基于USB接口的同步視頻輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種實(shí)用的基于USB 2.0協(xié)議的同步視頻輸出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用CYPRESS公司的FX2 USB控制器，采用GPIF模式，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，能依據(jù)PAL制電視標(biāo)準(zhǔn)與主機(jī)同步輸出視頻圖像。
關(guān)鍵詞：USB2.0協(xié)議 視頻圖像 PAL制 GPIF

    在信息技術(shù)日新月異的今天，人們對(duì)視頻圖像傳輸?shù)男枨笤絹?lái)越迫切，要求越來(lái)越高，而整個(gè)圖像傳輸系統(tǒng)的瓶頸在于視頻圖像的信息量很大，而且傳輸?shù)倪^(guò)程中容易出現(xiàn)延時(shí)、抖動(dòng)、失真等現(xiàn)象，因此在選擇視頻圖像傳輸?shù)目偩€要求速度高，錯(cuò)誤率低的特點(diǎn)。目前視頻圖像實(shí)時(shí)傳輸采用的總線主要有PCI、1394以及USB。三者比較而言，USB 2.0高速傳輸協(xié)議，兼有快速、通用、可靠、省電、熱插拔等優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)基于PCI總線、1394總線的視頻輸出系統(tǒng)，具有更強(qiáng)大的通用性和靈活性。特別是在需要利用筆記本電腦等便攜設(shè)備進(jìn)行視頻輸出的場(chǎng)合

    本文介紹的同步視頻輸出系統(tǒng)，由作為外設(shè)的視頻輸出接口卡和主機(jī)上的應(yīng)用軟件兩個(gè)部分組成，采用通用串行總線（USB）實(shí)現(xiàn)視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸，并依據(jù)PAL制電視標(biāo)準(zhǔn)與主機(jī)同步視頻顯示，畫(huà)面流暢清晰。

1.視頻輸出接口卡硬件結(jié)構(gòu)和工作原理
1.1 視頻輸出接口卡的硬件結(jié)構(gòu)
    視頻輸出接口卡的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由內(nèi)置MCU的USB接口芯片、圖像存儲(chǔ)SRAM、以及D/A圖像輸出三個(gè)部分。各部分的主要功能為：USB接口芯片和主機(jī)通信，將主機(jī)的視頻圖像數(shù)據(jù)按照一定時(shí)序通過(guò)USB電纜寫(xiě)入SRAM保存；SRAM芯片負(fù)責(zé)數(shù)字視頻信號(hào)的存儲(chǔ)；D/A圖像輸出部分將數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號(hào)，按照PAL制式進(jìn)行輸出顯示。

1.2 視頻圖像傳輸和存儲(chǔ)顯示
    本系統(tǒng)視頻圖像數(shù)據(jù)是通過(guò)USB電纜傳輸，USB電纜包含4根電線：Vbus，D＋，D－和GND。數(shù)據(jù)以480M高速信號(hào)在D＋和D－信號(hào)線上差分傳輸，而收發(fā)器在USB接口控制芯片上，不需要外部電路。

    USB接口部分是本系統(tǒng)最為重要的通信部分。USB接口控制芯片采用的是CYPRESS公司的EZ USB FX2系列CY7C68013芯片。它內(nèi)部集成帶8KB片內(nèi)RAM的增強(qiáng)型51系列MCU、16位并行地址總線、8/16數(shù)據(jù)總線、IIC總線、4KB FIFO 存儲(chǔ)器以及通用可編程接口GPIF，串行接口引擎SIE和USB收發(fā)器，是USB 2.0的完整的解決方案。
 
    串行接口引擎智能SIE通過(guò)包排序、信號(hào)產(chǎn)生/檢測(cè)、CRC產(chǎn)生/校驗(yàn)、NRZI數(shù)據(jù)編碼、位填充和包標(biāo)識(shí)產(chǎn)生/解碼來(lái)處理USB通信協(xié)議，并保證傳輸?shù)経SB電纜上的數(shù)據(jù)字節(jié)以LSB開(kāi)頭。它使MCU從繁瑣的USB協(xié)議中脫身，集中注意力放在控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。

    FX2內(nèi)部集成的高速M(fèi)CU為增強(qiáng)型8051，功能較傳統(tǒng)的8051系列單片機(jī)強(qiáng)大，但在代碼的編寫(xiě)上兼容，使用方便，且速度是標(biāo)準(zhǔn)8051的3～5倍，工作頻率可以軟件設(shè)置，最高可為48Mhz，還帶有兩個(gè)串口，三個(gè)計(jì)數(shù)/定時(shí)器，八級(jí)中斷，雙數(shù)據(jù)指針?lè)奖銛?shù)據(jù)塊搬移。

