（控制科学与工程专业论文）基于usb的图像采集系统的研究与设计.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：烈盔焦e l 期：垫垡：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部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或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 代铉伟导师( 签名) 力i 咨 嗍q , e l 占。7 摘要 众所周知，图像技术的基础是图像，而图像的获取离不开图像采集设备。 图像采集设备不但决定了图像的质量，而且影响着图像数据的采集和传输速度。 随着图像技术应用的深入，人们对图像采集设备提出了更高的要求。传统的板 卡式图像采集设备已经不能满足如今的图像采集需求。近来诞生的u s b 图像采 集设备虽然解决了板卡式采集设备的部分问题，但受限于设备自身软硬件，采 集速度也不甚理想。 本文针对高速图像采集的实际需求，设计了一种新型的基于u s b 的图像采 集系统。该系统主要由图像传感器、u s b 芯片和可编程逻辑器件组成，其中图 像传感器实现图像信号的光电转换，可编程逻辑器件实现图像数据的前端采集， u s b 芯片实现计算机与采集设备之间的数据传输。由于可编程逻辑器件的引入， u s b 芯片可以从繁重的采集和传输任务中解脱出来，设备的采集和传输速度得 以提高。此外，为了进一步提高其速度，本文还对图像采集系统的软件部分进 行优化处理。 与硬件设计比较而言，图像采集系统的软件设计难度更大，主要包括可编 程逻辑器件程序设计和固件程序设计。由于可编程逻辑器件需要与u s b 芯片以 及图像传感器实现数据的无缝传输，因而其程序的时序及其重要。为了进一步 提高可编程逻辑器件的数据吞吐速度，本文在可编程逻辑器件内部设计了f i f o 数据缓冲区，这也进一步加大了程序设计的复杂性。虽然图像采集设备的固件 程序是在c y p r e s s 公司提供的固件框架基础上实现的，但其框架内部的函数却并 不相同。为了得到高效、简洁的程序，怎样优化固件程序成为设计过程中的难 点之一。 实践证明，本文设计的基于u s b 的图像采集系统能够满足当前高速的图像 采集和数据传输要求。 关键字：图像采集，u s b 2 0 ，f i f 0 数据缓冲，固件程序优化 a b s t r a c t a se v e r y o n ek n o w s ，i m a g ei st h eb a s i so fi m a g et e c h n o l o g y , w h i l et h ep r o c e d u r e o fi m a g ea c q u i s i t i o nc a l ln o tb ed i s s o c i a t e dw i t h t h ed e v i c eo fi m a g ea c q u i s i t i o n n o t o n l yt h eq u a l i t yo fi m a g e ，b u ta l s ot h es p e e do fa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n a r e d e c i d e db yt h e d e v i c eo fi m a g ea c q u i s i t i o n w i t hf u r t h e ra p p l i c a t i o no fi m a g e t e c h n o l o g y , p e o p l eb r i n gf o r w a r dh i g h e rr e q u e s t sf o rt h ed e v i c eo fi m a g e a c q u i s i t i o n t h et r a d i t i o n a lc a r d t y p ed e v i c ec a l ln o tm e e tt h en e e d so fm o d e r ni m a g ea c q u i s i t i o n a l t h o u g hs o m ep r o b l e mc a n b es o l v e db yt h er e c e n td e v i c eb a s e do nu s b ，t h es p e e d o fa c q u i s i t i o ni sn o ti d e a lb e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fb a n d w i d t hf o