（电路与系统专业论文）usb20高速视频图像采集和处理系统的设计与实现.pdf

摘要 通用串行总线u s b 是一种新型的计算机通信标准，本文利用u s b 2 0 总线接口 高速高带宽的优点，丌发出基于u s b 2 0 接口的视频图像采集和处理系统，为运动 图像分析打一卜良好的基础。 本文根据开发需求，重点研究了u s b 2 0 协议规范和相关接口芯片，并详细探 讨了u s b 2 0 接口视频图像采集和处理系统的设计过程。包括系统硬件设计、固件 代码( f i r m w a r e ) 设计、p c 端应用程序以及视频图像处理算法研究和并行实现结 构设计。该系统主要利用u s b 2 0 总线作为传输通道，利用f p ( ；a 作为拧制器和剐 像处理器，实现了视频图像的高速传输和实时处理。 目前，该系统的传输速率可以达到2 8 帧秒，实现了图像的边缘枪洲和运：力 轮廓的提取等功能，有效解决了传统数据采集卡速度慢、处理功能简单的缺陷， 满足了实际需要。同时，由于f p g a 的使用，使得该系统有很好的可扩展性，可以 根据不同的需要进行现场编程。 关键词： u s b 2 0视频图像采集固件f p g a a b s t r n 弧 u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) i san e w s t y l ec o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d t h e p a p e ra i m s a td e v e l o p i n gv i d e oc a p t u r ea n dp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nu s b 20b yu s e o fi t s a d v a n t a g e so fh i g h - s p e e da n dh i 曲b a n d 谢d t h ，a n de s t a b l i s ht h ef o u n d a t i o no f m o t i o n a n a l y s i so fi m a g e a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t s o f d e v e l o p m e n t ，t h ep a p e ri n v e s t i g a t e s t h e s p e c i f i c a t i o no f u s b 2 0w i t he m p h a s i s a n dd e a l sw i t ht h ed e s i g no fv i d e oc a p t u r ea n d p r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nu s b 2 0 ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fh a r d w a r e ，f i r m w a r e ，p c a p p l i c a t i o n ，a n d t h e a l g o r i t h m so fi m a g ep r o c e s s i n ga n dr e a l i z a t i o na r c h i t e c t u r e i n p a r a l l e l t h es y s t e mm a k e su s eo fu s b 2 0 a st r a n s m i s s i o nc h a n n e l ，a n df p g aa s c o n t r o l l e ra n di m a g ep r o c e s s i n gu n i t ，a n dr e a l i z e st h eh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o na n d r e a l t i m ep r o c e s s i n go f t h e i m a g e a tp r e s e n t ，t h et r a n s m i s s i o ns p e e do ft h es y s t e mc a nr e a c h2 8f r a m e s ，a n di tc a n r e a l i z et h ef u n c t i o no f e d g ed e t e c t i o na n dm o v i n g c o n t o u re x t r a c t i o n ，e t c i ts o l v e st h e d r a w b a c k so fl o wc a p t u r es p e e da n ds i m p l ep r o c e s s i n gf u n c t i o n so ft r a d i t i o n a lc a p t u r e c a