摘   要： 利用USB2.0接口芯片CY7C68013的特点，通过块传输方式实现了视频图像的实时无损传输。详细介绍了CY7C68013的Slave FIFO工作方式在视频图像传输中的应用以及系统硬件设计。
关键词： USB2.0  块传输  Slave FIFO  视频图像

　　对于数据量很大的实时数据传输，USB2.0协议[1][2][3]有专门的等时传输方式来实现，但等时传输不但实现困难，且由于在数据包传输过程中和主机不进行握手，因此当数据包出现错误时主机不会要求USB重新发送数据，这样会造成数据丢失或错误。因此不适用于视频图像的精密分析与测量。而USB2.0协议中的块传输方式在数据包传输过程中和主机进行握手，当数据包出现错误时会要求USB重新发送数据，这就保证了传输数据的准确性，而且开发相对容易。本文利用USB2.0块传输方式实现了CCD视频图像的实时无损传输。
1  USB2.0接口芯片CY7C68013简介
　　(1)内置USB2.0收发器和智能串口引擎(Serial Interface Engine，SIE)。
　　(2)增强的8051内核，其时钟频率可为12MHz、24MHz和48MHz，同时该芯片还带有2个通用异步收发器(UART)、3个定时/计数器和2个数据指针，可支持外部中断。
　　(3)可通过USB下载程序，也可从外部扩展的E2PROM中下载程序。
　　(4)支持批量传输、同步传输、中断传输和控制传输4种传输方式。
　　(5)具有8位或16位外部数据接口。
　　(6)具有通用可编程接口GPIF。
　　(7)内置I2C接口，其工作速率为100kHz或400kHz。
　　(8)带有最大达8Kb的FIFO，可运行于Master或Slave方式（本文采用）。
2  USB2.0的4种传输方式及其比较
　　(1)控制传输：主机发送一些控制命令字给USB设备。
　　(2)中断传输：主机发送中断指令给USB设备。
　　(3)等时传输（Isochronous Transfer）：用于视频或音频等数据流的传输，传输时维持一定的速度，高速时会有一定的错误发生。其传输结构如图1所示。

　　(4)块传输（Bulk Transfer）：传输的数据量大，准确性高(若出现错误而发生传送失败，会重新传一次)，且无速度上的限制（即没有固定传输速率）。其传输结构如图2所示。

　　通过比较块传输和等时传输的结构可以发现：等时传输是以数据流的方式不断传输数据，可以充分保证实时数据的传送。而块传输比等时传输多了握手的部分（ACK/NAK/STALL/NYET)，实时数据必须分包传输，而且每个包最大为1 024b。这样块传输的速度会受到一定的影响。从理论上看，在USB2.0协议中等时传输最高支持480Mbps，而块传输最高支持416Mbps。
　　对于实时视频图像传输，采集到的视频信号为PAL制式隔行扫描黑白全电视视频信号。该信号每帧信号由奇场和偶场信号构成，每场重复周期为20ms，场消隐脉冲宽度为1 612μs，在场消隐期间无有效数据，每行重复周期为64μs，行消隐脉冲宽度为12μs。对于分辨率为800×600的实时图像而言，其要求的最低传输速度约为800×8÷64＝100Mbps。因此可以看出，用Bulk方式传输此分辨率的实时视频图像在理论上是可行的。这样每次连续采集一场的数据，如果可以在场消隐的时间内完成一场数据的处理和显示，那么在下一场数据到来时就不会耽误数据的继续采集，从而可以实现图像的实时传输。实验证明，CY7C68013的块传输中Slave FIFO工作方式完全可以满足上面的要求。
3  Slave FIFO简介及其在视频图像传输中的应用
　　Slave FIFO 作为USB2.0接口芯片CY7C68013的一种工作方式[4][5]，其自身的特点如下：(1)采用外部Master的控制方式，减少了直接应用内部Master的繁杂。(2)直接利用芯片内部集成的FIFO进行工作，有效地将外部数据经CY7C68013进行传递。(3)同步和异步2种工作模式适应多种数据传输要求。
　　采用Slave FIFO方式传输视频图像数据的原理框图如图3所示。其中IFCLK的设置决定了Slave FIFO工作在同步还是异步模式下。同步模式下，SLWR写信号受IFCLK上升沿控制，在异步模式下，SLWR写信号受读信号SLOE控制。所以，采用异步工作模式，用视频图像的采集时钟作为SLOE的触发信号。这样可以使SLWR信号和SLOE信号保持同步，经FIFO直接将采集数据写入主机。其寄存器配置为：IFCONFIG=0xCB。为了充分利用CY7C68013的内部FIFO进行数据的缓冲，可以采用4倍Buffer的方式，可以用端点6对数据进行读入（IN）操作（由于只是将采集的图像数据送入主机，所以此时不用考虑端点2和端点4这2个OUT端点。这样就只需要对IN端点6进行配置），这样按照其工作方式，可以应用全部8KB缓冲。其寄存器配置为：EP6CFG=0xE0；PKTEND直接决定FIFO中数据的传输方向及方式。应用CY7C68013芯片自身的AUTOIN方式，完全可以保证数据及时无误地从采集设备到主机的传输，其配置为：EP6FIFOCFG=0x0C；端点(ENDPOINT)6的选择可以通过对FIFOADR的寄存器进行设置来确定。这样，就可以用最短的时间将从采集到的芯片通过CY7C68013送到主机进行处理。