ru s b b u sa n dt h e d e f e c t si nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d so fh i g h s p e e di m a g ea c q u i s i t i o n ，t h ei m p r o v e d i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nu s b i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h i ss y s t e mi s c o m p o s e do fc m o si m a g es e n s o r , u s bc h i p ，f p g a i nt h i ss y s t e m ，p h o t o v o l t a i c c o n v e r s i o ni sf u l f i l l e di ni m a g es e n s o r t h ef r o n t e n di m a g ed a t a i sa c q u k e db y f p g a t h ed a t ab e t w e e nc o m p u t e ra n dt h ed e v i c eo fi m a g ea c q u i s i t i o ni sf u l f i l l e di n u s bc h i p t h eu s bc h i pc a nb ed i s e n g a g e df r o mt h eh e a v yt a s ko fd a t aa c q u i s i t i o n a n dt r a n s m i s s i o nw i t ht h ei m p l i c a t i o no ff p g a i ti m p r o v e st h es p e e do fa c q u i s i t i o n a n d 仃a 1 1 s m i s s i o n a tt h es a m et i m e ，t h es o f t w a r ef o rt h ed e v i c eo fi m a g ea c q u i s i t i o n i so p t i m i z e dt og e th i g h e rs p e e d c o m p a r e dw i t ht h ed e s i g no fh a r d w a r e ，t h ed e s i g no fs o f t w a r ei sm o r e d i f f i c u l t i ti n c l u d e st h ed e s i g no ff i r m w a r ep r o g r a ma n df p g ap r o g r a m t h es e q u e n c eo f s o f t w a r ei sv e r yc r i t i c a li nt h er e a l i z a t i o no ft h ed a t at r a n s m i s s i o na m o n g t h ef p a g u s bc h i pa n di m a g es e n o lt h ef i f ob u f f e rf o rd a t ai sd e s i g n e di n f p g a i t i m p r o v e st h es p e e do fd a t ap r o c e s s m e a n w h i l ei t i n c r e a s e st h ec o m p l e x i t yo ft h e s o f l w a r e a l t h o u g ht h ef i r m w a r eo fi m a g ea c q u i s i t i o nd e v i c ei sp r o v i d e db yc y p r e s s ， f u n c t i o n so ft h ef i r m w a r ea r ed i f f e r e n t c o n s i d e r i n gt h ee f f i c i e n c ya n dc o n c i s i o no f p r o g r a m ，h o wt oo p t i m i z et h ef i r m w a r eb e c o m e s o n eo ft h ed i f f i c u l t i e s p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a