基于USB2.0的高分辨率數(shù)字攝像頭設計

摘要：介紹了一種基于USB2.0協(xié)議的高分辨率數(shù)字攝像頭，并給出了利用CMOS圖像傳感器OB9620和USB控制器CY7C68013設計高分辨率數(shù)字攝像頭的基本硬件電路以及軟件設計方法。

關(guān)鍵詞：USB2.0；I2C；攝像頭；OV9620

１ 概述

目前，能夠傳輸高品質(zhì)視頻信號的兩種總線接口（ＵＳＢ和ＩＥＥＥ １３９４接口）都支持即插即用，且具有易擴展、使用方便等特點。但是ＩＥＥＥ １３９４接口的價格相對較高，因此，當前采用更多的是ＵＳＢ接口。

ＵＳＢ的數(shù)據(jù)傳輸有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數(shù)據(jù)時，一般采用塊傳輸模式；而當傳輸實時性較強的數(shù)據(jù)時，則應采用中斷傳輸模式。現(xiàn)在的ＵＳＢ２．０規(guī)范在原有的低速模式（ｌｏｗ ｓｐｅｅｄ） １．５Ｍｂ／ｓ、全速模式（ｆｕｌｌ ｓｐｅｅｄ） １２Ｍｂ／ｓ的基礎上又支持高達４８０Ｍｂ／ｓ的高速模式（ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ），從而使ＵＳＢ總線真正成為能滿足高速應用場合的標準連接總線。在ＵＳＢ２．０中，每毫秒可發(fā)送８～１０微幀，這比ＵＳＢ１．１的傳輸速率有了極大的提高，同時對緩存的要求也大大降低了。ＵＳＢ２．０向下完全兼容，協(xié)議規(guī)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，這樣可以使設備在分享帶寬時沖突最小。

２　硬件電路

本系統(tǒng)選用ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．公司的ＯＶ９６２０作為視頻信號的采集芯片，用ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２作為ＵＳＢ控制芯片并為ＯＶ９６２０提供工作時鐘，Ｅ２ＰＲＯＭ使用２４ＬＣ６５，通過Ｉ２Ｃ總線連接所有芯片。硬件連接框圖見圖１所示。

２．１ ＯＶ９６２０的主要特性

ＯＶ９６２０是美國ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ公司為數(shù)字照相機和攝像機產(chǎn)品開發(fā)的高性能１３０萬像素彩色ＣＭＯＳ數(shù)字圖像傳感器芯片。與傳統(tǒng)的ＣＣＤ傳感器相比，ＣＭＯＳ最明顯的優(yōu)勢是集成度高、功耗小、生產(chǎn)成本低，容易與其他芯片整合。該款芯片的圖像總區(qū)域為６．８２５．３９ｍｍ２，成像區(qū)域為６．６６５．３２ｍｍ２，非常有利于產(chǎn)品的小型化。

該芯片支持ＳＸＧＡ（１２８０１０２４分辨率）和ＶＧＡ（６４０４８０分辨率）兩種模式和ＳＣＣＢ（Ｓｅｒｉａｌ Ｃａｍｅｒａ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｂｕｓ）接口，使用２４ＭＨｚ晶振，內(nèi)置１０位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，能提供１０位數(shù)字視頻信號。另外該芯片還可輸出像素時鐘以及行、場同步信號，并可以直接與專用集成電路系統(tǒng)連接，其后端系統(tǒng)可以通過ＳＣＣＢ接口來控制。可利用ＵＳＢ２．０控制器，在Ｐ４ １．５Ｇ以上系統(tǒng)中提供１５ｆｐｓ的ＳＸＧＡ或３０ｆｐｓ的ＶＧＡ動態(tài)影像。該芯片采用Ｂａｙｅｒ濾光陣列把輸入光信號分解成ＲＧＢ三原色，像素陣列有１３１２１０３６＝１３５９２３２個，成像像素有１２８０１０２４＝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。

芯片中使用的ＳＣＣＢ接口是ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ公司制定的一種用于控制圖像傳感器的三線連續(xù)總線（ＳＣＳ、ＳＩＯ１、ＳＩＯ０），其中ＳＣＳ用于實現(xiàn)片選（低電平有效），當芯片被選中后，ＳＩＯ１、ＳＩＯ０在功能及使用上和Ｉ２Ｃ總線兼容。

另外，ＯＶ９６２０還提供了一個控制信號輸入端（ＰＷＤＮ），可用于實現(xiàn)掉電模式的開關(guān)。在本設計中，因為ＯＶ９６２０與其他芯片同時工作，因此，沒有采用片選而是由ＰＷＤＮ 來實現(xiàn)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控制芯片。該芯片內(nèi)含１個增強型８０５１處理器、１個串行接口引擎（ＳＩＥ）、１個ＵＳＢ收發(fā)器、８．５ｋＢ片上ＲＡＭ、４ｋＢ ＦＩＦＯ存儲器以及１個通用可編程接口（ＧＰＩＦ）。