r de f f e c t i v e l ya n dm e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s a l s o ，w i t ht h eu s eo ff p g a ，i ti s v e r ye a s yf o rt h es y s t e m su p g r a d ea n de x t e n s i o na n d c a nb ep r o g r a m m e da c c o r d i n gt o d i 能r e n td e m a n d s k e y w o r d s ：u s b 2 0 v i d e oc a p t u r ef i r m w a r ef p g a 独创性( 或创新性) 声明 y 5 8 0 7 6 本文声明所呈交的论文是我个人在导师的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中所罗列的内容外，论文小包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所作 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名童1 聋日期：塑丝! 皇 关于论文使用授权的声明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存沦文f 保密论文解鬻后遵守 此规定) 。 本人签名 导师签名 n 期：塑竺! ：兰 h 期：丝! 丝! ：三一毅 第一市绪论 第一章绪论 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 晟大的部分。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茸要问题。 1 1 图像采集与处理系统发展现状 目前，各种基于接口卡、并口和o s b 口的图像采集设备己能在市场上买到。 接口卡式的一般是通过摄像头专用卡来实现，厂商多会针对摄像头优化或添 加视频捕获功能，图像画质和视频流的捕获方面具有较大的优势，但由于各厂商 的接口卡的设计各不相同，产品之间无法通用，价钱比较昂贵。 并口方式的适应性较强，每台机器都有并口，不过数掘传输率较慢，实用性 大为下降。 最新出现了采用u s l 3 接口摄像头的图像采集卡，极大地改善了图像质量损失 较大、成本高、不便于推，。等缺点。这类采集卡的突出优点是占j 汁算射i 资源少， 数据传输速率较高，通用性好，在一定程度上满足了实时性要求，突出了采样速 率高、图像质量高、通用性好的特点。但采用这种技术的图像采集卡必须具自址 缩处理，且处理功能简单，不能很好地满足特殊要求，往往还需要加上后续处理 部分。 1 2 u s b 2 0 总线的优越性 u s b 最早是由c o m p a q ( 康柏) 、d e c 、i b m 、i n t e l 、n e c 、微软以及n o r t h e r n t e l e c o m ( f l e 方电讯) 等公司于1 9 9 4 年1 1 月共同提出的。由于其速度快、设备安装 和配置容易、易于扩展以及使用灵活等特点得到了广泛的应用。现在牛产的p c 机 几乎都配备了u s l 3 接口，m i c r o s o f t 的w i n d o w s 9 8 、n t 以及m a c o s 、l i n u x 、f r e e b s d 等流行的操作系统都增加了对u s b 的支持。但是v 1 1 版的u s b ，主要是针对全速与 低速应用所制订，最高传输上限为1 2 l d b p s ，一个u s b 设备最多可以得到6 m b p s 的传 !u s b 2 0 高速视频图像采集和处理系统的设计与实现 输频宽，而无法将1 2 m b p s 全部供应给一个u s b 设备，而p c 机性能越来越高，能够 处理大量的数据。同时，p c 的外围设备加入了更多的功能。用户应用，例如数字 图像，需要把计算机和日益复杂的外围设备高性能的连接起来。j ：f 是在这种需求 下，滋生了支持高速传输速率的u s b 2 0 协议标准，通过在原有的u s b i 1 的基础 上添加了4 8 0 m b s 的传输类型满足了这一需求。 u s b2 0 将设备之间的数据传输速度增加到了4 8 0 m b p s ，使u s b 的速度大大提 高，具有多种速度的周边设备都可以被连接到u s b2 0 的线路上，而且无需担心 数据传输时发生瓶颈效应。u s b 2 0 兼容所有的u s b i 1 外部设备、线缆与连接件， 在高速的前提下一样保持了u s b l f1 的优秀特色，并且，u s b2 0 的设备不会和 u s b1 i 设备在共同使用的时候发生任何冲突。另外，在软件方面，w i n d o w s 是完 整的支持u s b1 1 ，对于u s b2 0 ，系统可以认出，而且能够正常工作，只是u s b2 0 并不能充分发挥其性能优势。 