tt h i sd e s i g no fd e v i c ei m a g ea c q u i s i t i o nb a s e d o nu s b c a nm e e t st h en e e d so fc u r r e n th i g h s p e e di m a g ea c q u i s i t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：i m a g ea c q u i s i t i o n ，u s b 2 0 ，f i f ob u f f e rf o r d a t a , f i r m w a r eo p t i m i z a t i o n 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 2 研究现状及发展趋势2 1 3 课题研究的内容及论文主要工作3 1 4 论文章节说明。4 第2 章总体设计及核心器件选型5 2 1 总体设计思想一5 2 2u s b 概述5 2 2 1u s b 的发展5 2 2 2u s b 的特点6 2 2 3u s b 的结构7 2 2 4u s b 设备的描述符8 2 2 5u s b 设备请求一：8 2 2 6u s b 的数据传输9 2 2 7u s b 设备枚举10 2 2 8u s b 设备的开发流程10 2 3 图像传感器介绍1 l 2 4 可编程逻辑器件介绍1 3 2 5 核心器件选型1 6 2 5 1 图像传感器选型16 2 5 2 可编程逻辑器件选型18 2 5 3u s b 芯片选型2 0 2 6e z u s bf x 2 l p 芯片2 2 2 6 1e z u s bf x 2 l p 概j 苤。2 2 2 6 2e z u s bf x 2 l p 结构2 3 2 6 3e z u s bf x 2 l p 特点。2 4 2 6 4e z u s bf x 2 l p 接口模式。2 5 2 6 5e z u s bf x 2 l p 端点缓冲区2 5 2 6 6 启动模式及固件加载方式2 6 第3 章硬件设计与实现2 8 3 1 硬件电路设计环境介绍2 8 3 2 图像采集电路设计2 9 3 3 数据传输电路设计3 0 3 4 电源电路设计3 2 3 5f p g a 外围电路设计3 3 3 66 8 0 1 3 a 外围电路设计3 5 i i i 第4 章软件设计与实现3 6 4 1f p g a 程序设计3 6 4 1 1f p g a 设计环境介绍3 7 4 1 2f p g a 设计流程3 7 4 1 - 3 数据采集模块设计3 9 4 1 4f i f o 模块设计4 2 4 1 5 写数据模块设计4 3 4 2u s b 固件程序设计4 5 4 2 1 固件设计环境介绍4 5 4 2 2 固件基本框架一4 5 4 2 3 固件函数4 8 4 2 4 固件描述符。4 9 4 2 5 固件程序实现4 9 4 2 6 固件下载5 4 第5 章总结与展望5 5 5 1 全文总结5 5 5 2 工作展望5 6 参考文献5 7 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文6 0 翌谢6l i v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 图像是信息表达的绝好形式，其直观性是其它表达方式无法比拟的。俗话 说，“百闻不如一见 ，这句话就反映了视觉图像在人们日常生活中的重要地位l l j 。 研究表明，人类获取的绝大部分信息来自图像1 2 j 。 随着计算机技术的不断发展，一门与图像紧密相关的学科图像技术随 之诞生。图像技术主要包括图像采集和图像处理。图像采集是指用图像采集设 备对图像数据进行记录或存储，而图像处理是指对图像进行编码、复原、分割、 增强、分析等【2 】。目前，图像技术已经广泛应用于航空航天、科学研究、医疗卫 生、公共安全等各领域。 众所周知，图像采集是图像处理的基础。如果没有采集设备提供的图像， 后期的图像处理只是空中楼阁。可见，图像采集技术的发展水平直接影响到图 像技术的进步。近年来，由于传感器技术和现场总线技术发展缓慢，与其息息 相关的图像采集技术及图像采集设备并未取得革命性突破，但这并不能阻止信 息化的浪潮汹涌而来。在多媒体尚未盛行的时代，大部分图像质量不高。随着 科学技术的进步和生活水平的提高，人们对图像提出了更高的要求。模糊的图 像早已不能满足视觉需求，高质量的清晰图像成为不可逆转的趋势。图像质量 的提高意味着图像数据量的大幅增长。一张分辨率为1 6 0 x 1 2 8 的1 6 位图像，其 数据量仅为4 0 k b y t e ；而一张分辨率为1 2 8 0 x 1 0 2 4 的1 6 位图像，其数据量高达 2 5 m b y t e 。