    外設(shè)接口有兩種接口方式：可編程接口GPIF和Slave FIFO。可編程邏輯接口GPIF是主控方式，可以由軟件設(shè)計(jì)讀寫(xiě)控制波形，不通過(guò)MCU，就可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)對(duì)任何8/16位接口的控制器、存儲(chǔ)器和總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。而且讀寫(xiě)的最高速度可以達(dá)到96MB/s，高于USB2.0的傳輸速度。Slave FIFO是從控方式，外部控制器（如DSP 和單片機(jī)等）可以像對(duì)普通的FIFO一樣對(duì)FX2的多重緩沖讀寫(xiě)，工作方式也可選擇同步或異步，工作時(shí)鐘可以選擇輸入和輸出。

    另外，它是基于RAM的“軟”系統(tǒng)解決方案，不需要ROM或者其他的固化存儲(chǔ)器，可以使用片內(nèi)的程序/數(shù)據(jù)RAM。固件可以直接通過(guò)USB電纜下載，方便固件的修改和升級(jí)。

    靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM采用IDT公司雙口異步靜態(tài)RAM芯片IDT70v09，8位數(shù)據(jù)線，17根地址線，64M容量。

    視頻信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換的芯片是DAC0800, 將數(shù)字圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，依據(jù)PAL制輸出。PAL制視頻輸出標(biāo)準(zhǔn)為25幀/秒，一幀分奇偶兩場(chǎng)，20ms一場(chǎng)，其中場(chǎng)正程為17ms,逆程為3ms。系統(tǒng)中正是利用場(chǎng)同步信號(hào)作為同步標(biāo)準(zhǔn)，使USB設(shè)備的圖像傳輸和顯示一致。

1.3 工作原理
    當(dāng)USB設(shè)備第一次插入到USB接口時(shí)，F(xiàn)X2通過(guò)USB電纜自動(dòng)枚舉，并下載固件程序和USB描述符表；接下來(lái)，F(xiàn)X2二次枚舉，根據(jù)下載的信息定義重新定義USB設(shè)備。這兩個(gè)步驟稱(chēng)為再枚舉，設(shè)備插入時(shí)就立即執(zhí)行而沒(méi)有提示。二次枚舉以后主機(jī)可以通過(guò)控制管道和USB設(shè)備通訊，完成USB設(shè)備的端點(diǎn)配置等初始化工作，完畢，開(kāi)始查詢(xún)USB設(shè)備是否準(zhǔn)備好。USB設(shè)備端MCU檢測(cè)外部中斷INT0（場(chǎng)信號(hào)跳變沿），若外部中斷INT0發(fā)生，則轉(zhuǎn)入外部中斷服務(wù)子程序，應(yīng)答主機(jī)，說(shuō)明USB設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備好接受數(shù)據(jù)，主機(jī)查詢(xún)到此應(yīng)答后，應(yīng)用程序發(fā)一場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)到FX2，單片機(jī)檢測(cè)到數(shù)據(jù)到達(dá)后，啟動(dòng)GPIF，然后GPIF獨(dú)立于MCU將圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入SRAM，一場(chǎng)圖像傳輸完畢，結(jié)束GPIF，退出中斷服務(wù)子程序，直到下一輪中斷開(kāi)始。D/A部分電路在場(chǎng)正程部分讀取SRAM圖像數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出顯示，而在場(chǎng)逆程中禁止讀取SRAM。

2.固件（FIRMWARE）設(shè)計(jì)
    固件是指固化在USB控制器中MCU的程序，它的主要功能是負(fù)責(zé)接收與處理主機(jī)發(fā)給設(shè)備的各種請(qǐng)求，并向主機(jī)返回設(shè)備的狀態(tài)信息。FX2 系列的固件代碼可以存儲(chǔ)到主機(jī)中，設(shè)備上電復(fù)位以后通過(guò)USB電纜手動(dòng)下載到FX2，這種方法易于升級(jí)，在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中很方便；固件代碼可以固化到片外存儲(chǔ)器EEPROM或者是ROM，設(shè)備上電以后，自動(dòng)下載固件到片內(nèi)RAM，這兩種方法可以將系統(tǒng)固件做成產(chǎn)品，無(wú)須每次手動(dòng)下載。

    本系統(tǒng)中固件分兩個(gè)部分，一個(gè)是數(shù)據(jù)通道的控制，一個(gè)是主機(jī)控制命令的應(yīng)答。數(shù)據(jù)通道的控制主要是GPIF控制數(shù)據(jù)傳輸管道完成。而控制管道EP0則負(fù)責(zé)主機(jī)和USB設(shè)備端的去掉數(shù)據(jù)部分的通信：更改管道和端點(diǎn)配置信息，設(shè)置軟件中斷，更改GPIF視頻圖像傳輸?shù)拇笮?，獲取重要寄存器的狀態(tài)等等。
 