u s b 2 0 规范有以下主要特点： 1 ) 速度快接口的传输速度高达4 8 0 m b p s ，和u s b i 1 接口的1 2m b p s 传输速度 相比，相当于u s b i i 接口速度的4 0 倍，完全能满足需要大量数据交换的外 设的要求。 2 ) 连接简单快捷所有的u s b 外设利用通用的连接器可简单方便地连入计算机 中，安装过程高度自动化，既不必打开机箱插入插卡，也不必考虑资源分配， 更不用关掉计算机电源，即可实现热插拔。 3 ) 无须外接电源大家都知道，一些采用普通串口或并口设备比如打印机、扫 描仪等都需要相应的外接电源系统，而u s b 电源能向低压设备提供5 v 的电源， 因此新的设备就不需要专门的交流电源，从而降低了这些设备的成本并提高 了性价比。 4 ) 有不同的带宽和连接距离u s b 2 0 提供低速、全速和高速三种数据传送速度 规格。全速传送时，结点间连接距离为5 m ，连接使用4 芯电缆( 电源线2 条， 信号线2 条) 。该速率与标准的串行端口相比，大约快1 0 0 倍，与标准的并行 端口相比，也快近l o 倍。因此，u s b 能支持高速接口( 例如i s d n 、p r i 、t i 等) ， 使用户拥有足够的带宽供新的数字外设使用。 5 ) 支持多设备连接利用菊花链的形式对端口加以扩展，避免了p c 机上插槽 数量对扩充外设的限制，减少p c 机i o 接口数量。 6 ) 提供了对电话的两路数据支持u s b 可支持异步以及等时数据传输，使电话 可与p c 集成，共享语音邮件及其他特性。 7 ) 具有高保真音频由于u s b 音频信息生成于计算机外，因此减少了电子噪音 干扰声音质量的机会，从而使音频系统具有更高的保真度。 8 ) 良好的兼容性u s b 接口标准有良好的向下兼容性，以u s b2 0 和1 1 版本 第一章绪论 为例，2 0 版本就能很好地兼容以前的u s b1 1 的产品。系统在自动检测到 1 1 版本的接口类型时，会自动按照以前的1 2 m b p s 的速度进行传输，而其他 的采用2 0 版本的设备，并不会因为接入了一个1 1 标准的设备而减慢它们 的速度，它们还是能以2 0 标准所规定的速度进行传输。 u s b 2 0 是u s b l ，l 的自然演变，在保存了原有动机的同时，传送了期望得到的 带宽，而且保持了和原有外围设备的兼容性。u s b 2 0 是一种快速，双向，同步， 低价格，动态连接的串行接口可以满足p c 机平台现在和将来的需求。 根据u s b 2 0 规范特点，同时为了保证数据的高速传输，我们采用u s b 2 ，0 系 统总线作为整个系统与主机的连接是非常合适的，它不仅方便，成本低，而且具 有广泛的应用范围。 1 3 选题的目的及意义 现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高，在瞬态信号测量、视 频图像处理等一些高速、高精度的测量中，需要进行高速数据采集。现在通用的 高速数据采集卡一般多是p c i 卡或i s a 卡，存在以下缺点：安装麻烦；价格昂贵； 受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差。通用串行总线u s b 是为 解决传统总线不足而推广的一种新型的计算机通信标准，具有安装方便、高带宽、 易于扩展等优点，己逐渐成为现代数据传输的发展趋势。基于u s b 的高速数据采 集卡充分利用u s b 总线的上述优点，有效解决了传统高速数据采集卡的缺陷。 同时，由于实时视频信号处理对系统性能的要求极高，处理系统必须具有处 理大数据量的能力，以保证系统的实时性。其次对系统的体积、功耗、稳定性等 也有较严格的要求。实时视频信号处理算法中经常用到对图像的求和、求差运算， 二维梯度运算，图像分割及区域特征提取等不同层次、不同种类的处理。由于视 频信号处理算法的计算量很大，对处理速度要求很高，传统的处理器无法胜任，必 须研究适合视频信号处理的并行算法和与之相对应的处理器并行结构，来满足视 频信号处理对计算速度的要求。 本课题采用u s b 2 0 接口作为主机与图像采集与处理系统的传输通道，并且研 究了一定的视频信号处理算法及其并行实现结构，利用f p g a 对采集的图像进行 实时处理，实现了对运动图像的分析，视频信号的实时处理和传输。 1 4 论文的内容组织 通过分析和研究u s b 2 0 总线接口协议和c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 1 3 接口 一4u s b 2 0 高速视频图像采集和处理系统的设计与实现 控制芯片，作者提出了基于u s b 2 0 接口的图像采集和处理系统实现方案并进行了 u s b 2 0 接口控制单元和并行处理电路模块的v h d l 设计，并完成相应软件的设计。 论文共分以下几个部分： 第章：绪论，分析了目前图像采集与处理系统的发展状况，介绍了u s b 2 0 总线规范的优越性以及立题的意义。 第二章：u s b 2 0 协议规范概述，在分析u s b 2 0 总线协议的基础上，介绍了 u s b 2 0 总线的电气特性、体系结构和数据传输方式。 第三章：视频图像采集系统硬件设计与实现，详细介绍了基于u s b 2 0 接口的 图像采集和处理系统的硬件设计原理及实现。 