基于EZ-USB FX2的圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)光學(xué)顯微鏡序列切片圖像采集設(shè)計(jì)了一種圖像采集系統(tǒng)。使用Philips解碼芯片SAA7113H將CCD模擬視頻信號(hào)解碼為8位數(shù)字信號(hào)，利用CY7C68013A的內(nèi)置FIFO及串行接口引擎將未壓縮的圖像數(shù)據(jù)直接通過(guò)USB串行總線傳輸?shù)絇C機(jī)，在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)圖像的顯示和存儲(chǔ)。經(jīng)驗(yàn)證，采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最大25幀／秒速率，720x576分辨率圖像的可控采集功能，具有成本低，采集圖像清晰，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，稍加修改后即可用于其他要求快速圖像或視頻采集的場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞：圖像采集；USB2．0；PAL；CY7C68013；SAA7113H

由于圖像采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量大，帶寬要求高，以往的圖像采集系統(tǒng)通常使用PCI總線實(shí)現(xiàn)。但是計(jì)算機(jī)本身配置的PCI接口數(shù)量非常有限，而且拆裝PCI接口設(shè)備需要打開(kāi)機(jī)箱，一般操作人員并不具備這樣的能力，導(dǎo)致系統(tǒng)應(yīng)用受到限制。USB(通用串行總線)接口列可以完全解決以上難題。首先，USB2．0接口的速度已經(jīng)達(dá)到480Mbps，完全可以滿足圖像采集系統(tǒng)對(duì)速度的要求。另外，USB接口是真正支持即插即用，且允許熱插撥的接口，所以目前大量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都選擇使用USB2．0接口實(shí)現(xiàn)。
本文利用SAA7113H實(shí)現(xiàn)模擬視頻信號(hào)解碼，并借助EZ-USB FX2單片機(jī)CY7C68013將數(shù)字圖像數(shù)據(jù)直接通過(guò)USB2．0接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過(guò)PC機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)圖像的無(wú)損采集，大大簡(jiǎn)化了采集卡的硬件設(shè)計(jì)，降低了采集卡硬件要求，有效降低了圖像采集卡的成本。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由視頻解碼芯片SAA7113H、USB控制芯片CY7C68013和一塊容量為1 kB的24C01EEPROM芯片組成。

1．1 視頻解碼芯片—SAA7113H
SAA7113H是飛利浦公司出品的一款視頻解碼芯片，它的作用是將輸入的模擬視頻信號(hào)解碼為標(biāo)準(zhǔn)的8位VPO數(shù)字信號(hào)。它可以輸入4路模擬視頻信號(hào)，通過(guò)I2C總線對(duì)內(nèi)部寄存器的不同配置可以對(duì)4路復(fù)合視頻輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換，改變亮度、對(duì)比度等參數(shù)。SAA7113H兼容PAL、NTSC等多種制式，可以自動(dòng)檢測(cè)場(chǎng)頻，可以在PAL、NTSC之間自動(dòng)切換控制。SAA7113H解碼后輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的YUV 4：2：2格式數(shù)字信號(hào)。
1．2 USB控制芯片——CY7C68013A
CYTC68013A(EZ—USB FX2)是Cypress半導(dǎo)體公司推出的一款USB2．0芯片，它內(nèi)部集成了增強(qiáng)的8051內(nèi)核，支持最大48 MHz的時(shí)鐘頻率，在相同時(shí)鐘頻率下，FX2的平均指令執(zhí)行速度可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)8051的2．5倍。CY7C68013芯片內(nèi)部集成了一個(gè)與8051內(nèi)核相對(duì)獨(dú)立的SIE(串行接口引擎)，在不需要8051內(nèi)核參與的情況下，通過(guò)USB端口和外部邏輯共享FIFO的方式，實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)與USB端口的數(shù)據(jù)交換，大大加快了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，可?shí)現(xiàn)的最大速度為480Mbps。
1．3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
硬件連接方面，利用CY7C68013的I2C端口連接24C01，以便在系統(tǒng)上電后提取24C01中的信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備枚舉，下載相應(yīng)固件。利用CY7C 68013模擬I2C端口連接SAA7113H，對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)解碼芯片初始化操作。CY7C68013工作在Slave FIFO(從屬的FIFO)模式，將SAA7113H的VPO數(shù)據(jù)總線直接連接到CY7C68013的FD總線，使用CY7C68013的IOAO端口檢測(cè)數(shù)字視頻的場(chǎng)標(biāo)志信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn)幀同步。將CY7C68 013的SLWR*(從屬寫)信號(hào)量為有效，SLRD(從屬讀)和SLOE(輸出有效)置為無(wú)效，由SAA7113H通過(guò)自身輸出的27MHz同步時(shí)鐘將數(shù)字視頻信號(hào)以同步方式直接寫入CY7C68013內(nèi)部的FIFO，再通過(guò)SIE將FIFO中的數(shù)據(jù)以高速方式直接傳送到PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括固件程序設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和PC機(jī)采集程序3大部分。