基于USB2.0的高分辨率数字摄像头设计

摘要：介绍了一种基于USB2.0协议的高分辨率数字摄像头，并给出了利用CMOS图像传感器OB9620和USB控制器CY7C68013设计高分辨率数字摄像头的基本硬件电路以及软件设计方法。

    关键词：

USB2.0；I2C；摄像头；OV9620

１ 概述

目前，能够传输高品质视频信号的两种总线接口（ＵＳＢ和ＩＥＥＥ １３９４接口）都支持即插即用，且具有易扩展、使用方便等特点。但是ＩＥＥＥ １３９４接口的价格相对较高，因此，当前采用更多的是ＵＳＢ接口。

ＵＳＢ 的数据传输有４种模式：块传输（Ｂｕｌｋ Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ）、中断传输（Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ）、同步传输（Ｉｓｏｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ）、控制传输（Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒｓ）。当需要快速传输大批量的准确数据时，一般采用块传输模式；而当传输实时性较强的数据时，则应采用中断传输模式。现在的ＵＳＢ２．０ 规范在原有的低速模式（ｌｏｗ ｓｐｅｅｄ） １．５Ｍｂ／ｓ、全速模式（ｆｕｌｌ ｓｐｅｅｄ） １２Ｍｂ／ｓ的基础上又支持高达４８０Ｍｂ／ｓ的高速模式（ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ），从而使ＵＳＢ总线真正成为能满足高速应用场合的标准连接总线。在ＵＳＢ２．０中，每毫秒可发送８～１０微帧，这比ＵＳＢ１．１的传输速率有 了极大的提高，同时对缓存的要求也大大降低了。ＵＳＢ２．０向下完全兼容，协议规定，在全速模式和低速模式下，主机控制器和ｈｕｂ之间也可以进行高速传 输，但是ｈｕｂ和外设之间仍然保持原有传输模式，这样可以使设备在分享带宽时冲突最小。

２　硬件电路

本系统选用ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．公司的ＯＶ９６２０作为视频信号的采集芯片，用ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２作为ＵＳＢ控制芯片并为ＯＶ９６２０提供工作时钟，Ｅ２ＰＲＯＭ使用２４ＬＣ６５，通过Ｉ２Ｃ总线连接所有芯片。硬件连接框图见图１所示。

２．１ ＯＶ９６２０的主要特性

ＯＶ９６２０ 是美国ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ公司为数字照相机和摄像机产品开发的高性能１３０万像素彩色ＣＭＯＳ数字图像传感器芯片。与传统的ＣＣＤ传感器相比，ＣＭＯＳ 最明显的优势是集成度高、功耗小、生产成本低，容易与其他芯片整合。该款芯片的图像总区域为６．８２×５．３９ｍｍ２，成像区域为６．６６×５． ３２ｍｍ２，非常有利于产品的小型化。

该芯片支持ＳＸＧＡ（１２８０×１０２４分 辨率）和ＶＧＡ（６４０×４８０分辨率）两种模式和ＳＣＣＢ（Ｓｅｒｉａｌ Ｃａｍｅｒａ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｂｕｓ）接口，使用２４ＭＨｚ晶振，内置１０位Ａ／Ｄ转换器，能提供１０位数字视频信号。另外该芯片还可输出像素时钟以及行、场同步信号，并可以直接与专 用集成电路系统连接，其后端系统可以通过ＳＣＣＢ接口来控制。可利用ＵＳＢ２．０控制器，在Ｐ４ １．５Ｇ以上系统中提供１５ｆｐｓ的ＳＸＧＡ或３０ｆｐｓ的ＶＧＡ动态影像。该芯片采用Ｂａｙｅｒ滤光阵列把输入光信号分解成ＲＧＢ三原色，像素阵列有 １３１２×１０３６＝１３５９２３２个，成像像素有１２８０×１０２４＝１３１０７２０个。不成像像素可作为光学黑体像素用作黑值校准以补偿由光线引起的 温度变化和暴光变化。

芯片中使用的ＳＣＣＢ接口是ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ公司制定的一种用于控制图像传感器的三线连续总线（ＳＣＳ、ＳＩＯ１、ＳＩＯ０），其中ＳＣＳ用于实现片选（低电平有效），当芯片被选中后，ＳＩＯ１、ＳＩＯ０在功能及使用上和Ｉ２Ｃ总线兼容。

另外，ＯＶ９６２０还提供了一个控制信号输入端（ＰＷＤＮ），可用于实现掉电模式的开关。在本设计中，因为ＯＶ９６２０与其他芯片同时工作，因此，没有采用片选而是由ＰＷＤＮ 来实现控制。

２．２ ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ２的主要特点

ＥＺ －ＵＳＢ ＦＸ２（即ＣＹ７Ｃ６８０１３）是Ｃｙｐｒｅｓｓ公司为高速传输外设设计的ＵＳＢ２．０控制芯片。该芯片内含１个增强型８０５１处理器、１个串行接口引擎 （ＳＩＥ）、１个ＵＳＢ收发器、８．５ｋＢ片上ＲＡＭ、４ｋＢ ＦＩＦＯ存储器以及１个通用可编程接口（ＧＰＩＦ）。