第四章：视频图像采集系统软件设计，详细介绍了基于u s b 2 ，0 接口的图像采 集和处理系统的相关软件设计，包括圆件和p c 端应用程序的设计方案和具体实 现。 第五章：视频图像处理算法和并行实现结构研究，研究了目前信号处理系统 的类型与常用处理机结构，并提出基于f p g a 的实时视频图像处理的方案及其方案 的实现，并用算法加以验证。 第六章：介绍了从本文得到的一些结论，并对下一步工作进行了进一步探讨。 第二章u s b 2 0 协议规范概述 第二章u s b 2 0 协议规范概述 u s b 发展到今天，总共有三种标准：1 9 9 6 年发布的u s b i 0 ，1 9 9 8 年发布的 u s b l 1 以及2 0 0 0 年4 月2 7 日由c o m p a q 、l i p 、i n t e l 、l u c e n t 、m i c r o s o f t 、n e c 和p h ili p 正式发布支持的高速传输速率的u s b2 0 协议标准。 滋生u s b 2 0 的最新动机是因为p c 机性能越来越高，能够处理大量的数据。 同时，p c 的外围设备加入了更多的功能。用户应用，例如数字图像，需要把计算 机和r 益复杂的外围设备高性能的连接起来。u s b 2 0 通过在原有的u s b l 1 的基础 上添加了4 8 0 m b s 的传输类型满足了这一需求。u s b 2 0 是u s b l ，1 的自然演变，在 保存了原有动机的同时，传送了期望得到的带宽，而且保持了和原有外围设备的 兼容性，仍然使用同样的线缆、同样的连接器、同样的连接方式。u s b 2 。0 是种 快速，双向，同步，低价格，动态连接的串行接口，可以满足p c 机平台现在和将 来的需求。 2 1 u s b 总线电气特性 u s b 传送信号和电源是通过一种四芯的电缆，图2 1 中的v b u s 和g n d 两根线 使用来提供电源和地信号，d + i 1d - 两根线是用于发送信号。 ，b u s d + d g n d v b u s d + d g n d 图2 1o s b 的电缆 到目前为止，u s b 有三种数据速率： u s b 高速信号速率是4 8 0 m b s 。 u s b 全速信号速率是1 2 m b s 。 有限容量的u s b 低速信号速率是1 5 k _ i b s 。 u s b 2 0 主机控制器和集线器提供了可以在主机控制器和集线器之问以高速传 送全速和低速数据。但是在集线器和设备之间是以全速和低速进行传递的性能。 这种性能减少了全速和低速设备对高速设备可以达到的带宽的影响。 时钟伴随着差分数据进行传递和编码。时钟编码机制是带有位填充的n r z i 来 保证充分的传输。s y n c 域先于每个包，以使接受端与它们的位恢复时钟保持同步。 !u s b 2 0 高速视频图像采集和处理系统的设计与实现 电缆中包括v b u s 、g n d 二条线，向设备提供电源。v b u s 使用+ 5 v 电源。u s b 对电缆长度的要求很宽。最长可为几米。为了保证足够的输入电压和终端阻抗。 重要的终端设备应位于电缆的尾部。在每个端口都可检测终端是否连接或分离， 并区分出高速，或低速设备。 2 2 u s b 体系结构概述 u s b 是一种支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据交换的电 缆总线。由主机预定的标准的协议使各种设备分享u s b 带宽，当其它设备和主机 在运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。 u s b 总线的体系结构主要包含以下四个部分： 主机和设备：一个u s b 系统的主要组成部分。 物理拓扑：u s b 元件是如何连接的。 逻辑拓扑：各种不同的u s b 元件的任务和响应，以及对于主机和一个设备 而言，u s b 的表现形式。 客户端软件和功能块之间的联系：对于一个u s b 设备而言，客户端软件和 其相关的功能之间是如何接口的。 2 2 1 u s b 主机和设备 u s b 主机和设备的逻辑组成见图2 2 ，主机和设备被分为如图所示的几层。 主机互连u s b 物理设备 0 i客户端软件| | u s b 逻辑设备 i u s b 设器层 t 壬j iu s e 主机控制器 一- - | u s b 总线接口l “s b 总线接u 后 _ _ - +擘= 际通讯漉i l j t：=逻辑通讯流向 幽2 2u s b 主机和设备的逻辑组成 黑箭头表示主机上的实际通信。设备上的相应接口根据不同的仪器而不同。 主机和设备间的通信最终发生在物理线上但在每一水平层之间存在着逻辑接口。 主机中客户程序软件与设备功能间的通信代表了设备需求与设备能力之i 旬的约 定。 第二章u s b 2 0 协议规范概述 每个u s b 只有一个主机，它包括以下几层： ( 1 ) u s b 主机控制器 u s b 主机控制器处理电气层与协议层的互连。从互连的角度来看，相似的总线 接口由设备及主机同时给出，例如串行接口引擎( s i e ) 。u s b 总线接口由主控制器 实现。 ( 2 ) u s b 系统软件 u s b 系统软件用主控制器管理主机与u s b 设冬问的数据传输。