如此高的数据量对图像采集设备提出了新的挑战。 传统的图像采集设备以板卡式采集设备为主，其典型代表有i s a 图像采集 卡和p c i 图像采集卡。i s a 采集卡受限于i s a 总线的传输速度，目前已经随着 i s a 总线的淘汰而退出市场。p c i 图像采集卡的带宽虽然能够满足图像采集的速 度要求，但由于p c i 插槽一般内置于电脑主板上，插拔不方便，通常用于机器 视觉等专业领域。通用串行总线( u s b ) 的诞生为图像采集提供了一种新的思路。 在u s b 总线诞生不久，采用u s b 总线的图像采集设备随即问世。早期的u s b 图像采集设备大多基于u s b l 0 和u s b l 1 协议规范。由于u s b l 0 和u s b l 1 协 议仅支持u s b 低速和全速模式，其速度已经不能满足如今的图像采集和传输要 武汉理工大学硕士学位论文 求。随着u s b 技术的发展，u s b 总线进入2 0 时代。u s b 2 0 的理论速度高达 4 8 0 m b p s ，基本能够满足目前的图像采集和传输要求。由于图像采集设备的发展 总是滞后于总线技术的发展，在速度更快的总线尚未大规模应用前，怎样进一 步提高设备的采集速度呢? 发掘图像采集设备自身的潜力或许是一个不错的方 法。研究表明，目前市场上大多数u s b 图像采集设备均采用u s b 芯片直接采集 模式。在该模式下，u s b 芯片在完成图像数据采集的同时还需要实现数据传输， 高速采集和高速传输显然无法同时实现。此外，部分公司为了缩短产品开发周 期，u s b 芯片直接采用u s b 厂商自带的固件程序。由于上述固件程序并未考虑 到芯片的实际应用环境，许多冗余函数使得u s b 芯片以及图像采集设备的速度 无法提高。鉴于此，本文在深入研究当前图像采集设备的基础上，提出一种新 型的基于u s b 的图像采集系统。 1 2 研究现状及发展趋势 伴随着胶片时代徐徐落下的帷幕，图像传感器为图像采集技术翻开了新篇 章。随着半导体制造工艺的成熟，图像传感器单位面积能够承载的像素信息越 来越多，传感器的像素水平也由几年前的几十万级跃升至如今的千万级。图像 传感器像素的上升直接导致图像采集过程中数据量爆炸式地增长，如此大的数 据量必然要求速度更快的图像采集设备。目前，国内少数机器视觉公司已经推 出速度更快的基于u s b 3 0 的图像采集设备。可以预见，高速将成为图像采集设 备的发展趋势之一。 由于图像采集设备采集到图像数据必须传输给计算机才能作进一步处理， 在许多比较复杂的图形图像应用领域，工业计算机有时无法实现图像的实时计 算。在这一背景下，图像视觉行业有实力的公司开始在图像采集设备中集成图 像分析、图像处理等功能。这种方式既摆脱了计算机对图像采集设备的束缚， 又提高了图像信号处理的实时性，降低了系统对资源的要求。目前，国内图像 视觉行业的领导者大恒图像视觉有限公司已经将这种技术应用于印刷质量检测 领域。 随着图像技术的进步，图像采集设备的应用环境日趋复杂。最近，武汉市 公安局与湖北联通签订“武汉市城市视频监控系统项目 。湖北联通公司将对武 汉市主要进出道口和主干道以及千余个交叉路口实施“平安城市 治安视频监 控系统建设。该系统依托湖北联通w c d m a 的网络和终端优势，警务人员在办 2 武汉理工大学硕士学位论文 公室即可实现社会治安的全方位监控。为了实现监控画面的及时切换，联通公 司还对监控系统实施了智能化处理。据悉，监控系统能够根据画面的变化与否 实现智能切换。这一举措不仅提高了监控效率，而且减少了不必要的图像信息。 该视频监控系统能够实现对社会治安的全时空、全方位防控，确保在第一时间 获取情报信息，第一时间准确打击犯罪活动，最大限度的维护国家安全和社会 安宁，为营造和谐社会提供了有力的技术支持。面对城市视频监控系统这样复 杂的应用，单一的图像采集设备显然已经不能满足全局图像采集要求，多个采 集设备通过网络协同工作成为唯一的选择。借助网络的东风，图像采集设备必 将迎来革命性的突破。 总之，随着电子信息技术、现场总线技术和互联网技术的发展，高速、集 成化、网络化将成为图像采集设备发展的必然趋势。 1 3 课题研究的内容及论文主要工作 本课题主要从事图像采集方向的研究。课题在分析现有图像采集设备发展 状况的基础上，结合u s b 总线的优点，提出一种新型的基于u s b 的图像采集系 统。该系统具有图像采集速度快、价格便宜、便携灵活等优点。