ＦＸ２采用量子ＦＩＦＯ處理構(gòu)架，其ＵＳＢ接口和應用環(huán)境可以直接共享ＦＩＦＯ，而微控制器則可不參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)试S以ＦＩＦＯ或ＲＡＭ方式訪問這些共享ＦＩＦＯ，這樣，就較好地解決了ＵＳＢ高速模式的帶寬問題。

ＦＸ２有一個Ｉ２Ｃ兼容端口，當ＦＸ２作為主控制器，ＳＣＬ時鐘頻率為１００／４００ｋｂｐｓ時，該端口兼容Ｉ２Ｃ總線。一般情況下，該端口由兩個內(nèi)部控制器驅(qū)動：一個在程序加載時自動讀取ＶＩＤ／ＰＩＤ／ＤＩＤ和配置信息；另一個是芯片中的８０５１，一旦開始運行，８０５１利用芯片中的Ｉ２ＣＴＬ和Ｉ２ＤＡＴ寄存器控制掛接在Ｉ２Ｃ總線上的外圍設備。具體來說，系統(tǒng)上電時，ＦＸ２會通過內(nèi)部邏輯監(jiān)測Ｉ２Ｃ端口，如果發(fā)現(xiàn)有地址為０ｘＣ０ 或者是０ｘＣ２的Ｅ２ＰＲＯＭ，便在Ｅ２ＰＲＯＭ內(nèi)部存儲空間０ｘＣ０使用ＶＩＤ／ＰＩＤ／ＤＩＤ值或者把Ｅ２ＰＲＯＭ的內(nèi)容加載到內(nèi)部ＲＡＭ中。

２．３ 電路原理及設計

設計中可使用Ｉ２Ｃ總線實現(xiàn)ＵＳＢ控制器與圖像傳感器的連接，并選用Ｅ２ＰＲＯＭ（２４ＬＣ６５）作為代碼存儲器，然后通過ＦＸ２的Ｃ２方式加載固件程序。系統(tǒng)上電復位后，處于主模式的ＵＳＢ控制器將通過ＰＡ１輸出啟動信號，并經(jīng)反向后傳到圖像傳感器的ＰＷＤＮ，以使處于從模式的圖象傳感器開始工作。ＰＣＬＫ提供像素時鐘，ＨＲＥＦ提供水平同步信號，ＶＳＹＮＣ提供垂直同步信號。這兩個同步信號與圖像數(shù)據(jù)的時序關(guān)系如圖２所示。

ＶＳＹＮＣ會在一幀圖像傳輸?shù)娇刂破骱笥|發(fā)ＩＮＴ０中斷。因為數(shù)據(jù)量太大，本設計沒有在ＩＮＴ０中斷服務子程序中進行全部的數(shù)據(jù)處理，而是設置了一個標志位，并通過標志位的狀態(tài)來在主程序中進行處理，這樣就避免由于數(shù)據(jù)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處于從模式。控制器的端點設置為ＥＰ２―５１２ 四重緩存；ＥＰ６－５１２四重緩存，塊傳輸模式。這樣的設置可以滿足系統(tǒng)要求。

３　接口程序設計

ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２提供了豐富的中斷資源，除內(nèi)置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序來完成。圖３、圖４分別是主程序流程和Ｉ２Ｃ ＩＮＴ中斷服務子程序的流程圖。

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(fā)套件ＣＹ３６８１。這個套件包括帶１２８腳ＣＹ７Ｃ６８０１３的硬件開發(fā)板和相應的控制面板以及ＧＰＩＦ代碼自動生成軟件。因此可以非常方便地實現(xiàn)固件的開發(fā)。

ＵＳＢ設備驅(qū)動程序的設計是基于ＷＤＭ（驅(qū)動程序模型）并采用分層模型來進行。應用程序通過調(diào)用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ函數(shù)來進行的對ＷＩＮ３２子系統(tǒng)進行ＷＩＮ３２調(diào)用，并通過Ｉ／Ｏ管理器產(chǎn)生ＩＲＰ（Ｉ／Ｏ請求包），然后傳遞給ＵＳＢ驅(qū)動程序，接著再由驅(qū)動程序執(zhí)行相應的操作，并將結(jié)果返還給Ｉ／Ｏ管理器。用ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ可設置整個系統(tǒng)的回調(diào)例程，當添加一個新設備和ＩＲＰ需要發(fā)送到驅(qū)動程序時，通過內(nèi)核可調(diào)用這些例程。下面是ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ例程的簡要內(nèi)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(qū)動程序中包含大量的例程，也對Ｗｉｎｄｏｗｓ ＤＤＫ工具下開發(fā)ＵＳＢ客戶驅(qū)動程序的方法和過程作了詳細的介紹。

４ 小結(jié)

目前，筆者已經(jīng)開發(fā)出樣品，并且在一些應用程序上進行過測試，獲得了很好的效果，其分辨率高達１２８０１０２４。