基于USB2.0的高分辨率數(shù)字攝像頭設(shè)計

摘要：介紹了一種基于USB2.0協(xié)議的高分辨率數(shù)字攝像頭，并給出了利用CMOS圖像傳感器OB9620和USB控制器CY7C68013設(shè)計高分辨率數(shù)字攝像頭的基本硬件電路以及軟件設(shè)計方法。

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，且具有易擴展、使用方便等特點。但是ＩＥＥＥ １３９４接口的價格相對較高，因此，當前采用更多的是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）。當需要快速傳輸大批量的準確數(shù)據(jù)時，一般采用塊傳輸模式；而當傳輸實時性較強的數(shù)據(jù)時，則應(yīng)采用中斷傳輸模式?，F(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４８０Ｍｂ／ｓ的高速模式（ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ），從而使ＵＳＢ總線真正成為能滿足高速應(yīng)用場合的標準連接總線。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，同時對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，主機控制器和ｈｕｂ之間也可以進行高速傳輸，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作為視頻信號的采集芯片，用ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２作為ＵＳＢ控制芯片并為ＯＶ９６２０提供工作時鐘，Ｅ２ＰＲＯＭ使用２４ＬＣ６５，通過Ｉ２Ｃ總線連接所有芯片。硬件連接框圖見圖１所示。

２．１ ＯＶ９６２０的主要特性

ＯＶ９６２０是美國ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ公司為數(shù)字照相機和攝像機產(chǎn)品開發(fā)的高性能１３０萬像素彩色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)域為６．８２５．３９ｍｍ２，成像區(qū)域為６．６６５．３２ｍｍ２，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。另外該芯片還可輸出像素時鐘以及行、場同步信號，并可以直接與專用集成電路系統(tǒng)連接，其后端系統(tǒng)可以通過ＳＣＣＢ接口來控制。可利用ＵＳＢ２．０控制器，在Ｐ４ １．５Ｇ以上系統(tǒng)中提供１５ｆｐｓ的ＳＸＧＡ或３０ｆｐｓ的ＶＧＡ動態(tài)影像。該芯片采用Ｂａｙｅｒ濾光陣列把輸入光信號分解成ＲＧＢ三原色，像素陣列有１３１２１０３６＝１３５９２３２個，成像像素有１２８０１０２４＝１３１０７２０個。不成像像素可作為光學(xué)黑體像素用作黑值校準以補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用于實現(xiàn)片選（低電平有效），當芯片被選中后，ＳＩＯ１、ＳＩＯ０在功能及使用上和Ｉ２Ｃ總線兼容。

另外，ＯＶ９６２０還提供了一個控制信號輸入端（ＰＷＤＮ），可用于實現(xiàn)掉電模式的開關(guān)。在本設(shè)計中，因為ＯＶ９６２０與其他芯片同時工作，因此，沒有采用片選而是由ＰＷＤＮ 來實現(xiàn)控制。

２．２ ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２的主要特點

ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２（即ＣＹ７Ｃ６８０１３）是Ｃｙｐｒｅｓｓ公司為高速傳輸外設(shè)設(shè)計的ＵＳＢ２．０控制芯片。該芯片內(nèi)含１個增強型８０５１處理器、１個串行接口引擎（ＳＩＥ）、１個ＵＳＢ收發(fā)器、８．５ｋＢ片上ＲＡＭ、４ｋＢ ＦＩＦＯ存儲器以及１個通用可編程接口（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方式訪問這些共享ＦＩＦＯ，這樣，就較好地解決了ＵＳＢ高速模式的帶寬問題。

ＦＸ２有一個Ｉ２Ｃ兼容端口，當ＦＸ２作為主控制器，ＳＣＬ時鐘頻率為１００／４００ｋｂｐｓ時，該端口兼容Ｉ２Ｃ總線。一般情況下，該端口由兩個內(nèi)部控制器驅(qū)動：一個在程序加載時自動讀?。郑桑模校桑模模桑暮团渲眯畔ⅲ涣硪粋€是芯片中的８０５１，一旦開始運行，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。具體來說，系統(tǒng)上電時，ＦＸ２會通過內(nèi)部邏輯監(jiān)測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

設(shè)計中可使用Ｉ２Ｃ總線實現(xiàn)ＵＳＢ控制器與圖像傳感器的連接，并選用Ｅ２ＰＲＯＭ（２４ＬＣ６５）作為代碼存儲器，然后通過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ＰＡ１輸出啟動信號，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始工作。ＰＣＬＫ提供像素時鐘，ＨＲＥＦ提供水平同步信號，ＶＳＹＮＣ提供垂直同步信號。這兩個同步信號與圖像數(shù)據(jù)的時序關(guān)系如圖２所示。

ＶＳＹＮＣ會在一幀圖像傳輸?shù)娇刂破骱笥|發(fā)ＩＮＴ０中斷。因為數(shù)據(jù)量太大，本設(shè)計沒有在ＩＮＴ０中斷服務(wù)子程序中進行全部的數(shù)據(jù)處理，而是設(shè)置了一個標志位，并通過標志位的狀態(tài)來在主程序中進行處理，這樣就避免由于數(shù)據(jù)處理時間太長而使控制器無法響應(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)置可以滿足系統(tǒng)要求。

３　接口程序設(shè)計

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提供了一個中斷向量表，表中有２７個 ＩＮＴ２（ＵＳＢ）中斷向量和１４個ＩＮＴ４中斷向量。因此，在設(shè)計中，大部分工作都可通過中斷服務(wù)子程序來完成。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發(fā)套件ＣＹ３６８１。這個套件包括帶１２８腳ＣＹ７Ｃ６８０１３的硬件開發(fā)板和相應(yīng)的控制面板以及ＧＰＩＦ代碼自動生成軟件。因此可以非常方便地實現(xiàn)固件的開發(fā)。

ＵＳＢ設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計是基于ＷＤＭ（驅(qū)動程序模型）并采用分層模型來進行。應(yīng)用程序通過調(diào)用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ函數(shù)來進行的對ＷＩＮ３２子系統(tǒng)進行ＷＩＮ３２調(diào)用，并通過Ｉ／Ｏ管理器產(chǎn)生ＩＲＰ（Ｉ／Ｏ請求包），然后傳遞給ＵＳＢ驅(qū)動程序，接著再由驅(qū)動程序執(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)置整個系統(tǒng)的回調(diào)例程，當添加一個新設(shè)備和ＩＲＰ需要發(fā)送到驅(qū)動程序時，通過內(nèi)核可調(diào)用這些例程。下面是ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ例程的簡要內(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?

……

實際上，ＵＳＢ客戶驅(qū)動程序中包含大量的例程，也對Ｗｉｎｄｏｗｓ ＤＤＫ工具下開發(fā)ＵＳＢ客戶驅(qū)動程序的方法和過程作了詳細的介紹。

４ 小結(jié)

目前，筆者已經(jīng)開發(fā)出樣品，并且在一些應(yīng)用程序上進行過測試，獲得了很好的效果，其分辨率高達１２８０１０２４。