围绕着上述课 题，本论文展开了如下工作： ( 1 ) 提出图像采集的研究背景，分析图像采集设备的研究现状及发展趋势， 针对图像采集设备目前的缺陷提出以u s b 芯片、可编程逻辑器件和图像传感器 为核心的新方案； ( 2 ) 介绍图像采集设备应用的关键技术，并根据实际需求选择合适的u s b 芯片、可编程逻辑器件以及图像传感器； ( 3 ) 利用p r o t e l 完成图像采集设备硬件电路设计，主要包括图像采集电路设 计、数据传输电路设计以及电源电路设计； ( 4 ) 利用k e i l 和q u a r t u si i 完成f p g a 程序设计和u s b 固件程序设计，其总 f p g a 程序包括数据采集模块、f i f o 模块以及写数据模块； 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文章节说明 针对本论文研究内容，具体的章节安排如下： 第一章，绪论。本章介绍了图像采集系统的选题背景，分析了图像采集技 术的研究现状及发展趋势。 第二章，总体设计及核心器件选型。本章首先介绍了课题的总体设计方案， 然后对方案中应用的关键技术进行说明，最后根据上述方案完成核心器件的选 型。 第三章，硬件设计与实现。本章介绍了图像采集系统硬件电路的设计及其 具体实现过程。 第四章，软件设计与实现。本章介绍了图像采集系统f p g a 程序和u s b 芯 片固件程序设计及其具体实现过程。 第五章，总结与展望。本章对全文进行总结，分析图像采集系统的不足之 处，对下一步工作进行展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章总体设计及核心器件选型 2 1 总体设计思想 目前，基于i s a 总线的图像采集设备由于速度慢，早己被市场淘汰。基于 p c i 总线的图像采集设备虽然速度较快，但由于使用繁琐，也不能满足用户的灵 活性要求。u s b 总线的问世为解决上述问题提供了一种新的思路。u s b 总线具 有速度快，支持热插拔等优点，如果图像采集设备以主流的u s b 2 0 总线为核心， 速度和灵活性将得到兼顾。基于此思路，本文提出以u s b 2 0 总线为核心的图像 采集系统。鉴于目前大部分u s b 芯片无法同时支持数据的高速传输和高速采集， 本文在u s b 芯片和图像传感器中间加入可编程逻辑器件。可编程逻辑器件成功 地将u s b 芯片从繁重的数据采集任务中解放出来，u s b 芯片专注于数据传输， 图像采集设备的速度因而得到大幅提升。图像采集设备的整体框图如图2 1 所 示。 图2 1 系统整体框图 图像采集系统工作时，用户通过上层的计算机应用程序发送图像采集指令， 底层的u s b 芯片收到采集指令后启动图像传感器记录图像数据。可编程逻辑器 件采集图像传感器输出的图像数据并通过u s b 芯片传输给计算机，图像最后通 过计算机的应用程序显示。为了简化图像采集系统的工作流程，系统中图像传 感器直接由u s b 芯片控制，可编程逻辑器件仅实现数据采集与传输功能。 2 2u s b 概述 2 2 1u s b 的发展 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是通用串行总线的简称。早期的计算机接口由于 武汉理工大学硕士学位论文 存在着各种各样的缺陷，已经严重制约了计算机的发展。为了解决这一问题， c o m p a q 、n e c 、i n t e l 、m i c r o s o t t 等七家公司于1 9 9 4 年联合提出u s b 协议j 。 u s b 简化了计算机与外围设备的连接，在问世不久即凭借其自身优势成为计算 机的主流接口之一。目前，u s b 协议有四个版本：u s b l 0 、u s b l 1 、u s b 2 0 、 u s b 3 0 。u s b l 0 和u s b l 1 版本只支持1 5 m b s 的低速模式和1 2 m b s 的全速模 式，u s b 2 0 版本支持4 8 0 m b s 的高速模式。目前，已经逐步推向市场的u s b 3 0 产品传输速率最高可达5 g b s 。随着大容量数据传输的兴起，u s b 协议也将不断 更新其版本以适应高速数据传输的要求。 2 2 2u s b 的特点 u s b 的出现是计算机接口技术的一次重大飞跃，它克服了传统计算机接口 的种种缺陷，具有如下新特点。 ( 1 ) 热插拔。用户可以根据自己的需要随时连接或断开u s b 设备，操作系 统能自动扫描到系统硬件的变更，并启动或停止该设备的资源。 ( 2 ) 即插即用。当u s b 设备初次连接到u s b 主机时，主机能够自动识别设 备，并根据设备特征加载相应的驱动程序；当u s b 设备再次连接到u s b 主机时， 系统无需重新加载驱动程序即可正常工作。 ( 3 ) 共享式接口。u s b 总线的拓扑结构允许一个u s b 主控制器连接多个 u s b 外围设备和集线器，而多个外围设备又可以通过u s b 集线器连接到同一个 u s b 接口【引。 ( 4 ) 节省系统资源。u s b 系统中外围设备不需要单独的地址资源，其地址通 过u s b 主控制器获得。所有的外围设备共享主控制器的中断资源。 ( 5 ) 独立供电。