基于FPGA的USB視頻傳輸系統設計

周應發 ZHOU Ying-fa；黃澤鍔 HUANG Ze-e

（廣州颯特紅外股份有限公司，廣州 510006）

（Guangzhou SAT Infrared Co.，Ltd.，Guangzhou 510006，China）

基于FPGA的USB視頻傳輸系統設計

周應發 ZHOU Ying-fa；黃澤鍔 HUANG Ze-e

（廣州颯特紅外股份有限公司，廣州 510006）

（Guangzhou SAT Infrared Co.，Ltd.，Guangzhou 510006，China）

本設計以高清CCD模塊采集到的可見光視頻圖像通過USB實時傳輸到PC機為例，闡述USB視頻系統的設計。系統使用OmniVision的OV5640 CCD圖像傳感器作為光電成像器件，采用USB2.0控制器芯片CY7C68014A與FPGA直連，通過FPGA對高清CCD模塊的視頻數據進行處理并傳輸到USB芯片上，最后在PC機上實時顯示。該設計結構簡單，使用方便，便于大型系統的設計。通過該設計實現高清CCD的USB實時傳輸，已在相關手持設備產品中進行應用。

圖像傳感器；USB；圖像傳輸

0 引言

隨著科技發展，CCD器件及其應用技術的研究取得了驚人的進展。與CMOS器件相比，成像方面相同像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準確。而CMOS的產品往往通透性一般，對實物的色彩還原能力偏弱，曝光也都不太好。目前市面上絕大多數的消費級別以及高端數碼相機都使用CCD作為感應器；CMOS感應器則作為低端產品應用于一些攝像頭上。

USB(Universal Serial Bus)通用串行總線是一種PC機與外圍設備間的高速通信接口，它具備其他總線無法比擬的優點：連接簡便，即插即用；高傳輸速率；能夠自動檢測和配置外圍設備。USB2.0協議其理論最高傳輸速度可達480Mbps，為計算機與外設的高速數據交換提供了可能，也為高分辨率動態圖像采集系統提供了理想選擇[1-2]。

系統采用Spartan-6系列的FPGA，該系列的FPGA為成本敏感型應用帶來了低風險、低成本和低功耗的最佳平衡，與前幾代器件相比，不僅功耗降低42%，同時性能提高12%。該系列不僅擁有業界領先的系統集成能力，同時還能實現適用于大批量應用的最低總成本[3-4]。由于該USB實時傳輸系統僅是手持設備系統中的一個組成部分，采用該FPGA有利于大系統的設計與管理。

本文中介紹如何結合FPGA技術，利用 OmniVision公司的OV5640 CCD圖像傳感器和Cypress公司的CY7C68014A控制傳輸芯片（內部集成了增強型51內核）來實現高速圖像采集與傳輸。

1 系統軟硬件設計

系統由數據采集、傳輸、顯示，三部分構成。并采用Spartan-6系列的FPGA，型號為XC6SLX45來進行設計。

1.1 數據采集系統設計 系統視頻來源于高清CCD模塊，模塊中使用的OV5640是一款1/4英寸5百萬像素的高性能圖像傳感器。要從該模塊從獲取視頻圖像數據涉及到兩個方面，首先是給CCD模塊供電，該模塊必須提供三組電源2.8V，1.8V，1.5V。設計時可通過主電源（本系統主電源為3.7V）輸入到線性電源芯片，產生相應的電壓。在FPGA中可使用任意兩根線與CCD模塊的IIC接口相連。該模塊供上電后，，用模擬IIC的方式對該模塊寄存器進行配置[5-6]。此處將輸出格式配置為8-bit YCbCr，并以640X480預覽模式，30幀每秒為例。該CCD模塊輸出的視頻數據信號與FPGA的接口如圖1所示。

FPGA將從CCD模塊中采集的圖像數據經過處理，存放在外部DDR存儲器中。

1.2 數據傳輸，顯示系統設計 Cypress公司的USB芯片CY7C68014A可使最高數據傳輸率達到480Mbps。即USB2.0允許的最高速度。

1.2.1 USB固件程序編寫 在USB設備與PC正常通信之前，主機必須檢測并配置設備，所以用戶必須編寫固件程序代碼，響應主機的控制請求命令，并能夠提供描述符，使主機了解設備的功能，從而配置設備，開始與設備正常通信。Cypress為用戶提供了一個固件程序框架firmware，它幫助用戶完成了大部分與USB協議相關的工作[7]。用戶根據外設功能的具體要求，在相應的函數中填寫函數體可以完成開發。系統需要對USB端口及FIFO的初始化配置。通過設置相關的寄存器來設置FX2的工作狀態。例如USB內核工作在USB2.0方式，由固件程序應答USB傳輸等。系統傳輸使用同步FIFO傳輸模式。