它与主控制器间 的接口依赖于主控制器的硬件定义。同时，u s b 系统也负责管理u s b 资源，例如带 宽和总线能量，这使客户访问u s b 成为可能。u s b 系统软件有三个基本组件： 主控制器驱动程序( h c d ) 能够更容易地将不同主控制器设备映射到u s b 系统 中。因此，客户可以在不知其设备连接哪个主控制器的情况下与设备相互作用。 h c d 与u s b 间的接口叫h c d i ，特定的h c d i 由支持不同主控制器的操作系统定义。 通用主控制器驱动器( u h c d ) 处于软结构的最底层，由它来管理和控制主控制器。 u s b 主控制器定义了一个标准硬件接口，以提供一个统一的主控制器可编程接口。 u h c d 实现了与u s b 主控制器通信和控制u s b 主控制器的一些细节，并且它对系统 软件的其他部分是隐蔽的。系统软件中的更高层通过u h c d 的软件接口与主控制器 通信。 u s b 驱动程序( u s b d ) 位于u h c d 之上。它提供驱动器级的接口，满足现有设备 驱动器设计的要求。u s b d 所实现的准确细节随操作系统环境的不同而有所不同， 但u s b d 在不同操作系统环境下完成的是一样的工作。u s b d 以i o 请求包( i r p s ) 的形式提供数据传输架构，它由通过特定管道( p i p e ) 传输数据的需求组成。此 外，u s b d 使客户端出现设备的一个抽象，以便于抽象和管理。作为抽象的一部分， u s b d 拥有缺省的管道。通过它可以访问所有的u s b 设备以进行标准的u s b 控制。 该缺省管道描述了一条u s b d 和u s b 设备问通信的逻辑通道。 主机软件在某些操作系统中，没有提供u s b 系统软件。这些软件本来是用于 向设备驱动程序提供配置信息和装载结构的。在这些操作系统中，设备驱动程序 将应用提供的接口而不是直接访问u s b d i ( u s b 驱动程序接口) 结构。 ( 3 ) u s b 客户端软件 它位于软件结构的最高层，负责处理特定u s b 设备的设备驱动器。客户程序 层描述了所有直接作用于设备的软件入口。当设备被系统检测到后，这些客，、程 序将直接作用于外围硬件。这个共享的特性将u s b 系统软件置于客户和它的设备 之间，也就是说，一个客户程序不能直接访问硬件设备，丽要根据u s b d 在客户端 形成的设备映像由客户程序对它进行处理。 总体上说，主机各层有以下功能： 检测连接和移除的u s b 设备。 !u s b 2 。0 离遮视频图像采集帮处理系绞豹设诗每嶷瑗 管瑷主机和u s b 设镥问的数据流。 裣灏u s b 狻态和潘渤统诗。 控制主控制器和u s b 设备间的电气接口，包括限量能量供_ 嗷。 控裁穰惫霹裁骏辩内方式或繁拜方式农圭撬帮设备阀传输，带蠢方式褥控翻 信息与数据混在一个管道内：带外方式将控制信息与数据放在分离的管道内。 每一个连上豹u s b 竣器部毒一令被称为袋省蛰道弱港惫管道，并在u s b 设备 和主机之间建立逻辑关联。缺省管道为所有的设备提供了一个标准的接口。缺省 逶遴遣爱予设备逶镶，囊u s b d 传为中套，u s b d 羯鸯援鸯设备翁缺雀逶遂。 特别的u s b 设备允许使用附加的消息管道传输具体设备的控制信息。这些管 逢偻羯耀嚣豹逶售协议终必软雀通逶，瞧臻埝蕊缓想必须爨体到特定豹设备，瑟 不被规范标准化。u s b d 支持其客户拱享它拥有和使用的缺省通道，它也可以访问 箕熄设备斡控裁警遵。 基于不间级别的抽象，h c 9 和u s b d 提供不同的软件搂阳。他们被希望以某种 特黥豹方式一起工作来满足鼹有u s b 系绞黪需求。u s 8 系绞黥嚣求主要转瑷为对 u s b d i 的需求。u s b d 和h c d 间任务区分没有定义，然而，在特定的操作系统中支 持多主控制器设备愚h c d i 必须满足的需求。 h c d 提供了主控制器的抽象和通过u s b 传输的数据的主控制嚣视角的个抽 象。u s b d 提供了u s b 设备的抽象和u s b d 客户与u s b 功能蚓数据传输的个拯象。 总之，u s b 系统促进客户和功能间的数据传输，并作为u s b 设备的规范接口的一个 控制点。u s b 系统提供缓冲妪管理熊力并允许数据传输同步予客户翻功能的需求。 2 2 2u s b 物理总线拓扑结构 u s b 物理拓扑魁指u s b 设备和主机之间的连接模型，涉及u s b 主机、设备 以及它们之间的稽甄连接。 如图2 3 所示，u s b 上的设备经由分滕星形托扑结构与主机进行物理连接。 u s b 连接点由一个称为集线器的待辣的u s b 设备提供。这个集线嚣键侠静额外连 接点称为端口( p o r t s ) ，包含一个内嵌集线器的主机称为根集线器( r o o t u b ) 。每 个u s 8 系统只筢有个根集线器，它连接在主控澍嚣上。主梳逶过穰巢线器给u s b 设备提供一个或多个连接点。向主机提供附加功能的u s b 设备称为功能块。为防 j e 穗环连接，在u s b 汝盈黧螽羚戆梅上强瓤遴行分层安播，这导致了螽窝2 3 瑟 示的树型配簧。 