基于FPGACPLD和USB技术的无损图像采集卡

基于FPGA/CPLD和USB技术的无损图像采集卡作者：姚聪汪敏潘志浩张之江文章来源：电子技术应用点击数：211更新时间：2004-11-23摘要：介绍了外置式USB无损图像采集卡的设计和实现方案，它用于特殊场合的图像处理及其相关领域。针对图像传输的特点，结合FPGA/CPLD和USB技术，给出了硬件实现框图，同时给出了FPGA/CPLD内部时序控制图和USB程序流程图，结合框图和部分程序源代码，具体讲述了课题中遇到的难点和相应的解决方案。现场图像采集技术发展迅速，各种基于ISA、PCI等总线的图像采集卡已经相当成熟，结合课题设计了一款USB外置式图像采集卡。该图像采集卡已成功应用于一个图像处理和识别的项目中，由于图像信号不经过压缩处理，对后续处理没有任何影响，因此图像处理和识别的效果比一般的图像采集卡要好，满足了特殊场合的特殊需要。1外置式无损图像采集卡的系统构成整个无损图像采集卡由图像采集、图像信号的处理和控制、USB传输和控制、PC机端的图像还原和存储等几部分组成。图1外置式图像采集卡的硬件框图本文介绍的图像采集卡采集的一帧图像是720×576象素，如果取彩色图像，每象素用2个字节表示，每帧图像是720×576×16=6480kbps，分成奇数场和偶数场分别存储在两片SRAM中，则每片的SRAM存储3240kbps的图像数据，因此选用了256K×16=4M位的静态存储器（SRAM）。在图像处理领域，通常只需要黑白图像，可以只取图像的黑白部分，每象素用1个字节表示，每帧图像是720×576×8=3240kbps，每片SRAM存储1620kbps的图像数据。所采用的EZ-USB芯片理论速率是12Mbps，实际测得的速率是8Mbps，因此图像采集卡每秒传输约1帧彩色图像或2帧黑白图像。当插上图像采集卡后，PC机会自动识别它。在PC机上，应用程序通过USB向FPGA/CPLD发送图像采集命令，CCD摄像头输出的PAL制式或NTSC制式的模拟视频信号通过A/D转换芯片转换成数字视频信号，用FPGA/CPLD作为采样控制器，将数字信号存入静态存储器（SRAM）中，当完成一帧图像采集后，FPGA/CPLD向USB发送中断信号，要求USB进行图像数据的传输，在PC机端接收USB送来的一帧图像数据，并且显示、存储图像。文本具体讲述了用该采集卡进行黑白图像的传输，整个硬件框图如图1所示。2外置式无损图像采集卡的研制2.1图像采集部分图像采集部分选用了Philips公司的视频A/D转换芯片SAA7111A（EVIP），对SAA7111A的初始化是通过EZ-USB所提供的一对I2C引脚SDA和SCL进行的，在USB固件程序（Firmware）中进行I2C通信程序的编写。本系统中SAA7111A的初始设定为：一路模拟视频信号输入、自动增益控制、625行50HzPAL制式、YUV42216bits数字视频信号输出、设置默认的图像对比度、亮度及饱和度。SAA7111A芯片产生的数字视频信号、控制信号和状态信号送入控制芯片FPGA/CPLD中，即把场同步信号VREF、行同步信号HREF、奇偶场标志信号RTS0、片选信号CE、垂直同步信号VS、象素时钟信号LLC2以及数字视频信号VPO[15:8]等管脚连接到FPGA/CPLD芯片LC4128V，以便LC4128V获知各种采集信息。同时，SRAM芯片的读写信号、片选信号、高低字节信号、数据线IO[7:0]和地睛线A[17:0]连接到LC4128V，整个采集过程由FPGA/CPLD芯片LC4128V控制。在PC机端，通过USB发出图像采集命令后，FPGA/CPLD进行图像采集，由于CCD摄像头输出模拟信号，需要经过视频A/D转化睛，把模拟视频信号转化成数字视频信号，输入进FPGA/CPLD芯片，FPGA/CPLD根据状态信号RTS0把奇偶场图像信号分别存储在SRAM（ODD）和SRAM（EVEN）中。