實現(xiàn)基于USB3.0技術的高清攝像頭系統(tǒng)設計

　　高清圖像質量已經快速成為現(xiàn)代家庭中多媒體產品的標準配置。在該領域之外的許多應用中，更高的分辨率、更好的對比度、更大的色深和更快的幀率也都越來越受歡迎，這些應用包括安保、醫(yī)療成像和工廠生產線檢測系統(tǒng)等等。當然，盡管增強型成像技術在不久的將來更加流行似乎是板上釘釘?shù)氖虑?，但這將取決于支持更高數(shù)據(jù)傳輸能力的先進半導體技術的發(fā)展。本文將以實例闡述半導體技術所取得的進展。

　　雖然USB連接標準開始并沒有引起太多關注，但從上世紀90年代中期第一次脫穎而出已經改變了很多，它現(xiàn)在已經遠遠不只是為低數(shù)據(jù)速率的鼠標和鍵盤等外圍設備提供簡單的連接。USB3.0 SuperSpeed標準的推出大幅提高了數(shù)據(jù)速率，很多以前USB技術應用不足的行業(yè)現(xiàn)在可以實現(xiàn)高性能視頻成像系統(tǒng)，這種系統(tǒng)仍然可以很高的性價比進行部署，不需要配備龐大的工程資源。USB3.0 SuperSpeed的速度幾乎比上一代USB 2.0快了一個量級，它具有完全的向后兼容性，仍然具有相同的即插即用便利性，正是這種便利使USB標準獲得了普遍的吸引力(據(jù)估計，目前全球正在運行的USB端口比人口的總數(shù)還要多)。 USB3.0不僅支持超快的數(shù)據(jù)傳輸，它還可以在相當長的距離(可達10米)維持高數(shù)據(jù)傳輸速率，而其他接口技術在這方面往往受限，在距離超過幾米時便不得不求助于傳輸纜線。此外，采用USB技術部署的視頻攝像頭系統(tǒng)可以發(fā)揮其供電能力，在攝像頭和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間只需一個電纜連接即可工作，而不是一個電纜用于視頻數(shù)據(jù)傳輸，另一個電纜來供電。顯然，這最后一點在遠程視頻應用中很可能具有更明顯的優(yōu)勢，如視頻監(jiān)控和工業(yè)監(jiān)測設備，在這些系統(tǒng)中架設多個電纜有明顯的缺點，會增大與部署系統(tǒng)相關的成本。圖1 是USB3.0與USB2.0和Camera Link(相機連接)接口術的比較，可以看出，USB3.0有能力成為實現(xiàn)廣泛的高清視頻的基本接口技術。

　　視頻成像設計實例的組成部分概述

　　● 東芝2560 x 1440像素分辨率微型攝像頭(microscope camera)
　　● FTDI Chip 公司FT601Q SuperSpeed USB-to-FIFO橋接IC
　　● 賽靈思 Spartan 6 FPGA
　　● 具有USB 3.0端口的PC
　　● 1/4全高清(QHD)顯示器
　　● 3.0 SuperSpeed USB-to-FIFO 橋
　　● 集成式32 位 FIFO總線

　　圖2所示為一個簡單的USB3.0成像裝置，工作在Windows8操作系統(tǒng)下，高分辨率微型攝像頭(2560 X1440像素)通過USB3.0把成像數(shù)據(jù)流傳輸?shù)礁咔?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/顯示器">顯示器。成像數(shù)據(jù)傳輸速率為2.08 Gbit/s，這樣可以維持38幀/秒的高清晰度幀率，而不會出現(xiàn)任何延遲或圖像失真，從而確保觀看體驗不受影響。該USB3.0成像系統(tǒng)除了可提供比USB 2.0高得多的數(shù)據(jù)傳輸率外，還受益于USB 3.0標準可以維持更高的功率水平(全速傳輸數(shù)據(jù)時為900毫安，USB2.0為480毫安)。

　　圖2成像系統(tǒng)中詳述的USB3.0數(shù)據(jù)傳輸功能是由FTDI Chip公司新推出的FT601Q SuperSpeed USB至FIFO橋接口IC實現(xiàn)。該系統(tǒng)的攝像頭控制和數(shù)據(jù)采集都通過相應的FPGA器件處理(本例中采用的是一個賽靈思公司的Spartan6器件)。FPGA負責所有的成像系統(tǒng)時序功能，負責設置幀率等。采集到的數(shù)據(jù)從FPGA經32位并行數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)紽T601Q(該橋接器件還具有32位FIFO數(shù)據(jù)緩沖器RAM，在需要時可以利用)。之后，數(shù)據(jù)經由一個USB 3.0接口傳送到PC，并最終顯示在QHD顯示屏。