第二章u s b 2 0 协议规范概述 9 圈2 3u s b 物理总线拓扑结构 多个功能块和一个集线器可被封装在一起构成一个多功能设备，在多功能设 备内部，单个功能块与一个连接到u s b 的内部集线器永久连接。多功能设备中连 接到集线器的集线器和每个功能块被赋予它们自己的设备地址。具有多个独立控 制接口的设备被称为复合设备，一个复合设备只有一个设备地址。从主机来看， 一个多功能设备是一个连接了多个功能块的集线器。 集线器是u s b 结构中的特定成分，它提供叫做端口( p o r t ) 的点将设备连接 到u s b 总线上，同时检测连接在总线上的设备，并为这些设备提供电源管理，负 责总线的故障检测和恢复。集线器或是为总线提供能源，或是为自身提供能源( 从 外部得到电源) 。自身提供能源的设备可插入总线提供能源的集线器中，但总线提 供能源的设备不能插入自身提供能源的集线器或支持超过四个的下游端口中。总 线提供能源设备的需要超过l o o m a 电源时，不能同总线提供电源的集线器连接。 在高速系统中，集线器起着特殊的作用。集线器从高速信号环境中分离出全 速低速信号环境。集线器也允许连接u s b l 1 集线器，并且随同其它全速低速设 备工作在全速低速模式下。主机控制器也直接支持连接全速低速设备。每个高 速工作的集线器可以接入全速低速设备，也就是说，每个集线器支持额外接入的 u s b 全速低速设备的1 2m b s 带宽。这使得更多的全速低速总线连接到高速集线 器上，而不需要在系统中加入额外的主机控制器。 2 2 3u s b 逻辑总线拓扑结构 当设备按照分层星形拓扑结构连接到主机时，主机与每个逻辑设备进行通信 就好像设备是直接连接到根端口上一样。如图2 4 所示，这种逻辑视图对应与图 2 3 的物理总线的拓扑结构。尽管大多数的主机逻辑设备行为使用这个逻辑结构， 主机仍然能够察觉物理拓扑结构对集线器移除的处理操作。从逻辑拓扑结构的主 机来看，当一个集线器移除的时候，所有连接到集线器上的设备必须移除。 u s b 2 0 高速视频图像采集和处理系统的设计与实现 图2 4u s b 逻辑总线拓扑结构 2 2 4 客户端软件和功能块之间的联系 虽然u s b 的物理和逻辑拓扑结构反映了总线的共享特性，客户软件( c s w ) 只处 理它感兴趣的u s b 功能接口。u s b 功能的客户软件必须用u s b 软件编程接口来处理各 种功能，而不是像其他总线那样通过地址或i 0 访问直接处理它们的功能。在这个 过程中，客户软件独立于连接在u s b 上的其他设备。这使设备和客户软件的设计者 将精力集中于软硬件间相互作用的设计细节。 2 3 u s b 通信流 u s b 提供了主机上软件和u s b 功能块之间的通信服务。根据不同客户与功能块 之间相互作用的要求，功能块可具有不同的通信流。通过分离一个u s b 功能块的 不同通信流，从整体上而言，u s b 可以提供更好的带宽利用率。每个通信流利用一 些总线访问来完成客户端与功能块之问的通信。每个通信流终止于设备上的一个 端点( e n d p o i n t ) 。设备的端点是u s b 设备的唯一的可标识部分，用来标识每个通 信流的方向，它是主机和设备之间通信流的信息源或终点。 对u s b 系统来说，一个u s b 逻辑设备是端点的一个集合。端点组合成实现接 口的端点接口，接口是面对此功能块的。u s b 系统软件使用与端点0 相关的缺省管 道( d e f a u l t p i p e ) 来管理设备。管道( p i p e ) 是描述设备上的端点和主机上软件之 间的一个抽象通道。客户软件要求数据在主机的缓冲器和u s b 设备上的一个端点 之问传送。主机控制器( 或依赖于传送方向的u s b 设备) 对数据进行打包使之在u s b 上传送。当使用总线访问通过u s b 进行数据包的传输时，主机控制器起着协调的 作用。图2 5 说明了在端点和主机的存贮缓冲器之间的通信流是如何通过管道的。 第二章u s b 2 0 协议规范概述 接口 图2 5u s b 通信流 主机上的软件通过一组通信流来和一个逻辑设备进行通信，通信流组是由设 备软件硬件来选择的，从而使设备的通信需求和u s b 提供的传输特性有效地匹配。 2 4 u s b 数据传输类型 主控制器负责主机和u s b 设各间数据流的传输。这些传输数据被当作连续的 比特流。每个设备提供了一个或多个可以与客户程序通信的接口，每个接口由o 个或多个管道组成，这些管道分别独立地在客户程序和设备的特定终端间传输数 据。u s b d 为主机软件的现实需求建立了接口和管道，当提出配置请求时，主控制 器根据主机软件提供的参数提供服务。 为适应设备的多样性，u s b 协议定义了4 种传输类型：控制传输、批量传输、 中断传输、等时传输。 2 4 1 控制传输 控制( c o n t r 0 1 ) 传输支持外设与主机之间的控制、状念、配置等信息的传输， 为外设与主机之间提供一个控制通道。每种外设都支持控制传输类型，这样，主 机p c 与外设之间就可以传送配置和命令状态信息。当u s b 设备初次安装时，t j s b 系统软件使用控制数据对设备进行设置，设备驱动程序通过特定的方式使用控制 数据来传送，数据传送是无损性的。 