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利用USB2.0单片机实现全数字图像的实时采集

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要:主要论述利用USB2.0单片机接口技术实现高分辨率(640×480点阵以上)、快速(24帧/s以上)全数字图像的实时采集、传输的原理、方法和系统实现,以及相应的固件程序设计。
  
  关键词:USB2.0接口技术数字图像单片机
  
  引言
  
  传统的方法是用视频采集卡(如1394)对视频信号进行采集,利用相应的软件传给PC机,既不方便,也不经济。本文介绍一种利用Cypress公司2002年发布的世界上第一块带有USB2.0接口的芯片CY7C68013与PC机(主板为支持USB2.0的华硕主板PB533)实现了高分辨率(640×480点阵以上)、快速(24帧/s以上)、全数字图像的实时采集系统。
  
  1数字图像的实时采集原理
  
  数字图像的实时采集原理如图1所示。在图1中,以Omnivisiontechnologies公司的OV7620/7120芯片作为图像采集芯片,其主要特点是该芯片可提供0.5——30帧/s,640×480像素点阵CMOS的彩色或黑白数字图像,工作频率为27MHz,像素时钟为27MHz;以Cypress公司的CY7C68013作为CPU控制和USB2.0接口芯片,该芯片的主要特点是在一块芯片上集成了USB2.0内核和引擎、一个增强型51系列的微处理器,及可编程外围接口的芯片,提供了高效率的时序解决方案,在这种有独创性的结构下,仍然使用低价位的51系列的微处理器,其数据传输速度可以达到56MB/s,可以提供USB2.0的最大带宽。因此在图1中,CPU控制和USB2.0接口芯片选择了上述芯片。图像芯片(OV7620/7120)所采集的图像数据按设定的频率(0.5——30帧/s),在CY7C68013内部51CPU的控制下,直接将其送到CY7C68013的FIFO缓冲区,再由其内部的USB2.0接口通过USB电缆将其图像数据传输到计算机。
  
  2数字图像的实时传输
  
  为了实现数字图像的实时传输,必须解决影响实时传输的几大因素:一是图像芯片采集速度;二是图像芯片与CY7C68013的FIFO缓冲区之间的传输速度;三是CY7C68013内部的USB2.0与带有USB2.0接口计算机之间的传输速度;四是计算机中应用软件的接收图像、处理图像速度。以下将分别加以具体说明。
  
  (1)图像芯片采集速度
  
  图像芯片采集速度是选择图像芯片的关键指标,在该指标满足的前提下,选取图像分辨率相对较高的图像芯片。如可以选取Photobit公司的PB-0300或Omnivision公司的OV7620以及Philips公司的SAA7111等高分辨率图像采集及处理芯片。
  
  (2)图像芯片与CY7C68013的传输速度
  
  一般的,对于大多数CMOS数字图像采集和处理芯片,其数据传输速度为其像素时钟,与其工作频率基本一致,其周期小于40ns;而当CY7C68013工作在主频48MHz时,其内部的通用编程接口可以将外部5——48MHz的数据传输到内部FIFO缓冲区。可见,应选取像素数据传输速度合适的图像采集及处理芯片。
  
  (3)CY7C68013与计算机之间的传输速度
  
  在USB1.0和USB1.1接口中,只支持低速和全速两种传输方式。在低速方式下其最大传输速度为1.5Mbps;在全速方式下其最大传输速度为12Mbps.显然,在这两种方式下要完成高分辨率(640×480像素点阵以上)的数字图像实时传输(24帧/s以上)是不可能的。而USB2.0接口,除支持低速和全速两种传输方式外,还支持高速传输方式。在高速传输方式下,其最大传输速度为480Mbps.因此选取带有USB2.0内核的CY7C68013芯片作为USB2.0接口芯片及带有USB2.0接口的计算机,满足数字图像的实时传输速度要求。
  
  (4)计算机中应用软件的处理速度
  
  计算机中,应用软件的接收图像、处理图像速度,也是完成高分辨率数字图像实时传输所面临的一个很大挑战。特别是在Windows多任务作业下的延迟,更是如此。
  
  此外,USB总线的带宽、操作系统等也会影响数字图像的实时传输。
  
  3系统实现及固件程序设计
  
  (1)系统实现
  
  本系统的具体和详细设计如图2所示的数据采集逻辑原理图。在图2中,图像采集处理芯片用OV7620/7120,时钟频率为27MHz,像素时钟为27MHz;CPU控制和USB2.0接口芯片用CY7C68013,时钟频率为24MHz,通过对CY7C68013内部的CPUCS寄存器进行修改,使其工作在48MHz方式下。根据芯片OV7620/7120及CY7C68013内部的FIFO、通用编程接口等特点,其具体接法是:将OV7620/7120的像素时钟PCLK接到CY7C68013的IFCLK上;
  
  OV7620/7120的HREF、VSYNC分别接到CY7C68013的RDY0、RDY1上;同时将OV7620/7120的VSYNC、CHSYNC分别接到CY7C68013的INT0、INT1上。将CY7C68013的PE0、PE1接在OV7620/7120的I2CBUS上。
  
  图2
  
  (2)固件程序设计
  
  按照图2数据采集逻辑原理图,其固件程序设计主要由以下几部分组成。
  
  ①USB2.0接口的初始化程序设计。

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