    固件的程序框圖如上所示。其中設(shè)備請(qǐng)求部分即為控制管道信息，是由單片機(jī)負(fù)責(zé)，而數(shù)據(jù)通道主要是通過(guò)GPIF操作，隔離了單片機(jī)的參與，提高數(shù)據(jù)傳輸速度。

    固件代碼編寫(xiě)使用Keil uVision，GPIF編程應(yīng)用CYPRESS公司的GPIF工具（GPIFTOOL）。GPIF可以控制FX2端點(diǎn)FIFO，也可以產(chǎn)生六個(gè)控制輸出端（CTL0～CTL5）和九根地址線輸出，并且可以接收六個(gè)外部輸入信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行邏輯編程控制，從而控制FX2與外部接口的讀寫(xiě)時(shí)序。實(shí)際操作可以利用GPIFTOOL繪制波形描述符，轉(zhuǎn)為C文件，配置各個(gè)相關(guān)的寄存器，控制SRAM接口讀寫(xiě)邏輯。
SRAM硬件接口的時(shí)序圖如下：
 
    依據(jù)上面的波形圖，我們只需要在S1結(jié)束的時(shí)候跳轉(zhuǎn)S0 狀態(tài)即可。將繪制的波形圖應(yīng)用GPIF TOOL轉(zhuǎn)換為gpif.c文件，加入Project中，連接編譯即可得到固件。

    在固件編程中電源管理部分，由于FX2在首次枚舉電流大約是75mA，F(xiàn)X2設(shè)備的識(shí)別則至少需要100mA，小于500mA，因此在固件中要加進(jìn)電源檢測(cè)，如果小于100mA，必須向主機(jī)申請(qǐng)更大的電流，直到主機(jī)正確識(shí)別FX2。

3.用戶(hù)應(yīng)用程序和USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
    USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是連接USB外設(shè)、操作系統(tǒng)以及用戶(hù)應(yīng)用程序的橋梁，是USB設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件接口。

    FX2 系列CYPRESS公司提供了一個(gè)通用的USB驅(qū)動(dòng)程序ezusb.sys，可以實(shí)現(xiàn)USB外設(shè)和應(yīng)用程序之間的一般的通信和控制功能,開(kāi)發(fā)者如果需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)特有的通信和控制功能，必須在此基礎(chǔ)上加以修改，比如，通用USB驅(qū)動(dòng)程序每一次塊傳輸數(shù)據(jù)大小必須小于64KB，而一般一幅圖像數(shù)據(jù)的大小大于或者等于64KB，如果要求每次傳輸一幅圖像到USB外設(shè)，則必須在通用USB驅(qū)動(dòng)程序上加以改動(dòng)。

    此外還需要在驅(qū)動(dòng)程序中添加下載固件部分，在USB外設(shè)上電以后，可以自動(dòng)下載固件到FX2的RAM中，F(xiàn)X2二次枚舉，主機(jī)正確識(shí)別USB外設(shè)。

    用戶(hù)的應(yīng)用程序是操作系統(tǒng)和用戶(hù)的接口，它以不同的參數(shù)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的函
數(shù)，控制USB外設(shè)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)定義系統(tǒng)的各種功能：讀寫(xiě)視頻圖像，利用控制管道的用戶(hù)定義命令對(duì)FX2進(jìn)行監(jiān)控以及重新下載固件等等。

    應(yīng)用程序的程序框圖如下：
 
4.結(jié)束語(yǔ)
    針對(duì)視頻圖像同步輸出實(shí)際需要，本系統(tǒng)采用USB 2.0的高速協(xié)議，CYPRESS公司的FX2 USB 控制器，使USB設(shè)備接口硬件簡(jiǎn)化，引入視頻顯示部分的場(chǎng)同步信號(hào)觸發(fā)數(shù)據(jù)流，視頻圖像的顯示結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)平滑。本系統(tǒng)視頻圖像的傳輸速度嚴(yán)格依據(jù)PAL制為50場(chǎng)/秒，GPIF的接口速度為24MB/s。此外本系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，方便實(shí)用，稍加改動(dòng)，可以將任何數(shù)據(jù)從主機(jī)高速導(dǎo)入外設(shè)，目前可以達(dá)到最大速度為23MB/s；如果加入視頻采集部分電路，就可成為一個(gè)實(shí)時(shí)采集視頻系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)
1． Cypress Semiconductor Corporation. EZ-USB FX2 Technical Reference Manual,2002;12
2． Compaq ,HP ,Philips etc. Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 ,2000