計算機與信息技術(shù)

李林俠圖書館 2012-01-15

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基于FPGA和USB的圖像采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張莉¹ 李敬文¹ 陳永祿²

（1.蘭州交通大學電子與信息工程學院，甘肅蘭州 730070；2. 西北工業(yè)大學自動化學院，陜西西安 710072 ）

摘要　介紹了基于FPGA及USB的高速圖像采集系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。通過介紹Altera公司的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）以及USB通用接口芯片CY7C68013的性能特點，提出了基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件平臺設計方案；討論并給出了軟件設計方法，包括FPGA內(nèi)部功能模塊程序設計、驅(qū)動程序設計以及應用程序設計等。

關(guān)鍵字　FPGA；USB；數(shù)據(jù)采集

1　引言

隨著圖像處理技術(shù)迅猛發(fā)展，對圖像采集設備要求也越來越高。USB接口設備支持即插即用，安裝方便，易于擴展，且USB 2.0能達到480 Mb/s的理論傳輸速度，非常適合在類似于圖像采集的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應用，本文采用USB接口總線實現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)傳輸。

在超高速數(shù)據(jù)采集方面，F(xiàn)PGA（現(xiàn)場可編程門陣列）有著單片機和DSP所無法比擬的優(yōu)勢。新一代的FPGA甚至集成了中央處理器（CPU）或數(shù)字信號處理器（DSP）的內(nèi)核，在一片F(xiàn)PGA上進行軟硬件協(xié)同設計，為實現(xiàn)片上可編程系統(tǒng)（SOPC）提供了強大的硬件支持。 FPGA時鐘頻率高，內(nèi)部延時小，現(xiàn)在器件的最高工作頻率可達300MHz；硬件資源豐富，單片集成的可用門數(shù)達1000萬門；全部控制邏輯由硬件資源完成，速度快，效率高；組成形式靈活，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路^[1]。因此，本系統(tǒng)中用FPGA來控制A/D和USB控制芯片的運行。

2　圖像采集系統(tǒng)設計方案

本系統(tǒng)主要由主機（能支持USB2．0協(xié)議的PC機）、USB微處理器、FPGA邏輯控制器和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成，如圖1所示。主機是系統(tǒng)的終端，主要完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)保存等功能；USB微處理器主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信及控制等功能；FPGA器件作為本系統(tǒng)的控制核心，用來控制處理A/D、D/A，進行實時信號采集和傳輸控制；A/D轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化。其數(shù)據(jù)傳輸分兩部分：控制信號傳輸和采集數(shù)據(jù)傳輸。

圖1　圖像采集系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)工作時，通過用戶界面的采集開始按鈕發(fā)出圖像采集命令，USB微處理器接收到主機采樣控制信號后，通過在FPGA芯片中的邏輯控制電路控制圖像采集，向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路送出相應的控制信號即采樣模式控制字，之后數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)自主控制轉(zhuǎn)換，把模擬視頻信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字視頻值號，同時分離出同步信號和狀態(tài)信號。這些信號進入邏輯控制芯片F(xiàn)PGA中，用FPGA作為采樣控制器，將數(shù)字視頻信號實時存入微控制器的可配置端點緩沖區(qū)FIFO中。當FIFO容量達到指定程度后，自動將數(shù)據(jù)打包傳送給USB總線，USB微處理器依次取走批量數(shù)據(jù)，傳輸給主機，在采樣數(shù)據(jù)傳輸給主機時，USB微處理器持續(xù)讀取采樣的結(jié)果，保證了連續(xù)高速采集數(shù)據(jù)的實時性。同時在主機端可以進行圖像的實時顯示、保存等功能。

3　系統(tǒng)硬件設計

3.1 FPGA的設計流程

FPGA的開發(fā)采用后的是一種“自頂向下”的方法，首先從系統(tǒng)設計入手，在頂層進行功能方框的劃分和結(jié)構(gòu)設計，在方框圖一級進行仿真、糾錯，并用硬件描述語言對高層次的系統(tǒng)進行描述，在系統(tǒng)一級進行驗證。然后用綜合優(yōu)化工具生成具體門電路的網(wǎng)表，其對應的物理實現(xiàn)級可以是印刷電路板或?qū)Ｓ眉呻娐?。由于設計的主要仿真和調(diào)試過程是在高層次上完成的，這不僅有利于早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計上的錯誤，避免設計工作的浪費，而且也減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設計的一次成功率^[2]。

3.2 USB接口設計

USB 接口芯片選用Cypress公司EZ-USB FX2芯片CY7C68013A。EZ-USB芯片可以將固件儲存在主機上，而不必裝入芯片內(nèi)。在開機或是連接時，再將固件加載到芯片內(nèi)。此芯片使用每個指令周期4個脈沖周期，每一個指令需要1到5個指令周期，CPU是以24MHz來驅(qū)動。

大部分的EZ-USB芯片支持最大數(shù)目的端點：一個控制端點，30個額外的端點地址以及所有的4種傳輸類型。EZ-USB的固件有兩個來源：外部的EEPROM的初始化字節(jié)的內(nèi)容，以及芯片的EA輸入狀態(tài)^[3]。