2 4 2 批量传输 批量( b u l k ) 传输支持传输由大量的数据组成的连续数据，如使用打印机和 扫描仪时，批量数据是连续的。在硬件级上可使用错误检测可以保证可靠的数据 传输，并在硬件级上引入了数据的多次传送。此外根据其它一些总线动作，被大 u s b 2 0 高速鞔频匿像采集和娥趣蕊统鲍设诗与实现 爨数据占耀懿蛰宽墩甥痘豹进行教变，具凑缀广稳韵态范辍。 2 + 4 3 巾裁棱输 中断( i n t e r r u p t ) 传羧在总线掇 乍蕈曩涉及设备方露上几乎与批曩臻辕完全蟪 霹。中凝数攒是少量黪，虽茭数据筵遮霹闲瞧怒窍浆菠豳弱。这移数懿霹凌浚套 猩任何时刻发送，并且以不慢予设餐指定鹊穗度在lj s b 上话遴。中断数据一般爨 零件逶卷，姆镊及坐标号缓成，只蠢一个或几个字节。蓬配定点设餐瓣坐椽号鼷 为例，虽然精确指定的传输率不必爱，但u s b 必须对交互数掘提供个及瘦时 阉盼矮低界隈。 2 。4 4 同步健输 阊步( i s o c h r o n o u s ) 传输支持露餍麓谴、蠢隈的时延帮繁宽且数壤传输速率 不变的外设与主枫间的数掇传输。耐步数掇的建立、传送和使用时怒谶续且实时 黪，阍步数掇愚强稳定的速零发送耩接收实耩雩麴信感，阉步数据要使接收嚣与发 送者保持檑剃的时间安排，除了传输速率，嗣步数据对传送筵逡非常敏感。所以 黼步邋道的带宽的确建，必须满足对裙关功能郝锌的取诺特性。不可避免的信净 延迟与褥个端日豹可弼缓冲隧数有关。实时的传送阉步数禚肯定会发，主潜在瞬时 的数辫流丢失蕊象，两瀚多传输没霄菠镶棱验，敬不能像谣厩礴酚数据传狳，支 褥像计冀税奄话集成系统( c t i ) 、音频系统舄主手凡和鬣颓系绫与主祝酶数据传 输，在这释擞甬中，：i 慧翡数捺传输错溪失可数忽豫不激翡。 对予任何鲶定豹设蓊避行浚嚣箨亨一释通遥其藐麦祷上述一稀方式的数疆谴 埝。 第三章视频图像采集系统硬件设计与实现 第三章视频图像采集系统硬件设计与实现 现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高，在瞬态信号测量、视 频图像处理等一些高速、高精度的测量中，需要进行高速数据采集。现在通用的 高速数据采集卡一般多是p c i 卡或i s a 卡，存在以下缺点：安装麻烦；价格昂贵： 受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差：在些电磁干扰性强的 测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽，导致采集的数据失真。 u s b 2 0 总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，已逐渐成为现代 数据传输的发展趋势。本章对c y p r e s s 公司的e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片和 o m i n i v i s i o n 公司的o v 6 6 3 0 摄像头芯片进行了研究，充分利用u s b 2 0 总线的上 述优点，设计了一种基于外接r a m 的高速图像采集系统，有效解决了传统高速数 据采集卡的缺陷。 3 1 硬件总体系统结构 高速实时视频图像采集系统硬件模块包括图像采集、地址产生器、数据缓存和 u s b 2 o 通信接口。系统的总体结构如图3 1 所示。 u s b 总线 u s b 总线 控制器 e z u s b c y 7 c 6 8 0 l3 i 爿1 2 8 k r a m 一 ll 地址l 读写l 片选 捧制信号 警铲尉粼欹器避n 酌b i 篮划多路转欹器b 兰! 竺 视频魁象置乏集 数字c a m e r a 芯片 ( o v 6 6 3 0 ) 圈3 1 高速实时视频图像采集系统硬件框幽 整个系统以u s b 2 o 总线控制器为核心，通过i2 c 接口使外部c p u 通过i2 c 总线控制 0 v 6 6 3 0 的各种工作状态、工作方式、数据输出格式和读驳内部状态信息等。由数 一1 4 u s b 2 0 高速视频图像采集和处理系统的设计与实现 字摄像芯片采集到的数字图像数据通过f p g a 控制电路内部产生的地址、片选和 读写信号送入外部s r a m ，u s b 总线控制器通过f p g a 控制电路从外部s r a m 中读取数 据。计算机与系统之间的通信则是主机通过r 句u s b 接口发送通用的命令来实现 的。 3 2 u s b 2 0 接口控制电路设计 e z u s bc y 7 c 6 8 0 1 3 内部框图如图3 2 所示。它是c y p r e s s 公司推出的u s b 2 0 控制器，向下完全兼容流行的u s b l 1 协议。c y 7 c 6 8 0 1 3 是u s b 2 o 的完整解决方案 该芯片包括带8 5 k b 片上r a m 的高速8 0 5 1 单片机、4 k bf i f o 存储器以及通用可编 程接口( g p i f ) 、串行接口引擎( s i e ) 平i u s b 2 0 收发器，无需外加芯片即可完 成高速u s b 传输，性价比较高，并能缩短开发时间。 