基于USB 2.0协议的高速图像传输系统
引 言
传统的图像传输普遍采用由pc机主板所提供的各种接口来实现，如pci接口、epp接口、ieee 1394接口等。pci接口的最高速率可达到132 mb／s，但其安装麻烦，价格昂贵，可扩展性差，无法专门对其做电磁屏蔽，在高速传输方面速度也不够理想。epp接口无需用pc机中的其他卡，可无限制连接数目，设备安装使用容易，但最高速率只有2 mb／s，速度比较慢，主要用于低端性能要求不高的场合。ieee 1394接口允许连接多种高性能设备，使其高性能总线互连，传输速率可达400 mb／s，其中ieee 1394 b可达3．2 gb／s，主要使用在高速的影像或者没有外围连接pc的场合，其外围电路复杂，且造价昂贵。与以上接口相对应的通用串行总线(universal serial bus，usb)，其数据速率明显高于一般的串口，既可支持控制、中断、同步、块传输四种数据传输方式，又可支持热插拔和即插即用，且具有占用系统资源少，功耗低，数据传输可靠的优点。
usb总线技术就是想利用单一的总线技术来满足多种应用领域的需要。usb 1．1协议支持两种传输速度，即低速1．5 mb／s和全速12 mb／s。2000年发布的usb 2．0协议，向下兼容usb 1．1协议，数据的最高传输速率可达到480 mb／s，它可使usb的应用范围不断扩大。
该系统基于usb 2．0总线技术，将cy7c68013a芯片的slave fifo块传输接口模式和fpga技术相结合，实现了计算机与外设之间高速的图像数据传输。
1 系统设计
1．1 硬件及外设控制设计
实现usb接口单元的主要芯片是cypress公司的ez-usb fx2lp系列中的cy7c68013a(对比之前fx2系列的cy7c68013具有更低功耗、更小电流、高性价比等优点)，负责完成硬件系统与pc之间的图像传输。它与外设有三种接口方式：端口模式、可编程接口gpif和slave fifo。slave fifo方式是从机工作方式，在具有外部数据处理逻辑的设备中，usb数据在主机和外部逻辑设备中传输，通常不需要fx2lp的cpu参与，而是经过fx2lp内部端点fifo来传输。外部控制器可对多个端点的fifo选择读写。fx2lp的slave fifo工作方式可设为同步或异步；工作时钟均可由内部产生或外部输入。基于该系统处理的是高速图像的传输，需要外部控制器直接对fifo进行控制，故采用从机，即slave fifo方式。高速图像传输的原理框图如图1所示，首先图像可由计算机上层应用软件发送或者接收，再通过usb接口芯片连接高速缓存。
图1中usb接口采用cy7c68013a芯片的slave fifo，接口模式，使得上层pc与缓冲器之间能够高速通信，并利用fpga控制usb的高速传输。如图2所示，cy7c68013a的主要功能信号及与fpga之间的握手信号如：ifclk为时钟信号，可以选择由外部输入或者内部输出；fifoadr[1：0]引脚选择4个fifo(2，4，6或8)中的一个与usb数据总线fd连接。定义该系统中上行数据传输为fifoadr[1：0]=10，即为ep6端口；下行数据传输为fifoadr[1：0]=01，即为ep2端口。flagb，flagc为所选择fifo的标志信号，flagb代表fifo为满；flagc代表fifo为空；默认低电平有效。fpga可以通过不断查询这两个标志信号决定是否进行读或写操作。sloe为读／写使能信号；slwr，slrd分别为读写控制信号，在同步和异步模式下，控制信号不一；fd[15：0]为16位的双向数据总线。pa0，pa1为输出信号，作为硬件系统工作状态的控制信号。
1．2 软件设计
图像传输系统的软件设计主要包括三个部分：固件程序设计、驱动程序设计和计算机上层应用软件。固件程序是硬件中的软件部分，通过执行该软件可实现特定的硬件功能，主要包括初始化、处理标准的usb设备请求以及usb挂起时的电源管理等。固件首先初始化内部的状态变量，然后调用用户初始化函数td_init()。从该函数返回后，固件初始化usb接口到未配置状态并使能中断。然后每间隔1 s进行一次设备重枚举，直到端点0接收到一个setup包。一旦检测到setup包，固件函数将开始交互下述任务调度：调用用户函数td_poll()；判断是否有标准设备请求等待处理。如果有，分析该请求并响应；判断usb内核是否收到usb挂起信号。如果有，则调用用户函td_suspend()。从该函数成功返回true值后，在检测是否发生usb唤醒事件。如果未检测到，则处理器进入挂起方式；如果有，则调用用户函数td_resume()，程序继续运行。如果从td_suspend函数返回false，则程序继续进行。td_init函数负责cy7c68013a进行初始化，首先设置时钟为48 mhz，然后设置芯片工作于从属fifo块传输模式，并配置端点6工作于自动块传输in，端点2自动块传输out模式。其主要程序段如下：