2.2图像信号的处理和控制这部分是无损图像采集卡的核心，需要对外围的器件进行集中控制和处理。FPGA/CPLD对图像信号的采集、控制、存储数据到SRAM以及从SRAM读取数据都在这里实现。选用了Lattice公司的新一代产品ispMACH4000V-LC4128V，采用VerilogHDL作为硬件描述语言，但是所编写的Verilog源程序都适用于FPGA器件，又适用于CPLD器件。FPGA/CPLD与USB接口部分由七个部分构成（如图1所示）：Start线是拍摄线，它可以向FPGA/CPLD发出图像采集命令，FPGA/CPLD把当前的奇数场图像存储在SRAM（ODD）中，把当前的偶数场图像存储在SRAM（EVEN）中；当一帧数据全部存储完后，发出中断（Interrupt）信号通知USB芯片；同时用State线作为状态线，当State线为低电平时，表明USB可以从SRAM读数据，当State线为高电平时，表明FPGA/CPLD正在向SRAM写数据；RamOdd用来选择从SRAM（ODD）中读取奇数场的数字视频信号；RamEven用于选择从SRAM（EVEN）中读取偶数场的数字视频信号；FPGA/CLPD输出的数据线连接至USB和SRAM芯片，再通过USB传送到PC机；FrdClk线是USB快速读写方式输出的读选通信号，作为SRAM的时钟，每来一个时钟脉冲，地址值就加1，然后将对应地址单元中存储的数据通过USB传输到PC机上。下面具体描述FPGA/CPLD内部时序控制（如图2所示）。首先需要产生FPGA/CPLD内部同步时钟信号InClk，当FPGA/CPLD向SRAM存储数字视频信号时，用SAA7111A的LLC2作为内部同步时钟信号；当FPGA/CPLD传输数字视频信号时，用USB的读选通信号FrdClk作为内部同步时钟信号。当有VS上升沿时，如果RTS0为低电平，则表明是奇数场即将到来，产生LingPai高电平信号，对LingPai取反作用作SRAM（ODD）的写信号WE1；如果RTS0为高电平，则表明偶数场即将到来，产生LingPaiEven高电平信号，对LingPaiEven取反后用作SRAM（Even）的写信号WE2，WE1和WE2经过与门后产生图2中的两个SRAM的写选通信号WE。此外，由LingRai和LingPaiEven产生LingPaiAll信号，作为选择内部同步时钟的控制信号。由USB芯片产生的Ramodd(OE1)和RamEven(OE2)信号，分别用作SRAM（ODD）和SRAM（EVEN）的读信号，OE1和OE2经过与门后产生图2中的两个SRAM读选通信号OE。当LingPaiAll为高电平期间，表示FPGA/CPLD正在向SRAM存储数据，此时用WE1作为SRAM（ODD）的片选信号CE1，用WE2作为SRAM（EVEN）的片选信号CE2；当LingPai为低电平期间，表示USB正在从SRAM读取数据，此时用OE1作为SRAM（ODD）的片选信号CE1，用OE2作为SRAM（EVEN）的片选信号CE2。图2FPGA/CPLD内部时序控制下面阐述FPGA/CPLD如何对数据传输进行控制，这部分是个难点（如图2所示）。这里只讨论如何对奇数场的数字视频信号进行控制，对偶数场的控制类似于对奇数场的控制，本文不再多述。当LingPai为高电平时，表示FPGA/CPLD向SRAM存储奇数场图像数据，此时时钟为LLC2。当场同步信号VREF、行同步信号HREF、奇偶场标志信号RTS0为高电平时，改变相应SRAM的地址信号，并且把数字视频信号输出以内部的缓冲器VI，当LingPai为低电平时，表示USB正在从SRAM读取奇数场图像数据，此时时钟为FrdClk。FPGA/CPLD内部用AddressChange记录LingPai的变化，当发现有LingPai变化时，表示读取数据变成了存储数据或者存储数字变成了读取数据，此时需要把SRAM的地址值变成0。