解讀USB控制器芯片及其在圖像采集中的應(yīng)用

一、USB規(guī)范簡介

USB是一種支持在USB主機和USB設(shè)備之間進行串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議。主機作為總線的主叫方，采用兩種信令模式：全速模式12Mb/s和低速模式1.5Mb/s。USB使用四種數(shù)據(jù)傳輸方式：控制傳輸(control)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)及等時傳輸(isochronous)。其中控制模式主要用于控制指令傳輸及USB規(guī)范的實現(xiàn)，等時傳輸主要用于音頻及視頻傳輸。USB通過兩次總線列舉(Enumeration and

Renumertion)來實現(xiàn)設(shè)備識別以及驅(qū)動程序析加載。其具體過程為：USB設(shè)備連到主機后，主機依據(jù)USB規(guī)范在特定地址通過端口0(endpoint0)與外設(shè)通信，并將外設(shè)視為默認設(shè)備。外設(shè)與主機通信將其6設(shè)備標識(DID、PID、VID)發(fā)給主機進行第二次總線列舉。主機根據(jù)設(shè)備標識，加載相應(yīng)設(shè)備驅(qū)動程序，重新分配地址，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給外設(shè)固件(firmware)，通過固件與設(shè)備驅(qū)動程序及主機應(yīng)用程序的交互通信，來實現(xiàn)外設(shè)的功能。

二、USB控制器芯片

1.CYPRESS2131簡介

CYPRESS2131芯片是一種高度集成的USB芯片，具有3個顯著特片：

(1)提供一種軟件(SOFT，RAM BASED)解決方案，可實現(xiàn)外設(shè)固件的不斷更新與升級;

(2)完全符合USB規(guī)范，提供足夠的端點數(shù)目、緩沖區(qū)大小以及足夠的速度;

(3)其內(nèi)核可自動實現(xiàn)對USB規(guī)范的響應(yīng)，最大限度地壓縮了代碼長度。

另外，CYPRESS2131還支持存儲器擴展，具有低功耗、低噪聲、有效的高級語言支持和增強的指令集等特性。CYPRESS2131芯片為80針PQFP封裝，其引腳如圖1所示。

2.CYPRESS2131的組成

CYPRESS2131功能框圖如圖2所示。

(1)收發(fā)器

USB電纜只包含4根電線：Vbus、D+、D-和GND。數(shù)據(jù)以12Mb/s的全速信號或1.5Mb/s的低速信號在D+和D-信號線上差分傳輸。收發(fā)器建在芯片上，不需要外部電路(在D+或D-上用來選擇全速或低速的上拉電阻的情況除外)。

(2)串行接口引擎(SIE)

SIE通過包排序、信號產(chǎn)生/檢測、CRC產(chǎn)生/校驗、NRZI數(shù)據(jù)編碼、位填充和包標識產(chǎn)生/解碼來處理USB通信協(xié)議，并保證傳送到USB電纜上的數(shù)據(jù)字節(jié)以LSB開頭。

(3)微控制及片上RAM

CYPRESS2131使用增強型8051，具有以下特點：

(1)使用3.3V電源;

(2)24MHz晶振，一個總線周期僅用4個時鐘周期;

(3)使用雙數(shù)據(jù)指針;

(4)增加了異步串口UART2和16位定時器T2;

(5)高速內(nèi)存接口及專用16位地址總線;

(6)增加了8個中斷(INT2～INT5、PFI、T2及UART2);

(7)快速外部存儲存取模式(使用AutoPoint);

(8)支持斷點功能。

CYPRESS2131上用的片內(nèi)內(nèi)存(RAM)為8KB，但是為了便于外設(shè)固件的升級與更新，該8KB RAM既可用于傳統(tǒng)意義上的ROM，又可用于RAM。其中的6KB用于程序存儲與數(shù)據(jù)存儲，其他2KB用于端點緩沖區(qū)。　　　　　　 CYPRESS2131使用16個端：8個批量傳輸端點(IN、OUT各8個)、8個等時傳輸端點(IN、OUT各8個)，每個端點的緩沖區(qū)為 64Byte。每個端點均個有字節(jié)計數(shù)器及重新發(fā)送和接收當數(shù)據(jù)組的能力。該8KB RAM需通過命令MOVX進行訪問。

另外，為了便于實現(xiàn)總線列舉和國外部功能芯片相通信，CYPRESS2131還支持I2C總線。

三、CYPRESS2131在圖像采集中的應(yīng)用

1.圖像采集系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

在圖像采集系統(tǒng)中，使用OV6120作為圖像采集芯片。OV6120是OmniVision公司開發(fā)的COMS黑白圖像采集芯片。該芯片將COMS光感應(yīng)核與外圍支持電路集成在一起，輸出的視頻為黑白圖像，與CCIR標準兼容;也可輸出單幀圖像，為 YUV格式，從其D7：0輸出Y信號。這里使用YUV方式。

在整個圖像采集系統(tǒng)中，CYPRESS2131主要有三方面的作用：作為 USB芯片與主機通信并傳輸數(shù)據(jù);利用其片上增強型8051作為控制器使OV6120正常工作;通過其I2C總線對OV6120的對比度、亮度、銳度等各項參數(shù)進行設(shè)置。其具體工作過程為：SUB芯片上電復(fù)位后，CYPRESS2131按照USB規(guī)范應(yīng)答，提供設(shè)備標識，USB進行二次總線列舉，加載對應(yīng)驅(qū)動程序，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給8051。8051通過I2C總線對OV6120各項參數(shù)進行設(shè)置。8051發(fā)出幀采集指令(通過OV6120的FREX)后進行圖像采集，并同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移信號PCLK、行頻HSYNC及場頻VSYNC(后兩個信號，圖3中未標出)一起傳給8051。8051將所得的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)儲到SRAM中，當一幀數(shù)據(jù)采集完后，再將SRAM中數(shù)據(jù)通過USB總線傳至PC。CYPRESS2131在訪問外部RAM時，通過FWR與FRD使之成為快速讀寫模式。使用標準12MHz晶振的情況下，讀或?qū)懲獠縍AM一個字節(jié)只需使用333ns。圖像采集系統(tǒng)原理示意如圖3所示。

2.圖像采集系統(tǒng)源程序

由于驅(qū)動程序較為復(fù)雜，這里僅給出利用USB總線發(fā)送數(shù)據(jù)的8051子例程。

START：MOV SP，#STACK-1 ;設(shè)置堆棧

FILL：MOV R7，#64 ;設(shè)置傳輸字節(jié)數(shù)

MOV DPTR，#IN2BUF;使用BULK端點

MOV DPTR1，#0000H

MOV A，@DPTR1 ;從外部RAM中讀取數(shù)據(jù)

INC DPTR1

MOVX @DPTR，A

INC DPTR

DJNZ R7，F(xiàn)ILL

MOV DPTR，#IN2BC

MOV A，#40H

MOVX @DPTR，A ;啟動IN2緩沖區(qū)傳輸

LOOP：MOV DPTR，#IN2CS

MOVX A，@DPTR

JNB ACC.1，F(xiàn)ILL ;若不忙，繼續(xù)循環(huán)

END