dr_vendorcmnd函数负责处理上位机发出的用户自定义请求，通过控制pa0，pa1的高低电平，以控制整个硬件系统的运行。该系统中，使用0xb3使pa0置低进行图像数据的上行操作，用0xb4使pa0置高进行图像数据的下行操作，使用0xb5使pa1置低来通知硬件开始传输，使用0xb6请求使pa1置高以通知硬件系统停止传输。
usb设备驱动程序负责建立起主机端和设备端的联系。驱动程序主要有两个：一是开机自动将固件程序下载至芯片ram中，以由增强性8051执行。结合cypress开发包ez-loader drivers以及hex2c和windows ddk即可生成所需要固件自动下载程序*．sys文件。二是完成上位机应用程序和硬件设备之间的数据传输。其主要包括驱动程序入口例程、即插即用例程、分发例程、电源管理例程和卸载例程。本系统根据通用驱动结合自身需要，在ddk环境下修改编译，生成自己需要的驱动程序。usb上层应用程序都通过i／o控制来访问设备驱动程序。上层应用程序首先通过调用win32函数creafile()来取得访问设备驱动程序的句柄；然后应用程序使用win32函数devi-ceiocontrol()来提交i／o控制码，并且为creatfile()函数返回的设备句柄设置i／o缓冲区。该系统中，设置usb端口缓冲区fifo为1 024 b，端口非空即读取。保持了传输的连续性，并且每次以帧结构包形式传输，每包的大小为512 b。以实验中为例。每传输大小为245 kb的一幅图像，需要490个包进行传输。
接收端应用程序流程图如图3所示。发送端应用程序流程类似，少了判断图像是否完整一幅，而多了传输完毕之后的图像数据校验。
2 系统仿真及实现
图4所示为图像发送系统主要端口的chipscope实测波形，所用fpga为v4-xc4vsx55。
usb_data为传输的图像数据。数据长度为16位，slrd为异步读取fd总线的时钟，采用usb时钟源48 mhz四分频得到，fifo指针在每次slrd激活到撤消激活变化时累加，即每变化一次，读取fifo里16 b缓存数据一次。sloe引脚为读写使能信号，默认低电平有效。从该实测图可以看出，三路信号均符合异步读取的时序要求。
主机接收端应用程序采用delphi语言编写，图像传输它采取传输的同时显示图像的形式。从上位机应用程序截取一幅接收图像如图5所示。该应用程序主要用于各种调制方式下图像的传输。可以看到传输图像清晰完整，连续显示没有滞后，没有噪声斑点。图像经过usb接口传输后没有数据丢失，比较清晰。实验证明，图像传输过程中，没有出现丢帧的情况。满足实时高速的图像传输。
3 结 语
usb 2．0技术以其高速传输和使用方便受到广泛的关注，其应用也必将越来越广泛。上述设计方案有效地解决了图像传输过程中的高速通信问题。系统中采用异步方式传输，采用芯片所提供四分频时钟，最高速率可达到192 mb／s。采用fpga和usb 2．0相结合的方式，数据处理能力得到极大的提高，由于采用cy7c68013a的slave fifo模式，可使用外部fpga并按照用户需求设计，增强使用功能的多样性和灵活性。该方案亦可应用于大容量、高速度的实时数据采集，音频及视频传输等领域。
便宜2000块 特殊版iPhone到底特殊在哪里?
4种常用的电压比较器
为止颓势！三星推出Note7老铁版 专卖粉丝！说好的销毁提纯呢？
Linux资料汇总之内存管理
盘点最具潜力的国产嵌入式系统
基于USB 2.0协议的高速图像传输系统
[图文]多元折合振子天线
大功率电力电子技术对智能电网的重要性
关于SRC漏洞挖掘经验及工具分享
如何在Linux使用dig命令查询DNS
半岛医疗携半岛超声炮及家用产品亮相CMEF，民族品牌显实力
液晶拼接屏的安装步骤是什么你知道吗
软包锂硫电池实现商业化将要面临哪些挑战
专业移动办公解决方案!远程控制软件RayLink内测火热进行中!
