基於USB2.0的高解析度數字網路攝影機設計

摘要：介紹了一種基於USB2.0協議的高解析度數字網路攝影機，並給出了利用CMOS映像感應器OB9620和USB控制器CY7C68013設計高解析度數字網路攝影機的基本硬體電路以及軟體設計方法。

    關鍵詞：

USB2.0；I2C；網路攝影機；OV9620

１ 概述

目前，能夠傳輸高品質視頻訊號的兩種匯流排介面（ＵＳＢ和ＩＥＥＥ １３９４介面）都支援隨插即用，且具有易擴充、使用方便等特點。但是ＩＥＥＥ １３９４介面的價格相對較高，因此，當前採用更多的是ＵＳＢ介面。

ＵＳＢ 的資料轉送有４種模式：塊傳輸（Ｂｕｌｋ Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ）、中斷傳輸（Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ）、同步傳輸（Ｉｓｏｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ）、控制傳輸（Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ）。當需要快速傳輸大批量的準確資料時，一般採用塊傳輸模式；而當傳輸即時性較強的資料時，則應採用中斷傳輸模式。現在的ＵＳＢ２．０ 規範在原有的低速模式（ｌｏｗ ｓｐｅｅｄ） １．５Ｍｂ／ｓ、全速模式（ｆｕｌｌ ｓｐｅｅｄ） １２Ｍｂ／ｓ的基礎上又支援高達４８０Ｍｂ／ｓ的高速模式（ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ），從而使ＵＳＢ匯流排真正成為能滿足高速應用場合的標準串連匯流排。在ＵＳＢ２．０中，每毫秒可發送８～１０微幀，這比ＵＳＢ１．１的傳輸速率有 了極大的提高，同時對緩衝的要求也大大降低了。ＵＳＢ２．０向下完全相容，協議規定，在全速模式和低速模式下，主機控制器和ｈｕｂ之間也可以進行高速傳 輸，但是ｈｕｂ和外設之間仍然保持原有傳輸模式，這樣可以使裝置在分享頻寬時衝突最小。

２　硬體電路

本系統選用ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．公司的ＯＶ９６２０作為視頻訊號的採集晶片，用ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２作為ＵＳＢ控制晶片並為ＯＶ９６２０提供工作時鐘，Ｅ２ＰＲＯＭ使用２４ＬＣ６５，通過Ｉ２Ｃ匯流排串連所有晶片。硬體串連框圖見圖１所示。

２．１ ＯＶ９６２０的主要特性

ＯＶ９６２０ 是美國ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ公司為數字照相機和攝像機產品開發的高效能１３０萬像素彩色ＣＭＯＳ數位影像感應器晶片。與傳統的ＣＣＤ感應器相比，ＣＭＯＳ 最明顯的優勢是整合度高、功耗小、生產成本低，容易與其他晶片整合。該款晶片的映像總地區為６．８２×５．３９ｍｍ２，成像地區為６．６６×５． ３２ｍｍ２，非常有利於產品的小型化。

該晶片支援ＳＸＧＡ（１２８０×１０２４分 辨率）和ＶＧＡ（６４０×４８０解析度）兩種模式和ＳＣＣＢ（Ｓｅｒｉａｌ Ｃａｍｅｒａ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｂｕｓ）介面，使用２４ＭＨｚ晶振，內建１０位Ａ／Ｄ轉換器，能提供１０位元字視頻訊號。另外該晶片還可輸出像素時鐘以及行、場同步訊號，並可以直接與專 用整合電路系統串連，其後端系統可以通過ＳＣＣＢ介面來控制。可利用ＵＳＢ２．０控制器，在Ｐ４ １．５Ｇ以上系統中提供１５ｆｐｓ的ＳＸＧＡ或３０ｆｐｓ的ＶＧＡ動態影像。該晶片採用Ｂａｙｅｒ濾光陣列把輸入光訊號分解成ＲＧＢ三原色，像素陣列有 １３１２×１０３６＝１３５９２３２個，成像像素有１２８０×１０２４＝１３１０７２０個。不成像像素可作為光學黑體像素用作黑值校準以補償由光線引起的 溫度變化和暴光變化。

晶片中使用的ＳＣＣＢ介面是ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ公司制定的一種用於控製圖像感應器的三線連續匯流排（ＳＣＳ、ＳＩＯ１、ＳＩＯ０），其中ＳＣＳ用於實現片選（低電平有效），當晶片被選中後，ＳＩＯ１、ＳＩＯ０在功能及使用上和Ｉ２Ｃ匯流排相容。

另外，ＯＶ９６２０還提供了一個控制訊號輸入端（ＰＷＤＮ），可用於實現掉電模式的開關。在本設計中，因為ＯＶ９６２０與其他晶片同時工作，因此，沒有採用片選而是由ＰＷＤＮ 來實現控制。

２．２ ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２的主要特點

ＥＺ －ＵＳＢ ＦＸ２（即ＣＹ７Ｃ６８０１３）是Ｃｙｐｒｅｓｓ公司為高速傳輸外設設計的ＵＳＢ２．０控制晶片。該晶片內含１個增強型８０５１處理器、１個串列介面引擎 （ＳＩＥ）、１個ＵＳＢ收發器、８．５ｋＢ片上ＲＡＭ、４ｋＢ ＦＩＦＯ儲存空間以及１個通用可程式化介面（ＧＰＩＦ）。

ＦＸ２採用量子ＦＩＦＯ處理構架，其ＵＳＢ介面和應用環境可以直接共用ＦＩＦＯ，而微控制器則可不參與資料轉送但允許以ＦＩＦＯ或ＲＡＭ方式訪問這些共用ＦＩＦＯ，這樣，就較好地解決了ＵＳＢ高速模式的頻寬問題。