u s b 2 0 协议规定总线提供的最大电压为5 v ，最大电流为 5 0 0 m a 。对于电流要求不高的外部设备可以直接通过总线提供的电源工作，而 而对于电流要求较高的外部设备需外接电源才能正常工作。 ( 6 ) 良好的兼容性。u s b 协议至今已经有四个版本，每一个高级版本都能向 下兼容低级版本。 ( 7 ) 体积小巧。与r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、p c i 等传统计算机接口相比，u s b 体积 优势明显。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3u s b 的结构 u s b 系统采用常见的主从结构，系统一般由u s b 主机( h o s t ) 和u s b 设备 ( d e v i c e ) 构成。u s b 主机在u s b 系统中是独一无二的，其内部一般集成了一个 或多个负责数据传输的主控制器。在数据传输过程中，u s b 主机处于主导地位， u s b 设备只能被动地响应u s b 主机的各种请求。计算机是最常见的u s b 主机。 u s b 设备按功能不同通常可分为u s b 功能设备和u s b 集线器( u s bh u b ) 【删。其中，u s b 功能设备负责完成设备的特定功能；u s b 集线器负责扩展主机 的u s b 接口，它最多可以实现5 级级联。日常生活中常见的u 盘、鼠标等都属 于u s b 功能设备。 u s b 系统中u s b 主机、集线器、u s b 功能设备按照一定的规则相连，其具 体连接方式如下图2 2 所示。 图2 2u s b 拓扑结构 如上图所示，u s b 主机位于系统的最上层，u s b 集线器和u s b 功能设备位 于系统的下层。上层的u s b 集线器将一个u s b 接口扩展成多个u s b 接口，而 扩展出的u s b 接口又可以通过u s b 集线器扩展出更多的u s b 接口。但是u s b 7 武汉理工大学硕士学位论文 集线器使用的层数并不是无限的，u s b l 1 协议规定u s b 集线器使用上限为4 层，u s b 2 0 协议规定u s b 集线器使用上限为6 层。u s b 数据包中的7 位地址 决定一个u s b 主机最多可以连接1 2 7 个设备，设备地址范围为o 1 2 7 ，但由于 地址0 是保留给未初始化的设备使用的，因此一个u s b 主机最多只能连接1 2 6 个设备【l0 1 。数据传输过程中，u s b 主控制器发出数据，数据通过层层集线器最 终达到u s b 设备，u s b 设备根据实际情况响应并将数据通过层层集线器发送给 u s b 主控制器。 2 2 4u s b 设备的描述符 每个居民都有自己的身份证，u s b 设备也有自己唯一的身份证描述符。 描述符包含u s b 设备的设备类型、厂商信息、版本号等信息。由于不同版本协 议引用的描述符不尽相同，本文仅介绍几种主要的描述符。 ( 1 ) 设备描述符。设备描述符记录u s b 设备的协议版本号、端点0 的最大 包大小、p i d 、v i d 、d i d 等信息。 ( 2 ) 配置描述符。配置描述符记录u s b 设备的配置信息，一个u s b 设备可 以有一种或多种配置方式，但每种配置方式和唯一的配置描述符对应【9 】。 ( 3 ) 接1 2 描述符。接v i 描述符记录接口的编号、接e l 的端点数目、子类等信 息。 ( 4 ) 端点描述符。端点描述符记录端点的编号、数据传输类型、数据传输方 向等信息。 ( 5 ) 字符串描述符。字符串描述符记录产品厂商、产品编号等信息。 u s b 设备的本质是配置、接口及端点的组合。u s b 设备可以有多种配置方 式，但同一时刻只有一种配置方式有效。每种配置方式可以包含多个接口，而 每个接口又可以包含多个端点。同一个端点不能出现在同一配置的不同接口中， 但可以出现在同一设备的不同配置中。鉴于此，u s b 设备描述符之间的关系也 是是层层递进的，u s b 主机按照从上到下的顺序依次获取设备、配置、接口、 端点以及字符串描述符等信息【lo 】。 2 2 5u s b 设备请求 u s b 设备连接到u s b 主机后，u s b 主机利用u s b 设备请求获取相应的描 述符，并通过对描述符的识别加载相应的驱动程序。此外，u s b 主机还能通过 8 武汉理工大学硕士学位论文 u s b 设备请求对u s b 设备进行配置。标准的u s b 设备请求包括g e t s t a t u s 、 c l e a r f e a t u r e ，s e t f e a t u r e ，s e t a d d r e s s ，g e t d e s c r i p t i o n ，s e t d e s c r i p t i o n ， g e t c o n f i g u r a t i o n ，s e t c o n f i g u r a t i o n ，g e t i n t e r f a c e ，s e t i n t e r f a c e ，s y n c h f r a m e 。 