Power Integrations发布InnoSwitch3系列高效率(94%)离线 反激式开关电源IC
硅晶圆销售于第三季度开始下滑
Imagination的智能家居关键模块及解决方案
基于虚拟仪器技术的705D雷达自动检测系统
全球汽车行业的三支创新力量_重塑十年后的汽车产业
基于声卡的QPSK信号的实时软解调
传统的图像传输普遍采用由pc机主板所提供的各种接口来实现，如pci接口、epp接口、ieee 1394接口等。pci接口的最高速率可达到132 mb／s，但其安装麻烦，价格昂贵，可扩展性差，无法专门对其做电磁屏蔽，在高速传输方面速度也不够理想。epp接口无需用pc机中的其他卡，可无限制连接数目，设备安装使用容易，但最高速率只有2 mb／s，速度比较慢，主要用于低端性能要求不高的场合。ieee 1394接口允许连接多种高性能设备，使其高性能总线互连，传输速率可达400 mb／s，其中ieee 1394 b可达3．2 gb／s，主要使用在高速的影像或者没有外围连接pc的场合，其外围电路复杂，且造价昂贵。与以上接口相对应的通用串行总线(universal serial bus，usb)，其数据速率明显高于一般的串口，既可支持控制、中断、同步、块传输四种数据传输方式，又可支持热插拔和即插即用，且具有占用系统资源少，功耗低，数据传输可靠的优点。
usb总线技术就是想利用单一的总线技术来满足多种应用领域的需要。usb 1．1协议支持两种传输速度，即低速1．5 mb／s和全速12 mb／s。2000年发布的usb 2．0协议，向下兼容usb 1．1协议，数据的最高传输速率可达到480 mb／s，它可使usb的应用范围不断扩大。
该系统基于usb 2．0总线技术，将cy7c68013a芯片的slave fifo块传输接口模式和fpga技术相结合，实现了计算机与外设之间高速的图像数据传输。
1 系统设计
1．1 硬件及外设控制设计
实现usb接口单元的主要芯片是cypress公司的ez-usb fx2lp系列中的cy7c68013a(对比之前fx2系列的cy7c68013具有更低功耗、更小电流、高性价比等优点)，负责完成硬件系统与pc之间的图像传输。它与外设有三种接口方式：端口模式、可编程接口gpif和slave fifo。slave fifo方式是从机工作方式，在具有外部数据处理逻辑的设备中，usb数据在主机和外部逻辑设备中传输，通常不需要fx2lp的cpu参与，而是经过fx2lp内部端点fifo来传输。外部控制器可对多个端点的fifo选择读写。fx2lp的slave fifo工作方式可设为同步或异步；工作时钟均可由内部产生或外部输入。基于该系统处理的是高速图像的传输，需要外部控制器直接对fifo进行控制，故采用从机，即slave fifo方式。高速图像传输的原理框图如图1所示，首先图像可由计算机上层应用软件发送或者接收，再通过usb接口芯片连接高速缓存。
图1中usb接口采用cy7c68013a芯片的slave fifo，接口模式，使得上层pc与缓冲器之间能够高速通信，并利用fpga控制usb的高速传输。如图2所示，cy7c68013a的主要功能信号及与fpga之间的握手信号如：ifclk为时钟信号，可以选择由外部输入或者内部输出；fifoadr[1：0]引脚选择4个fifo(2，4，6或8)中的一个与usb数据总线fd连接。定义该系统中上行数据传输为fifoadr[1：0]=10，即为ep6端口；下行数据传输为fifoadr[1：0]=01，即为ep2端口。flagb，flagc为所选择fifo的标志信号，flagb代表fifo为满；flagc代表fifo为空；默认低电平有效。fpga可以通过不断查询这两个标志信号决定是否进行读或写操作。sloe为读／写使能信号；slwr，slrd分别为读写控制信号，在同步和异步模式下，控制信号不一；fd[15：0]为16位的双向数据总线。pa0，pa1为输出信号，作为硬件系统工作状态的控制信号。
1．2 软件设计
图像传输系统的软件设计主要包括三个部分：固件程序设计、驱动程序设计和计算机上层应用软件。固件程序是硬件中的软件部分，通过执行该软件可实现特定的硬件功能，主要包括初始化、处理标准的usb设备请求以及usb挂起时的电源管理等。固件首先初始化内部的状态变量，然后调用用户初始化函数td_init()。从该函数返回后，固件初始化usb接口到未配置状态并使能中断。然后每间隔1 s进行一次设备重枚举，直到端点0接收到一个setup包。一旦检测到setup包，固件函数将开始交互下述任务调度：调用用户函数td_poll()；判断是否有标准设备请求等待处理。如果有，分析该请求并响应；判断usb内核是否收到usb挂起信号。如果有，则调用用户函td_suspend()。从该函数成功返回true值后，在检测是否发生usb唤醒事件。如果未检测到，则处理器进入挂起方式；如果有，则调用用户函数td_resume()，程序继续运行。如果从td_suspend函数返回false，则程序继续进行。td_init函数负责cy7c68013a进行初始化，首先设置时钟为48 mhz，然后设置芯片工作于从属fifo块传输模式，并配置端点6工作于自动块传输in，端点2自动块传输out模式。其主要程序段如下：