ＦＸ２采用量子ＦＩＦＯ处理构架，其ＵＳＢ接口和应用环境可以直接共享ＦＩＦＯ，而微控制器则可不参与数据传输但允许以ＦＩＦＯ或ＲＡＭ方式访问这些共享ＦＩＦＯ，这样，就较好地解决了ＵＳＢ高速模式的带宽问题。

ＦＸ２ 有一个Ｉ２Ｃ兼容端口，当ＦＸ２作为主控制器，ＳＣＬ时钟频率为１００／４００ｋｂｐｓ时，该端口兼容Ｉ２Ｃ总线。一般情况下，该端口由两个内部控制器驱 动：一个在程序加载时自动读取ＶＩＤ／ＰＩＤ／ＤＩＤ和配置信息；另一个是芯片中的８０５１，一旦开始运行，８０５１利用芯片中的Ｉ２ＣＴＬ和Ｉ２ＤＡＴ 寄存器控制挂接在Ｉ２Ｃ总线上的外围设备。具体来说，系统上电时，ＦＸ２会通过内部逻辑监测Ｉ２Ｃ端口，如果发现有地址为０ｘＣ０ 或者是０ｘＣ２的Ｅ２ＰＲＯＭ，便在Ｅ２ＰＲＯＭ内部存储空间０ｘＣ０使用ＶＩＤ／ＰＩＤ／ＤＩＤ值或者把Ｅ２ＰＲＯＭ的内容加载到内部ＲＡＭ中。

２．３ 电路原理及设计

设 计中可使用Ｉ２Ｃ总线实现ＵＳＢ控制器与图像传感器的连接，并选用Ｅ２ＰＲＯＭ（２４ＬＣ６５）作为代码存储器，然后通过ＦＸ２的Ｃ２方式加载固件程序。 系统上电复位后，处于主模式的ＵＳＢ控制器将通过ＰＡ１输出启动信号，并经反向后传到图像传感器的ＰＷＤＮ，以使处于从模式的图象传感器开始工作。 ＰＣＬＫ提供像素时钟，ＨＲＥＦ提供水平同步信号，ＶＳＹＮＣ提供垂直同步信号。这两个同步信号与图像数据的时序关系如图２所示。

ＶＳＹＮＣ会在一帧图像传输到控制器后触发ＩＮＴ０中断。因为数据量太大，本设计没有在ＩＮＴ０中断服务子程序中进行全部的数据处理，而是设置了一个标志位，并通过标志位的状态来在主程序中进行处理，这样就避免由于数据处理时间太长而使控制器无法响应其它中断。

ＵＳＢ控制器的ＦＩＦＯ处于从模式。控制器的端点设置为ＥＰ２—５１２ 四重缓存；ＥＰ６－５１２四重缓存，块传输模式。这样的设置可以满足系统要求。

３　接口程序设计

ＥＺ －ＵＳＢ ＦＸ２提供了丰富的中断资源，除内置８０５１中断资源外，ＦＸ２还为ＩＮＴ２和ＩＮＴ４提供了一个中断向量表，表中有２７个 ＩＮＴ２（ＵＳＢ）中断向量和１４个ＩＮＴ４中断向量。因此，在设计中，大部分工作都可通过中断服务子程序来完成。图３、图４分别是主程序流程和Ｉ２Ｃ ＩＮＴ中断服务子程序的流程图。

同ＥＺ－ＵＳＢ系列的其它控制器一样，Ｃｙｐｒｅｓｓ公司也为ＦＸ２提供了比较完备的开发套件ＣＹ３６８１。这个套件包括带１２８脚ＣＹ７Ｃ６８０１３的硬件开发板和相应的控制面板以及ＧＰＩＦ代码自动生成软件。因此可以非常方便地实现固件的开发。

ＵＳＢ 设备驱动程序的设计是基于ＷＤＭ（驱动程序模型）并采用分层模型来进行。应用程序通过调用Ｗｉｎｄｏｗｓ ＡＰＩ函数来进行的对ＷＩＮ３２子系统进行ＷＩＮ３２调用，并通过Ｉ／Ｏ管理器产生ＩＲＰ（Ｉ／Ｏ请求包），然后传递给ＵＳＢ驱动程序，接着再由驱动程序 执行相应的操作，并将结果返还给Ｉ／Ｏ管理器。用ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ可设置整个系统的回调例程，当添加一个新设备和ＩＲＰ需要发送到驱动程序时，通过 内核可调用这些例程。下面是ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ例程的简要内容：

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

……

实际上，ＵＳＢ客户驱动程序中包含大量的例程，也对Ｗｉｎｄｏｗｓ ＤＤＫ工具下开发ＵＳＢ客户驱动程序的方法和过程作了详细的介绍。

４ 小结

目前，笔者已经开发出样品，并且在一些应用程序上进行过测试，获得了很好的效果，其分辨率高达１２８０×１０２４。