　　在场消隐期间的处理工作是利用Slave FIFO方式传递实时视频图像的一个关键。当USB传完一场信息后，可以在IBN（IN Bulk NAK）中断中应用判断标志来实现。可以在固件中自定义一个函数proc（void），在USB Interrupt Handlers中利用该函数调用IBN中断，proc(void)定义如下：
　　void proc(void)
　　{
　　  {
　　  PE0=0x00；
　　  }
　　  IBNIRQ=bmEP6IBN；//clear the IBN IRQ
　　  IBNIE|=bmEP6IBN；
　　}
　　在IBN中断定义中，部分程序如下：
　　void ISR_Ibn(void) interrupt 0
　　{
　　  EZUSB_IRQ_CLEAR( )；
　　  IBNIRQ=bmEP6IBN；
　　  NAKIRQ|=bmBIT0；
　　  PE0=0x01；
　　}
　　PE0为一个外部输出脚，利用PE0输出的高电平控制外围采集逻辑采集数据的时间。每次调用IBN中断前都设置PE0＝0x00，一旦调用IBN中断后，PE0=0x01，输出为高电平。可以利用该高电平控制CPLD的场同步信号，利用CPLD把每场头信号A0找出来。这样利用PE0和A0做“与”运算，就可以从每场开始时就采集数据，不会造成数据的丢失。随后AD按照采样时钟进行采集，通过设置所要求的分辨率和采集时钟的大小，可以得到每场需要采集的数据点数，当数据采集完毕后，通过CPLD产生中断请求送给INT。这时固件程序进入中断服务，同时又将PE0设置为0x01，重复IBN中断的工作过程。由于在场消隐期间没有场头信号，PE0始终为高，AD不会采集数据，因此可以利用场消隐的这段时间对数据进行处理，实现和主机的数据传输。在主机端的上位机处理程序中，初始时通过在驱动中定义MaximumTransferSize的大小可以使其足够大于一场数据(800×600)。这样当USB通过线程中的DeviceIoControl将全部一场的数据送到主机的内存后，就可以通过IBN中断利用场消隐期间将采集的一场数据在主机中显示出来。实验证明，主机将存储于内存中的一场图像数据显示出来大约用300～500μs，大大小于场消隐的1 612μs，所以此方法是完全可行的。当场消隐结束后，IBN中断自动解除，又可以重新采集图像数据，实现每场图像数据和主机中的传输和显示，达到实时处理的效果。
4  系统硬件设计
　　结合CCD视频图像采集和Slave FIFO的外围Master的控制及设计，确定了无损视频图像采集系统的硬件设计方案，系统硬件结构如图4所示。系统由A/D转换器、同步分离电路、锁相环电路、CPLD及USB2.0传输模块(CY7C68013)构成。系统中A/D转换器采用视频采集芯片TDA8709，具有8位数据宽度，最高数据采样率可达32MHz，内置视频放大及钳位电路，可外加增益控制。同步分离芯片采用LM1881，可以方便地从0.5～2V标准负极性NTSC、PAL或SECAM制式视频信号中提取行、场同步信息。锁相环芯片采用高速锁相环NE564，最高工作频率可达到50MHz。CPLD采用ALTERA公司的EPM7128，可用门单元为2 500个，管脚间最大延迟5ns。系统中的逻辑控制功能由CPLD和USB2.0传输模块配合完成，比外加其他处理器速度快。

　　标准视频输入由同步分离电路分离出标准行同步信号HSYN和场同步信号VSYN，场同步信号送至CPLD，行同步信号经锁相环电路锁相，产生每行N个点的锁相脉冲VCOOUT输入到CPLD。一个工作周期开始时，主机首先发出块请求命令，USB2.0传输模块响应并设置位信号线PE0，指示CPLD开始采集。CPLD检测到场同步信号有效后，则将锁相脉冲CLK加至A/D的转换脉冲输入端及USB2.0模块的写脉冲输入端。每次A/D转换完毕，D[7..0]有效，并在CLK作用下将采集到的图像数据写入USB2.0传输模块并传回主机。CPLD内置一计数器，对锁相脉冲进行计数，并由场同步信号复位，计数满一场后置位信号线INT，输入到USB2.0传输模块的中断端，USB2.0传输模块响应中断并撤销信号PE0，此时主机也已接收满一场图像，一个工作周期结束。下一个工作周期仍然由主机发出块传输请求开始。现场采集的视频图像中的一帧如图5所示，完全可以满足精密分析和测量的需要。

5  结束语
　　综上所述，根据CY7C68013的结构特点，使其工作在Slave FIFO模式下，应用USB的Bulk传输方式实现了CCD视频图像的实时无损传输和显示，不存在传输图像失真或数据丢失的现象。目前这一系统已成功运用于液体中化工试剂、油珠、微细颗粒的粒径测量和统计上。
参考文献
1   Compaq Hewlett-Packard Interetc.Universal Serial Bus Specification  Revision 2.0.2000
2   Anderson D，Dzatko D.Universal Serial Bus Susterm  Architecture(Second Edition).MindShare INC，2001
3   周振宇，谷海颖．基于USB总线的实时数据采集系统设计.   电子技术应用，2002；28(2)
4   Cypress Semiconductor.EZ-USB FX2 Technical Reference  Manual.2001
5   许永和．EZ-USB FX系列单片机USB外围设备设计与应用.北京：北京航空航天大学出版社，2002