dr_vendorcmnd函数负责处理上位机发出的用户自定义请求，通过控制pa0，pa1的高低电平，以控制整个硬件系统的运行。该系统中，使用0xb3使pa0置低进行图像数据的上行操作，用0xb4使pa0置高进行图像数据的下行操作，使用0xb5使pa1置低来通知硬件开始传输，使用0xb6请求使pa1置高以通知硬件系统停止传输。
usb设备驱动程序负责建立起主机端和设备端的联系。驱动程序主要有两个：一是开机自动将固件程序下载至芯片ram中，以由增强性8051执行。结合cypress开发包ez-loader drivers以及hex2c和windows ddk即可生成所需要固件自动下载程序*．sys文件。二是完成上位机应用程序和硬件设备之间的数据传输。其主要包括驱动程序入口例程、即插即用例程、分发例程、电源管理例程和卸载例程。本系统根据通用驱动结合自身需要，在ddk环境下修改编译，生成自己需要的驱动程序。usb上层应用程序都通过i／o控制来访问设备驱动程序。上层应用程序首先通过调用win32函数creafile()来取得访问设备驱动程序的句柄；然后应用程序使用win32函数devi-ceiocontrol()来提交i／o控制码，并且为creatfile()函数返回的设备句柄设置i／o缓冲区。该系统中，设置usb端口缓冲区fifo为1 024 b，端口非空即读取。保持了传输的连续性，并且每次以帧结构包形式传输，每包的大小为512 b。以实验中为例。每传输大小为245 kb的一幅图像，需要490个包进行传输。
接收端应用程序流程图如图3所示。发送端应用程序流程类似，少了判断图像是否完整一幅，而多了传输完毕之后的图像数据校验。
2 系统仿真及实现
图4所示为图像发送系统主要端口的chipscope实测波形，所用fpga为v4-xc4vsx55。
usb_data为传输的图像数据。数据长度为16位，slrd为异步读取fd总线的时钟，采用usb时钟源48 mhz四分频得到，fifo指针在每次slrd激活到撤消激活变化时累加，即每变化一次，读取fifo里16 b缓存数据一次。sloe引脚为读写使能信号，默认低电平有效。从该实测图可以看出，三路信号均符合异步读取的时序要求。
主机接收端应用程序采用delphi语言编写，图像传输它采取传输的同时显示图像的形式。从上位机应用程序截取一幅接收图像如图5所示。该应用程序主要用于各种调制方式下图像的传输。可以看到传输图像清晰完整，连续显示没有滞后，没有噪声斑点。图像经过usb接口传输后没有数据丢失，比较清晰。实验证明，图像传输过程中，没有出现丢帧的情况。满足实时高速的图像传输。
3 结 语
usb 2．0技术以其高速传输和使用方便受到广泛的关注，其应用也必将越来越广泛。上述设计方案有效地解决了图像传输过程中的高速通信问题。系统中采用异步方式传输，采用芯片所提供四分频时钟，最高速率可达到192 mb／s。采用fpga和usb 2．0相结合的方式，数据处理能力得到极大的提高，由于采用cy7c68013a的slave fifo模式，可使用外部fpga并按照用户需求设计，增强使用功能的多样性和灵活性。该方案亦可应用于大容量、高速度的实时数据采集，音频及视频传输等领域。
便宜2000块 特殊版iPhone到底特殊在哪里?
4种常用的电压比较器
为止颓势！三星推出Note7老铁版 专卖粉丝！说好的销毁提纯呢？
Linux资料汇总之内存管理
盘点最具潜力的国产嵌入式系统
基于USB 2.0协议的高速图像传输系统
[图文]多元折合振子天线
大功率电力电子技术对智能电网的重要性
关于SRC漏洞挖掘经验及工具分享
如何在Linux使用dig命令查询DNS
半岛医疗携半岛超声炮及家用产品亮相CMEF，民族品牌显实力
液晶拼接屏的安装步骤是什么你知道吗
软包锂硫电池实现商业化将要面临哪些挑战
专业移动办公解决方案!远程控制软件RayLink内测火热进行中!
Power Integrations发布InnoSwitch3系列高效率(94%)离线 反激式开关电源IC
硅晶圆销售于第三季度开始下滑
Imagination的智能家居关键模块及解决方案
基于虚拟仪器技术的705D雷达自动检测系统
全球汽车行业的三支创新力量_重塑十年后的汽车产业
基于声卡的QPSK信号的实时软解调