ＦＸ２ 有一個Ｉ２Ｃ相容連接埠，當ＦＸ２作為主控制器，ＳＣＬ時鐘頻率為１００／４００ｋｂｐｓ時，該連接埠相容Ｉ２Ｃ匯流排。一般情況下，該連接埠由兩個內部控制器驅 動：一個在程式載入時自動讀取ＶＩＤ／ＰＩＤ／ＤＩＤ和配置資訊；另一個是晶片中的８０５１，一旦開始運行，８０５１利用晶片中的Ｉ２ＣＴＬ和Ｉ２ＤＡＴ 寄存器控制掛接在Ｉ２Ｃ匯流排上的外圍裝置。具體來說，系統上電時，ＦＸ２會通過內部邏輯監測Ｉ２Ｃ連接埠，如果發現有地址為０ｘＣ０ 或者是０ｘＣ２的Ｅ２ＰＲＯＭ，便在Ｅ２ＰＲＯＭ內部儲存空間０ｘＣ０使用ＶＩＤ／ＰＩＤ／ＤＩＤ值或者把Ｅ２ＰＲＯＭ的內容載入到內部ＲＡＭ中。

２．３ 電路原理及設計

設 計中可使用Ｉ２Ｃ匯流排實現ＵＳＢ控制器與映像感應器的串連，並選用Ｅ２ＰＲＯＭ（２４ＬＣ６５）作為代碼儲存空間，然後通過ＦＸ２的Ｃ２方式載入韌體程式。 系統上電複位後，處於主模式的ＵＳＢ控制器將通過ＰＡ１輸出啟動訊號，並經反向後傳到映像感應器的ＰＷＤＮ，以使處於從模式的圖象感應器開始工作。 ＰＣＬＫ提供像素時鐘，ＨＲＥＦ提供水平同步訊號，ＶＳＹＮＣ提供垂直同步訊號。這兩個同步訊號與映像資料的時序關係２所示。

ＶＳＹＮＣ會在一幀映像傳輸到控制器後觸發ＩＮＴ０中斷。因為資料量太大，本設計沒有在ＩＮＴ０中斷服務子程式中進行全部的資料處理，而是設定了一個標誌位，並通過標誌位的狀態來在主程式中進行處理，這樣就避免由於資料處理時間太長而使控制器無法響應其它中斷。

ＵＳＢ控制器的ＦＩＦＯ處於從模式。控制器的端點設定為ＥＰ２—５１２ 四重緩衝；ＥＰ６－５１２四重緩衝，塊傳輸模式。這樣的設定可以滿足系統要求。

３　介面程式設計

ＥＺ －ＵＳＢ ＦＸ２提供了豐富的中斷資源，除內建８０５１中斷資源外，ＦＸ２還為ＩＮＴ２和ＩＮＴ４提供了一個中斷向量表，表中有２７個 ＩＮＴ２（ＵＳＢ）中斷向量和１４個ＩＮＴ４中斷向量。因此，在設計中，大部分工作都可通過中斷服務子程式來完成。圖３、圖４分別是主程式流程和Ｉ２Ｃ ＩＮＴ中斷服務子程式的流程圖。

同ＥＺ－ＵＳＢ系列的其它控制器一樣，Ｃｙｐｒｅｓｓ公司也為ＦＸ２提供了比較完備的開發套件ＣＹ３６８１。這個套件包括帶１２８腳ＣＹ７Ｃ６８０１３的硬體開發板和相應的控制台以及ＧＰＩＦ代碼自動產生軟體。因此可以非常方便地實現韌體的開發。

ＵＳＢ 裝置驅動程式的設計是基於ＷＤＭ（驅動程式模型）並採用分層模型來進行。應用程式通過調用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ函數來進行的對ＷＩＮ３２子系統進行ＷＩＮ３２調用，並通過Ｉ／Ｏ管理器產生ＩＲＰ（Ｉ／Ｏ請求包），然後傳遞給ＵＳＢ驅動程式，接著再由驅動程式 執行相應的操作，並將結果返還給Ｉ／Ｏ管理器。用ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ可設定整個系統的回調常式，當添加一個新裝置和ＩＲＰ需要發送到驅動程式時，通過 核心可調用這些常式。下面是ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ常式的簡要內容：

ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞ＤｒｉｖｅｒＥｘｔｅｎｓｉｏｎ－＞ＡｄｄＤｅｖｉｃｅ＝ＶｃａｍｅｒａＡｄｄＤｅｖｉｃｅ;

ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞ＤｒｉｖｅｒＵｎｌｏａｄ＝ＶｃａｍｅｒａＵｎｌｏａｄ;

ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ[ＩＲＰ_ＭＪ_ＣＲＥＡＴＥ]＝ ＶｃａｍｅｒａＣｒｅａｔ;

ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ[ＩＲＰ_ＭＪ_ＣＬＯＳＥ]＝ ＶｃａｍｅｒａＣｌｏｓｅ

ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ[ＩＲＰ_ＭＪ_ＲＥＡＤ]＝ＶｃａｍｅｒａＲｅａｄ

ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ[ＩＲＰ_ＭＪ_ＷＲＩＴＥ]＝ＶｃａｍｅｒａＷｒｉｔｅ

……

實際上，ＵＳＢ客戶驅動程式中包含大量的常式，也對Ｗｉｎｄｏｗｓ ＤＤＫ工具下開發ＵＳＢ客戶驅動程式的方法和過程作了詳細的介紹。

４ 小結

目前，筆者已經開發出樣品，並且在一些應用程式上進行過測試，獲得了很好的效果，其解析度高達１２８０×１０２４。