基于USB2.0的高分辨率數(shù)字?jǐn)z像頭設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于USB2.0協(xié)議的高分辨率數(shù)字?jǐn)z像頭，并給出了利用CMOS圖像傳感器OB9620和USB控制器CY7C68013設(shè)計(jì)高分辨率數(shù)字?jǐn)z像頭的基本硬件電路以及軟件設(shè)計(jì)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(hào)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(kuò)展、使用方便等特點(diǎn)。但是ＩＥＥＥ １３９４接口的價(jià)格相對(duì)較高，因此，當(dāng)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(dāng)需要快速傳輸大批量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)時(shí)，一般采用塊傳輸模式；而當(dāng)傳輸實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)時(shí)，則應(yīng)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(chǔ)上又支持高達(dá)４８０Ｍｂ／ｓ的高速模式（ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ），從而使ＵＳＢ總線真正成為能滿(mǎn)足高速應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)對(duì)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(jī)控制器和ｈｕｂ之間也可以進(jìn)行高速傳輸，但是ｈｕｂ和外設(shè)之間仍然保持原有傳輸模式，這樣可以使設(shè)備在分享帶寬時(shí)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(hào)的采集芯片，用ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２作為ＵＳＢ控制芯片并為ＯＶ９６２０提供工作時(shí)鐘，Ｅ２ＰＲＯＭ使用２４ＬＣ６５，通過(guò)Ｉ２Ｃ總線連接所有芯片。硬件連接框圖見(jiàn)圖１所示。

２．１ ＯＶ９６２０的主要特性

ＯＶ９６２０是美國(guó)ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ公司為數(shù)字照相機(jī)和攝像機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的高性能１３０萬(wàn)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(shì)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?yàn)椋叮福玻担常梗恚恚?，成像區(qū)域?yàn)椋叮叮叮担常玻恚恚?，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(hào)。另外該芯片還可輸出像素時(shí)鐘以及行、場(chǎng)同步信號(hào)，并可以直接與專(zhuān)用集成電路系統(tǒng)連接，其后端系統(tǒng)可以通過(guò)ＳＣＣＢ接口來(lái)控制?？衫茫眨樱拢玻翱刂破?，在Ｐ４ １．５Ｇ以上系統(tǒng)中提供１５ｆｐｓ的ＳＸＧＡ或３０ｆｐｓ的ＶＧＡ動(dòng)態(tài)影像。該芯片采用Ｂａｙｅｒ?yàn)V光陣列把輸入光信號(hào)分解成ＲＧＢ三原色，像素陣列有１３１２１０３６＝１３５９２３２個(gè)，成像像素有１２８０１０２４＝１３１０７２０個(gè)。不成像像素可作為光學(xué)黑體像素用作黑值校準(zhǔn)以補(bǔ)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(shí)現(xiàn)片選（低電平有效），當(dāng)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(gè)控制信號(hào)輸入端（ＰＷＤＮ），可用于實(shí)現(xiàn)掉電模式的開(kāi)關(guān)。在本設(shè)計(jì)中，因?yàn)椋希郑梗叮玻芭c其他芯片同時(shí)工作，因此，沒(méi)有采用片選而是由ＰＷＤＮ 來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。

２．２ ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２的主要特點(diǎn)

ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２（即ＣＹ７Ｃ６８０１３）是Ｃｙｐｒｅｓｓ公司為高速傳輸外設(shè)設(shè)計(jì)的ＵＳＢ２．０控制芯片。該芯片內(nèi)含１個(gè)增強(qiáng)型８０５１處理器、１個(gè)串行接口引擎（ＳＩＥ）、１個(gè)ＵＳＢ收發(fā)器、８．５ｋＢ片上ＲＡＭ、４ｋＢ ＦＩＦＯ存儲(chǔ)器以及１個(gè)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(yīng)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(wèn)這些共享ＦＩＦＯ，這樣，就較好地解決了ＵＳＢ高速模式的帶寬問(wèn)題。