2 2 6u s b 的数据传输 u s b 总线是一个数据通路，当u s b 设备连接到u s b 主机后，就可以通过 u s b 总线与u s b 主机进行数据交互。u s b 协议规定，u s b 数据由包组成，而 各种包组成u s b 事务处理。u s b 事务处理是u s b 总线上数据传输的基本单位。 一个完整的u s b 事务处理一般包括令牌阶段、数据阶段和握手阶段三部分，各 阶段的说明如下所示： ( 1 ) 令牌阶段。令牌阶段决定了本次传输的传输类型，它标志着传输过程进 入u s b 事务处理阶段。令牌阶段通常由同步字段、令牌包及e o p 包组成。令牌 包可分为o u t 、i n 、s e t u p 、s o f 、p r e 、s p l i t 、p i n g 七种。 ( 2 ) 数据阶段。数据阶段是传输的主体，它包含了u s b 传输的数据对象。 数据阶段通常由同步字段、数据包及e o p 包组成【9 1 。数据包可分为d a t a 0 、 d a t a l 、d a 队2 、m d a t a 四种。其中d a t a 2 和m d a t a 仅出现在u s b 2 0 协 议中。 ( 3 ) 握手阶段。握手阶段标志着数据的接收数据成功。握手阶段通常由同步 字段、握手包及e o p 包组成。握手包可分为a c k 、n a k 、s 1 a l l 、n y e t 、e r r 五种。其中n y e t 仅出现在u s b 2 0 协议中。 u s b 协议规定了四种不同的传输类型：控制传输、同步传输、批量传输、 中断传输。其中，同步传输、批量传输和中断传输每传输一次数据都是一个事 务；而控制传输的建立过程和状态过程分别是一个事务，数据过程则可能包含 多个事务。下面分别介绍四种不同的传输类型： ( 1 ) 控制传输。控制传输分为建立过程、数据过程和状态过程。其中数据过 程是可选的，即控制传输的数据过程可有可无。控制传输主要用于配置u s b 设 备，传输设备描述符等配置信息。鉴于控制传输的重要性，u s b 协议采用了最 严格的方式保证控制传输过程中数据的完整性。 ( 2 ) 中断传输。中断传输是一种保证查询频率的传输。中断端点在端点描述 符中报告自身的查询间隔时间，u s b 主机在这个查询间隔时间内安排一次传输。 中断传输适用于传输量不大，对时间要求严格的数据【l 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 批量传输。批量传输过程中，如果遇到总线带宽紧张，系统会自动让出 带宽。因此，批量传输是一种突发形式的传输，适用于对时间要求不严格的数 据。 ( 4 ) 同步传输。由于同步传输中并没有采用差错控制，因此同步传输仅适用 于传输量大，对实时性要求高的数据。 2 2 7u s b 设备枚举 u s b 主机按照一定的时间间隔轮回查询各u s b 端口状态，当u s b 设备连 接到u s b 主机时，u s b 端口就会产生电压差，主机默认有新的设备接入。此时， 主机并不清楚新接入设备的类型，无法加载相应的驱动。为了解决这一问题， u s b 协议提出设备枚举这一概念。设备枚举实现u s b 设备识别，其过程主要包 括下面几个步骤： ( 1 ) 当u s b 主机查询到有新的u s b 设备接入时，先对新接入的设备进行复 位。复位后，主机分配默认地址o 给该设备。随后，u s b 主机就可以通过地址0 与设备通信，获得该设备的设备描述符。 ( 2 ) 主机收到设备描述符后，对设备再次复位，进入地址设置阶段。此过程 中，主机分配一个新的地址给设备。 ( 3 ) 主机通过新分配的地址再次获得设备描述符。由于主机通过地址0 获得 的设备描述符不完整，只有前8 个字节，此次主机将获得完整的设备描述符。 ( 4 ) 主机依次获取描述符集合，包括配置描述符、接口描述符等，枚举完成。 设备枚举过程完成后，u s b 主机和设备就可以通过新建的数据通道进行正 常的数据交互。 2 2 8u s b 设备的开发流程 u s b 的开发主要包括u s b 主控制器的开发、u s b 集线器的开发和u s b 功 能设备的开发。本文仅介绍u s b 功能设备的开发，其具体的开发流程如下图2 3 所示。 面对一个项目时，我们首先应该对项目进行详尽的分析，了解项目的实际 要求，包括项目实现的功能、采用设备的类型等。根据项目的要求，确定实现 方案，选取合适的u s b 芯片。在芯片选型时，尽量采用自己熟悉的芯片，详细 比较各个芯片的性能。芯片选型结束后，设计系统的硬件电路和系统软件程序。