基于Slave FIFO模式的cmos攝像頭接口設(shè)計

馮 祎 吳 超 王景中

（北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，北京石景山 100144）

0 引言

USB2.0接口以其高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，在視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。但以往都是在視頻采集芯片和USB控制芯片之間加上了FPGA或者CPLD等邏輯控制器件，這樣雖降低了開發(fā)難度，但也不可避免的增加了硬件資源，增加了生產(chǎn)成本。

因此，本文采用cmos視頻采集芯片直接與USB控制芯片相連，數(shù)據(jù)無需再經(jīng)過中間邏輯器件打包發(fā)送給USB控制器，而是直接由USB控制器上傳到上位機(jī)。這里coms攝像頭選用MICRON圖像傳感器MT9V032,USB控制器采用Cypress的EZ-USB FX2LP系列芯片，通過Slave FIFO模式進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)傳輸。

1 接口硬件電路

1.1 USB控制器件CY7C68013芯片結(jié)構(gòu)

Cypress公司的EZ－USB FX2是世界上第一款集成USB2.0的微處理器，它集成了USB2.0收發(fā)器、SIE（串行接口引擎）、增強(qiáng)的8051微控制器和可編程的外圍接口。FX2這種獨(dú)創(chuàng)性結(jié)構(gòu)可使數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到56Mbytes/s，即USB2.0允許的最大帶寬。在FX2中，智能SIE可以硬件處理許多USB1.1和USB2.0協(xié)議，從而減少了開發(fā)時間和確保了USB的兼容性。GPIF（General Programmable Interface）和主/從端點(diǎn)FIFO（8位或16位數(shù)據(jù)總線）為ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和DSP等提供了簡單和無縫連接接口。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它有三種封裝形式：56SSOP，100TQFP和128TQFP。本文采用56引腳型號。

圖1 CY7C68013結(jié)構(gòu)圖

1.2 Slave FIFO傳輸

當(dāng)有一個與FX2芯片相連的外部邏輯只需要利用FX2做為一個USB 2.0接口而實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的高速通訊，而它本身又能夠提供滿足Slave FIFO要求的傳輸時序，可以將外部邏輯作為Slave FIFO主控制器時，即可考慮用此傳輸方式。

Slave FIFO傳輸如圖2所示：

圖2 Slave FIFO傳輸

在這種方式下，F(xiàn)X2內(nèi)嵌的8051固件的功能只是配置Slave FIFO相關(guān)的寄存器以及控制FX2何時工作在Slave FIFO模式下。一旦8051固件將相關(guān)的寄存器配置完畢，且使自身工作在Slave FIFO模式下后，外部邏輯即可按照Slave FIFO的傳輸時序，高速與主機(jī)進(jìn)行通訊，而在通訊過程中不需要8051固件的參與。

1.3 視頻采集芯片MT9V032的主要特性

MT9V032 是 Aptina生產(chǎn)的 1/3 寸 CMOS傳感器，分辨率為 752×480，像素大小達(dá)到 6.0×6.0μm。該傳感器具有Micron 的DigitalClarity CMOS 成像技術(shù)，它不僅具有 CMOS傳感器速度高、集成度高等優(yōu)勢，其靈敏度達(dá)到 4.8 V/lux-sec，在高動態(tài)拍攝模式下動態(tài)范圍可達(dá) 110dB，提供了比一般 CCD傳感器更優(yōu)的成像效果。本文使用的一幀圖片時序圖如圖3、圖4所示，MT9V032輸出像素數(shù)據(jù)為10位，本系統(tǒng)取8位有效數(shù)據(jù)。

圖3 MT9V032的行同步時序

圖4 MT9V032的場同步時序

P1：幀開始標(biāo)志；

A：有效數(shù)據(jù)時間；

Q：無效數(shù)據(jù)時間；

P2:幀結(jié)束標(biāo)志。

1.4 硬件電路原理與設(shè)計

系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。設(shè)計中采用I2C總線對MT9V032芯片進(jìn)行配置，F(xiàn)X2中增強(qiáng)型8051單片機(jī)時鐘24M輸出作為傳感器主時鐘，PICLK像素時鐘作為IFCLK時鐘，為傳感器主時鐘翻轉(zhuǎn)。LINE_VALID行同步信號接Slave FIFO寫允許，根據(jù)圖片幀時序，SLWR設(shè)置為高電平有效。圖片幀同步信號FRAME_VALID會在一幀圖像傳輸?shù)娇刂破骱笥|發(fā)INT0中斷。由于數(shù)據(jù)量太大,本設(shè)計沒有在INT0中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行全部的數(shù)據(jù)處理,而是設(shè)置了一個標(biāo)志位,并通過標(biāo)志位的狀態(tài)來在主程序中進(jìn)行處理,由此來判斷幀頭。USB控制器的FIFO處于從模式。控制器的端點(diǎn)設(shè)置為EP6-512字節(jié)、四重緩存,塊傳輸、輸入模式。這樣的設(shè)置可以滿足系統(tǒng)要求。

圖5 系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)

2 接口固件程序設(shè)計

主要是針對USB的固件設(shè)計。為了簡化固件編程，我們直接調(diào)用Cypress提供的固件編程框架，本文固件程序使用Keil C51 uVision2編寫，主要共包含 STARTUP.A51、FW.C、SLAVEFIFO.C、EZUSB.LIB、DSCR.A51及USBJMPTB．OBJ等六個文件。其中，STARTUP．A51為芯片上電初始化程序，在CPU復(fù)位后執(zhí)行，主要進(jìn)行初始化內(nèi)存以及再入函數(shù)堆棧初始化、片外存儲空間初始化等功能；EZUSB．LIB為固件函數(shù)庫鏈接程序；FW．C為固件框架程序，主要進(jìn)行硬件初始化、處理標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備請求等功能。DSCR．A51為設(shè)備描述符程序，其中包含USB的各種描述符；USBJMPTB．OBJ為中斷向量跳轉(zhuǎn)表文件；SLAVEFIFO．C為外圍設(shè)備控制文件，主要進(jìn)行USB功能設(shè)備的初始化以及用戶函數(shù)掛鉤的相關(guān)定義。

固件編程框架如圖6所示：

圖6 固件框架流程圖

Slave FIFO模式的初始化，在void TD_Init(void)函數(shù)中執(zhí)行，該函數(shù)在上電后只執(zhí)行一次，這里設(shè)置EP6為塊傳輸端點(diǎn)，512字節(jié)，為4倍緩沖深度，傳輸方向為IN。USB端點(diǎn)的配置必在DSCR.A51文件中進(jìn)行定義，其相關(guān)代碼如下：

3 結(jié)語

配置CY7C68013在Slave FIFO模式下直接和視頻傳感器相連，節(jié)省了中間的邏輯處理單元，有效地節(jié)省了成本，并且在實(shí)際應(yīng)用中成功實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的上傳，數(shù)據(jù)連續(xù)無丟失。

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