成Verilog中灵活运用了非阻塞型过程赋值（参见下面的源程序），解决了这个技术难点。此外，需要把从SAA711A输出的数字视频信号先放在缓冲器VI[7:0]中，在LingPaiAll为高电平时，通过VO[7:0]输出到SRAM，保证存储数据的可靠同步性。这部分Verilog源程序如下：always@(posedgeInCLK)beginAddressChange=LingPai；if(VREF&&HREF&&RTS0&&LingPai)beginVI=VPO;A=A+1;endif(!LingPai&&!OE1)beginA=A+1；endif(LingPai!=AddressChange)beginA=0;endend2.3USB的开发和数据传输Cypress公司推出的带有USB接口的EZ-USB系列处理器，实现了外围设备通过USB接口与PC机进行数据通信。它通过内部RAM编程和数据存储，使得芯片具有软特性。USB主机通过USB总线下载8051程序代码和设备特征到RAM中，然后EZ-USB芯片作为一个由代码定义的外围设备重新连接到主机上（重枚举）。USB规范1.1版本定义了USB的四种数据传输模式：控制传输、同步传输、中断传输和块传输，以适应不同应用场合的需求。其中块传输方式提供数据校验，适用于无误传输大指数据的场合。本课题选用USB的块传输方式，同时采用了EZ-USB的快速传输模式，理论速率为12Mbps，实际最高速率能达到8Mbps。当PC机检测到USB图像采集卡已经插上后，PC机可自动地将图像采集卡的驱动程序装入操作系统，同时PC机通过USB总线下载8051程序代码和设备特片到USB的RAM中。USB的开发包括USB的固件程序、Windows设备驱动程序和Windows主机应用程序的编制，限于篇幅，这里只简单介绍一下USB固件程序（Firmware）的编制。USB固件程序的具体流程如图3所示，在源程序的TD_Poll（）中加入了对比度、亮度及饱和度的调节，以做到在硬件上对图像处理中的上述重要参数的调节，在外部中断1中完成一帧数据的快速传输。由于采用了外部中断1，为了避免与USB中断的冲突，需要在工程中自己编写一个汇编文件，内容如下：csegat43hljmp1800hend此外，在编写的KeilC源程序中需要加两句话，以解决USB中断和外部中断的地址重叠问题。#pragmaintvector(0x17FD)#pragmainterval(4)为了增加USB传输数字视频信号的速度，采用USB的快速读写模式，在KeilC源程序中内嵌对USB进行寄存器设置的汇编代码。配置了USB的时钟控制寄存器，采用全速访问数据存储器，MOVX指令在两个机器周期内实行，时钟频率为24MHz，因此USB产生的读选通宽度为83.3ns。配置端口A，使能PORTACFG（16进制地址为7F93H）寄存器中的快速读FRD。配置快速传输控制寄存器FASTXFR（16进制地址为7FE2H），采用快速块传输，使能快速读写信号。为了将端点2缓冲匹配置成FIFO，增加读写速度，8051将端点2缓冲区（IN2）的首地址7E00H装入自动指针AUTOPTRH（16进制地址为7FE3H）和AUTOPTRL（16进制地址为7FE4H），并且dptr指向AUTODATA（16进制地址为7FE5H），也就是指向了FIFO寄存器，这样8051可以完全像FIFO一样访问端点2缓冲区。2.4PC机端的图像还原在PC机端，用VisualC++6.0编写客户应用程序，应用程序通过USB接收原始的奇数场和偶数场图像数据，待接收完奇数场和偶数场图像数据后，应用程序把它们组成完整的一帧图像，并且把该帧图像数据存储到硬盘上，然后把这帧图像转化成BMP格式的图像，以BMP格式再次在硬盘上存储图像数据，同时以BMP的形式显示图像。3应用前景该无损图像采集卡虽然是针对特殊的图像处理应用而研发的，但它的作用很广，能应用于嵌入式系统中的图像传输、集成电路和精密机械领域中的器件定位等。此外，如果用