口3 。 f x 2 包含了3 个6 4 字节的端点缓冲区，以及可定义为不同端点方式的4 k b 缓冲区空间。在所有配置中，3 个6 4 字节缓冲区是共用的，它们被设计成e p 0 、 e p l i n 和e p l o u t ，属于小端点。e p o 是默认的控制端点o ，是一个用于i n 和 o u t 数据的单6 4 字节缓冲区双向端点，用于传输主机对f x 2 的控制信息。e p l 可设置为块传输或中断传输。e p 2 、4 、6 、8 是大 端点，适用于高带宽的数据传输。它们能够配置 成各种不同的格式，从而适应带宽的要求。图2 6 从缓冲区角度展示了端点的各种配置方式，包括 双倍、三倍、四倍缓冲区的情况( 卜1 2 列表示1 2 种情况) 。大端点可供选择的配置如表2 1 所示。 + 特性选择一鞭翼 “，- 尊j 。妊锄缸；，么缓 方向i n 、o u t 类型批量、中断、同步 缓冲双、三、四 表2 1 人端点配置方式 中困医学科学院北京协和医学院硕f j 学位论义 冈i嘲i可闻i两 l_ 蕊冈i帮i网霄l r 蕊1l闻 r 网in 翮i蜀门虿1i 6 4li嘲5 4 ii 钳il 同 8 41 n 翮l n 硐 圜|圜 酉 凰 凰 i 圆 冒 i 凰 i 虱 酉 “ i i l l 固圈 圈 i f 圈 酉 j i 圈i圈 | i i 国 图 l 露 l豳 s ：i |ll o 。剖 _ 一 _ i 副 il 蕾_ 雪 圜圈 ；匡圈菡 i 圈 l 凰| |豳 il 镯0 lil 一 毖盔臻露 l 。 2 。3 4 。 5 。67： 8 ： 9 l o ：1 ： 2 2 2 3 端口 图2 6 端点配置方式 f x 2 有多达5 个8 引脚双向i o 端口，分别记作a 、b 、c 、d 和e 。1 0 0 和 1 2 8 引脚封装的f x 2 提供全部5 个端口，而5 6 引脚封装的f x 2 只提供端口a 、 b 和d 。i o 引脚可设置为通用i o 接口，也可设置为交替功能( a l t e m a t e 如n c t i o n s ) ( 如g p i f 地址和数据、f i f o 数据及定时器等) ，这些交替功能由各 种不同的配置寄存器来选择。 1 端口a 的交替功能 其交替功能是通过3 个寄存器中的对应位来选择的，如表2 2 所示。端口a 的交替功能配置如表2 3 所示。 辫撼辅艄协娩引泌 p o r l m f g f l g ds l c s ， 0o0稚 盯l蚋 翻e o 耽o 憾f g 各 ：t 撬懿c? 0 昭翰惯 # c 0 牲( 蛭 ；f c l k ! 镪一 a 冬、，既0 s 翰难并f g f c f 釉 强e o ， 辅粼e 嫡c s 幽t 兹憾j辆射2 溉辅& 廖麓0n 灌辫 锕u 2 翻w ；l ：n 垂正5 8 2 表2 2 用于配置端口a 的寄存器表 1 4 中固仄学科学院北京协和医学院硕l ：学位论文 争o r t a p h 轴e n 躺啦 款磅m 抛f u n 棚 f u n c b o 西s d 俐埔耐8 扎 双ol n t 0p o r t a c f 6 0 = 1 陬l n t ，p o r t c f & = 黼上 s l o el f c f g l d = 1 姚3 w u 2 j 喇2 e n = p a 。| if i f o a d r oj f c f g l m = 1 1 p k f i f o a d r l f c f g ，? o = 和a ep k t e n 0；f c f g ：e = 1 1 享l a g d 2 p o 盯r a c f & 7 = 粉7 s l c s 耋 p o r t c f g 6 = 嗣d f e f g ：e = 表2 3 端口a 的交替功能 2 端口b 和d 的交替功能 当i f c f g l = 1 时，端口b 的8 个引脚都被配置为交替功能( f i f o 数据 7 0 ) 在此基础上，当任意f i f 0 被设置为1 6 位模式( 通过e p x f i f o c f g 寄存器的 w o r d w i d e 位进行配置) ，则d 端口的8 个引脚被配置为补充配置( f i f o 数 据1 5 ：8 ) ，如表2 4 和2 5 所示。 囊知e 玎w 妇a l t 詹n k l l ef t l n c 妇o n ： 乒鳅8 嘲 ： f “n c 酾n i 蓦s e k 穗戡l 转弘 p b 7 ：o f 0 f 7 ：磁 f c f 0 = 1 表2 4 端口b 的交替功能 o “ p 0 r 圣d p 弧a l t j e m a l 溶 托e n k l l ef u n i 嘲l 订 f u n c 6 饼i i 5 s e 珏哆e d 卿i l p d 7 刀 f 磁1 5 ：8 j l f e f g l = ，a n d a r 可v v o r d w l 0 b 魄= 2 2 4 加载方式 表2 5 端口d 的交替功能 一、枚举与重枚举 打开计算机，将u s