ＦＸ２有一個(gè)Ｉ２Ｃ兼容端口，當(dāng)ＦＸ２作為主控制器，ＳＣＬ時(shí)鐘頻率為１００／４００ｋｂｐｓ時(shí)，該端口兼容Ｉ２Ｃ總線。一般情況下，該端口由兩個(gè)內(nèi)部控制器驅(qū)動(dòng)：一個(gè)在程序加載時(shí)自動(dòng)讀?。郑桑模校桑模模桑暮团渲眯畔ⅲ涣硪粋€(gè)是芯片中的８０５１，一旦開(kāi)始運(yùn)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(shè)備。具體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)上電時(shí)，ＦＸ２會(huì)通過(guò)內(nèi)部邏輯監(jiān)測(cè)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(chǔ)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(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中可使用Ｉ２Ｃ總線實(shí)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(chǔ)器，然后通過(guò)ＦＸ２的Ｃ２方式加載固件程序。系統(tǒng)上電復(fù)位后，處于主模式的ＵＳＢ控制器將通過(guò)ＰＡ１輸出啟動(dòng)信號(hào)，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(kāi)始工作。ＰＣＬＫ提供像素時(shí)鐘，ＨＲＥＦ提供水平同步信號(hào)，ＶＳＹＮＣ提供垂直同步信號(hào)。這兩個(gè)同步信號(hào)與圖像數(shù)據(jù)的時(shí)序關(guān)系如圖２所示。

ＶＳＹＮＣ會(huì)在一幀圖像傳輸?shù)娇刂破骱笥|發(fā)ＩＮＴ０中斷。因?yàn)閿?shù)據(jù)量太大，本設(shè)計(jì)沒(méi)有在ＩＮＴ０中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行全部的數(shù)據(jù)處理，而是設(shè)置了一個(gè)標(biāo)志位，并通過(guò)標(biāo)志位的狀態(tài)來(lái)在主程序中進(jìn)行處理，這樣就避免由于數(shù)據(jù)處理時(shí)間太長(zhǎng)而使控制器無(wú)法響應(yīng)其它中斷。

ＵＳＢ控制器的ＦＩＦＯ處于從模式?？刂破鞯亩它c(diǎn)設(shè)置為ＥＰ２―５１２ 四重緩存；ＥＰ６－５１２四重緩存，塊傳輸模式。這樣的設(shè)置可以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

３　接口程序設(shè)計(jì)

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(gè)中斷向量表，表中有２７個(gè) ＩＮＴ２（ＵＳＢ）中斷向量和１４個(gè)ＩＮＴ４中斷向量。因此，在設(shè)計(jì)中，大部分工作都可通過(guò)中斷服務(wù)子程序來(lái)完成。圖３、圖４分別是主程序流程和Ｉ２Ｃ ＩＮＴ中斷服務(wù)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(kāi)發(fā)套件ＣＹ３６８１。這個(gè)套件包括帶１２８腳ＣＹ７Ｃ６８０１３的硬件開(kāi)發(fā)板和相應(yīng)的控制面板以及ＧＰＩＦ代碼自動(dòng)生成軟件。因此可以非常方便地實(shí)現(xiàn)固件的開(kāi)發(fā)。

ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是基于ＷＤＭ（驅(qū)動(dòng)程序模型）并采用分層模型來(lái)進(jìn)行。應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ函數(shù)來(lái)進(jìn)行的對(duì)ＷＩＮ３２子系統(tǒng)進(jìn)行ＷＩＮ３２調(diào)用，并通過(guò)Ｉ／Ｏ管理器產(chǎn)生ＩＲＰ（Ｉ／Ｏ請(qǐng)求包），然后傳遞給ＵＳＢ驅(qū)動(dòng)程序，接著再由驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行相應(yīng)的操作，并將結(jié)果返還給Ｉ／Ｏ管理器。用ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ可設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)的回調(diào)例程，當(dāng)添加一個(gè)新設(shè)備和ＩＲＰ需要發(fā)送到驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，通過(guò)內(nèi)核可調(diào)用這些例程。下面是ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ例程的簡(jiǎn)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(shí)際上，ＵＳＢ客戶(hù)驅(qū)動(dòng)程序中包含大量的例程，也對(duì)Ｗｉｎｄｏｗｓ ＤＤＫ工具下開(kāi)發(fā)ＵＳＢ客戶(hù)驅(qū)動(dòng)程序的方法和過(guò)程作了詳細(xì)的介紹。

４ 小結(jié)

目前，筆者已經(jīng)開(kāi)發(fā)出樣品，并且在一些應(yīng)用程序上進(jìn)行過(guò)測(cè)試，獲得了很好的效果，其分辨率高達(dá)１２８０１０２４。