1.2.2 USB驅動程序編寫 FX2通用驅動程序CyUSB.sys,是Cypress公司提供的通用驅動程序，系統連接PC時如果找不到設備，可按照主機驅動幫助文件[8]第14頁介紹的方法.將設備的PID，VID加入到驅動中。

1.2.3 USB圖像傳輸系統設計 系統傳輸與顯示的框圖如圖2所示。

由于Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片支持一種簡便的更新方式：設備在每次接入主機時，主機自動將程序代碼加載到設備的程序存儲器中，然后重新枚舉設備。所以，系統設備使用了一片串行EEPROM，在設備接入主機時，從EEPROM中加載固件程序到設備。系統中PC與USB模塊之間有4個數據傳輸通道，分別是：計算機發送指令數據包到USB，使用0號通道。計算機從USB讀取指令執行情況，使用1號通道。計算機發送數據到USB，使用2號通道。計算機從USB讀取數據，使用3號通道。這4種傳輸過程分別使用不同的數據通道，其中第0、1號通道叫命令通道，數據包最小為1個字節，最大是64字節；第2、3號通道叫數據通道，最小是2K(2048)字節，最大是3M字節。系統中FPGA與USB芯片通過直連的方式通信，數據傳輸方式使用同步FIFO接口。主要數據接口如圖3所示。

當需要在PC機上實時顯示圖像時，用戶通過在PC的應用界面上操作，從而由PC機通過命令通道發送命令給USB芯片，USB芯片又發送命令給FPGA，FPGA將從高清CCD模塊獲取到的圖像數據不斷的送往USB芯片內部FIFO，同時FPGA通過與USB連接的查空信號FIFO_Empty和查滿信號FIFO_Full，決定是否可以繼續往USB內部的FIFO送數據。USB芯片的作用是將FPGA傳輸過來的圖像數據通過數據通道送往PC機的應用程序進行顯示[9]。

2 硬件實驗結果

通過對系統相關設計詳細了解后，使用上述方法進行設計，并設置OV5640為640X480預覽模式，30幀每秒。PC上圖像顯示效果如圖4所示，該系統已成功應用在公司的手持設備中。

[1]蘇建坡,馬海濤,唐玉國.基于USB2.0及GPIF的CMOS圖像傳感器視頻實時采集系統[J].儀表技術與傳感器，2006,12(09)：35－37.

[2]李杰,劉金國,王英霞等.CMOS有源圖像傳感器的最新研究進展[J].傳感器技術，2005，24（1）：7－8.

[3]Spartan-6 Family Overview/DataSheet[M].Xilinx,2010.

[4]Spartan-6 FPGA Packaging and Pinouts/DataSheet[M].Xilinx,2010.

[5]楊介生.虛擬 I2C總線技術實現SAA7111的初始化[J].雷達與對抗，2005(3):60-63.

[6]張冬冬.IIC總線通訊接口器件的CPLD實現[J].電子技術應用,2002(08).

[7]錢峰.EZ－USB FX2單片機原理、編程及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[8]CYUSB3.SYSPROGRAMMER'SREFERENCE/DataSheet[M].Cypress,2012.

[9]基于USB2.0的CMOS圖像采集系統的實現[J].微計算機信息,2009(10).

USB Video Transmission System Based on FPGA

The module is designed to capture high-definition CCD visible,and then transferred video images via USB to a PC in real-time.The system uses OmniVision's OV5640 CCD image sensor as a photoelectric device,and With USB2.0 controller chip CY7C68014A directly connected with the FPGA.Through the FPGA video data from the high-definition CCD module was processed and transferred to the USB chip,and finally displayed on the PC.The design is simple,easy to use,and fitted for large-scale systems.The design and implementation of real-time transmission of high-definition CCD via a USB have been conducted in the handheld products.

image sensor；USB；image transmission

周應發（1978-），男，貴州織金人，學士，廣州颯特紅外股份有限公司，副總工程師；黃澤鍔（1983-），男，廣東揭陽人，碩士研究生，廣州颯特紅外股份有限公司，電子工程師。

TP302.1

A

1006-4311（2014）13-0192-02

2014年2月24日。