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 u s b 系统的软件程序主要包括u s b 芯片的固件程序、驱动程序和应用程序。u s b 系统工作时，应用程序通过驱动程序和固件程序才能和u s b 功能设备实现数据 交互。在设计完成后，需要对系统进行综合调试，直至系统性能达到项目要求。 图2 3u s b 设备的开发流程图 2 3 图像传感器介绍 在自然光源或人造光源作用下，物体会在平面空间形成二维的光强分部， 即光学图像。能够将光学图像的光信号转换成电信号的传感器称为图像传感器。 根据图像的分解方式不同图像传感器可分为光机扫描式、电子束扫描式以及固 体自扫描式传感器1 3 j 。电子束扫描式和光机扫描式图像传感器由于自身缺陷已经 逐渐退出历史舞台。目前，固体自扫描式图像传感器已经占据了图像传感器大 部分市场份额。 上世纪6 0 年代末，美国贝尔实验室的科学家w i l l a r ds b o y l e 和g e o r g ee s m i t h 发明了c c d 图像传感器，这标志着固态图像传感器的诞生。c c d 图像传 感器主要有面阵型和线阵型，前者主要应用于摄像机和数码相机，后者主要应 用于扫描仪和传真机。7 0 年代初，另外一种固态图像传感器m o s 图像传 感器问世，但光照灵敏度低、噪声高等缺点限制了它的发展。随着c m o s 制造 工艺水平的提高及消费电子市场的强劲需求，c m o s 图像传感器凭借自身低功 武汉理工大学硕士学位论文 耗的优势成为了市场的宠儿。 虽然c c d 和c m o s 图像传感器的光电转换原理相似，但两者之间仍存在较 大差异，具体差异如下所述： ( 1 ) 数据传输过程。如图2 4 所示，c c d 图像传感器象素中的电荷信号首先 需要传输给邻近的象素，然后由每一行最底端的象素逐一输出。电荷信号最终 只能通过图像传感器边缘的放大器放大；而c m o s 图像传感器中的每一个象素 的电荷信号可以直接通过邻近的放大器放大输出。不同的制造工艺导致两者数 据传输过程不同。c c d 图像传感器的特殊制造工艺可以保证数据在传输过程中 不会失真，因而各个象素的电荷信号可以集中后再放大；而c m o s 工艺的图像 传感器在传输距离较远的数据时会产生噪声，这使得电荷信号必须先放大后整 厶【5 】 口。 画画旺拶叵弘叵弘 叵州巨叫i 叵州 叵h 巨h 叵叫 胁 腓腓 【一i 一 一 r cmos御 图2 4c c d 与c m o s 区别 ( 2 ) 灵敏度。c m o s 图像传感器的象素单元均由若干个晶体管和感光二极管 组成。在传感器尺寸相等的情况下，c m o s 图像传感器能够实现光电转换的面 积较小，灵敏度显然不及c c d 图像传感器。 ( 3 ) 分辨率。由于内部结构的原因，c m o s 图像传感器的分辨率不及c c d 图像传感器。 ( 4 ) 成像速度。c c d 图像传感器采用象素接力的方式传输电荷信号，外部设 备只能通过串行方式读取电荷信号。c m o s 图像传感器可以通过并行方式读取 电荷信号，成像速度优于c c d 图像传感器。 ( 5 ) 噪声。在感光二极管数量相同的情况下，c m o s 图像传感器所需放大器 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 数量远远多于c c d 图像传感器。放大器属于模拟电路，多个放大器的信号累加 时不可避免地引入噪声，从而影响图像质量。 ( 6 ) 功耗。c m o s 图像传感器采用主动方式进行图像数据采集，工作时电压 要求不高；而c c d 图像传感器采用被动方式进行图像数据采集，工作时需要较 高的驱动电压，这使得其功耗超过c m o s 图像传感器。 ( 7 ) 成本。c c d 图像传感器由于采用象素接力的方式传输电荷信号，一个象 素单元的好坏将决定- - y u 数据是否能完整传输。因此，制造的成品率不高，这 也是c c d 图像传感器的成本高居不下的原因之一。c m o s 图像传感器采用成熟 的c m o s 工艺，传感器内部可以方便的集成各种功能，节省大量外围电路成本， 产品的价格优势明显。 随着c m o s 和c c d 制造工艺的进步，两种图像传感器的性能差异逐渐减小。 用户可根据自己的实际需要选择合适的图像传感器。、 2 4 可编程逻辑器件介绍 随着电子技术的不断进步，数字集成电路已经从过去的电子管电路发展到 如今的专用集成电路( a s i c ) 。a s i c 虽然具有高可靠性、低成本等优点，但灵活 性差、设计周期长等不足却严重限制了其进一步发展【6 j 。传统的数字集成电路早 已不能满足硬件工程师灵活多变的设计需求。为了解决这一问题，可编程逻辑 器件应运而生。 最初的可编程逻辑器件结构简单，只能实现比较简单的数字逻辑功能。其 典型代表有：可编程只读存储器(