該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　CY7C68103(EZ-USB-FX2)的邏輯區(qū)塊圖

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 固體程序設計

圖3　固件流程圖

設備固件是設備運行的核心，可采用匯編語言或單片機C語言設計。只有在該程序運行時，外設才能被稱為具有給定功能的外部設備。固件程序負責初始化各硬件單元，重新配置設備及A/D采樣控制。其主要功能是控制CY7C68013接收并處理USB驅(qū)動程序的請求，控制芯片CY7C68013接收應用程序的控制指令，控制A/D模塊的數(shù)據(jù)采集與存儲，通過CY7C68013緩存數(shù)據(jù)并傳輸至主機等。利用EZ-USB FX2系列提供的固件結(jié)構(gòu)，可以簡化固件開發(fā)。用戶僅需提供其USB描述符，以及實現(xiàn)外圍功能的程序代碼，即可完成完全兼容的USB設備設置。

固件程序框圖如圖3所示。

4.2　驅(qū)動程序設計

在Windows內(nèi)執(zhí)行的USB設備驅(qū)動程序，必須符合Microsoft定義的Win32驅(qū)動程序模型（WDM）規(guī)格。在USB通信中使用的分層式驅(qū)動程序模型，每一層的驅(qū)動程序分別處理USB通信的某一部分。使用分層式的模型結(jié)構(gòu)會比較有規(guī)律，因為相同的工作可以使用單一驅(qū)動程序來做即可，不需要包含在每一個驅(qū)動程序內(nèi)。按照下面步驟，可以實現(xiàn)對USB設備的配置^[4]：

（1）USB設備的驅(qū)動程序模型必須是WDM驅(qū)動程序，這說明驅(qū)動程序中必須有AddDevice這個成員函數(shù)，而且function.h文件中必須有下列定義：

#define DRIVER_FUNCTION_ADD_DEVICE

#define DRIVER_FUNCTION_PNP

#define DRIVER_FUNCTION_POWER

（2）USB設備是即插即用設備，因此在驅(qū)動程序中要聲明以下的類的成員函數(shù)。

KPnPDevice，KUSBLowerDevice，KUSBInterface

在驅(qū)動程序結(jié)束處還要聲明一個數(shù)據(jù)類型：KUSBPipe

（3）在設備對象類中，必須重載OnStartDevice和OnStopDevice函數(shù)。

（4）在設備類構(gòu)造體中，首先調(diào)用類KUSBLowerDevice中的成員函數(shù)來初始化其實例，然后調(diào)用類KUSBInterface中的成員函數(shù)來初始化其實例，最后再調(diào)用類KUSBPipe中的成員函數(shù)來初始化其例程。

（5）在成員函數(shù)OnStartDevice中，調(diào)用函數(shù)。

KUSBLowerDevice：：ActivateConfiguration配置設備，這個函數(shù)把類KUSBPipe和KUSBInterface對象聯(lián)系在一起，以及USB管道和它的接口鏈接起來。

（6）在成員函數(shù)OnStopDevice中，調(diào)用KUSBLowerDevice：：DeActivateConfiguration。

應用程序與驅(qū)動程序完成USB通信的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　應用程序與驅(qū)動程序完成USB通信的結(jié)構(gòu)

4.3 用戶應用程序設計

使用VC6.0作為應用程序的開發(fā)環(huán)境。由于通用驅(qū)動程序GPD即ezusb.sys提供了基本USB設備請求和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩裟Ｊ浇涌?，用戶模式應用程序通過Win32函數(shù)DeviceIo Control0給設備驅(qū)動器發(fā)送請求。Ezusb．sys提供了基本設備請求、批量讀寫、同步讀寫等一系列IOCTL函數(shù)。通過調(diào)用這些函數(shù)，可以打開設備句柄、進行讀寫操作、關(guān)閉設備句柄，從而對USB設備進行相應操作。同時應用程序還需對接收的圖像數(shù)據(jù)進行整合、處理，實現(xiàn)圖像顯示以及保存功能。

5　結(jié)束語

本文的創(chuàng)新點是充分發(fā)揮了CY7C68013的優(yōu)勢，利用FX2的內(nèi)部可編程狀態(tài)機GPIF實現(xiàn)了與FPGA的連接，系統(tǒng)升級方便。待系統(tǒng)的硬件和軟件逐步完善以后，再實現(xiàn)對實時的視頻信號采集與傳輸，并將進一步把DSP引入該系統(tǒng)，利用DSP在數(shù)字信號處理方面的優(yōu)勢（一般計算機完成一次乘累加運算需要11個機器周期，而DSP完成同樣的運算只需要1個機器周期），在PC外部對采集的數(shù)據(jù)進行預處理，然后再通過USB總線送入主機進一步處理，DSP與USB2.0技術(shù)的結(jié)合將大大改善大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣绕款i問題，在圖像和視頻傳輸?shù)葦?shù)據(jù)量較大且對實時性要求較高的領域必將有廣闊的應用前景。隨著USB口的進一步普及和計算機的發(fā)展，本文設計的這種USB圖像采集系統(tǒng)必將得到更加廣泛的應用。