图3 2e z u s bc y 7 c 6 8 0 1 3 ( 1 2 8 引脚) 方框图 e z u s bc y 7 c 6 8 0 1 3 提供了一种独持的架构，使u s b 接口和应用环境直接共享 f i f o ，而微控制器可不参与数据传输但允许以f i f o 或r a m 的方式访问这些共享 f i f o 。这种被称之为“量子f i f o ”( q u a n t u mf i f o ) 的处理架构，较好地解决 了在u s b 高速传输模式下由于微控制器本身的工作频率而限制u s b 带宽的问题。 e z u s bc y 7 c 6 8 0 1 3 有2 种接口方式：s i a v ef i f o s 牙n 可编程接口g p i f 。s 1 a v e f i f o s 方式是从机方式，外部控制器可以像对待普通的f i f o 一样对c y 7 c 6 8 0 1 3 的 多层缓冲f i f o 进行读写。可编程接口g p i f 是主机方式，可以用g p i fd e s i g n e r 软 件编程读写控制波形，几乎可以对任何8 1 6 位接口的控制器、存储器和总线进 行数掘的主动读写。s l a v ef i f o s 和可编程接口g p i f 工作方式都可以通过内部寄 存器设为同步或异步，工作时钟可选为内部产生或外部输入，其它控制信号也 可以通过内部寄存器灵活地设置为高有效或低有效，非常灵活。 如图3 2 所示，u s b 收发器连接至u u s b 总线的d 十和d 一管脚；串行接口引擎( s i e ) 笙三童塑塑笪堡墨塞垂丝堡壁堡堕皇塞墨 堕 编码和解码串行数据并且进行错误校验、位填充和执行u s b 所需的其它信号，最 后完成数据从u s b 接口的传输。 3 2 1s l a v ef i f o s 接口方式 尽管一些基于f x 2 的设备能够使用f x 2 的c p u 来直接处理u s b 的数据，但 是大多数的设备只是将f x 2 用作外部数据处理逻辑电路和u s b 之间的通道而已。 u s b 通过f x 2 的内部端点f i f o 在主机和外部逻辑电路之间传输数据，通常 情况下f x 2 的c p u 是不介入的u s b 的数据传输的。外部的逻辑电路向f x 2 提供 通用的时间选择信号，握手线( 空、满和可编程电平) ，读和写选通脉冲，输出 使能等等。 这些f i f o 信号必须由一个f i f o 控制器来控制。如果f x 2 连接到没有标准 的f i f o 接口的外部电路，或者f i f o 能够被外部的控制器控制的时候，f x 2 通用 编程接口( g p i f ) 能够充当内部控制器。如果f x 2 的f i f o 被外部的控制器控制， 这时的f i f o 就称为“从”模式。 s l a v ef i f o s 硬件结构 图3 3 显示了四个从s l a v ef i f o s ，图中所显示的s l a v ef i f o s 是工作在 1 6 位的模式下，可以通过设置寄存器将f i f o 配制戍8 位的工作状态。 8 0 5 if i f o s 设稀引脚 f d i 5 o 图3 3s l a v ef i f o s 硬件结构方框图 我们必须根据需要选择工作在同步模式还是异步模式，使用8 位还是1 6 位的 数据总线，采用外部时钟源还是内部时钟源，采用几个f i f o 标志引脚( f l a g a ， 堡u s b 2 0 高速视频图像采集和处理系统的设计与实现 f l a g b ，f l a g c ，f l a g d ) 和使能引脚( s l o e ，s l r d ，s l w r ，p k t e n d f i f o a d r i ：0 ) 。 我们可以通过相关的寄存器设置相关参数。表3 1 列出了与s l a v ef i f o s 相关的 寄存器。 i f c o n f i g e p x f i f o p f h l p i n f l a g a bp o r t a c f g p i n f l a g c di n t p k t e n d f i f o r e s e te p x f l a g i e f i f o p i n p o l a re p x f l a g i r o e p x c f ge p x f i f 0 8 c h ：l e p x f i f o c f g e p x f l a g s e p x a u t o i n l e n h ：le p x b u f s l a v ef i f o s 工作模式 表3 1 与s l a v e f i f o s 相关的寄存器 f x 2 在复位以后所有的引脚都配置为“端口”模式，而并不是“s l a v ef i f o s ” 模式。为了将引脚配置成s l a v ef i f o s 模式，i f c o n f i g 寄存器中的i f c f g o 矛d i f c f g i 位必须设为1 1 。如果i f c f g i ：0 = 1 1 ，s l a v ef i f o s 向外部控制器提供如图3 4 所示 的接口引脚。 e x t m a s t e r l 芏1 3 4f