视频信号采集与图象传输技术的研究----基于USB的图像传输接口设计

随着通用串行总线（USB）的接口集成在PC主板上及Windows 98等操作系统全面支持USB技术标准，USB的应用正得到突飞猛进的发展。所设计的视频信号采集系统除可通过EPP和计算机通讯外，还可通过USB和计算机相连。

3.1 USB概述

USB（Universal Serial Bus）协议是一些PC大厂商，如Microsoft， Intel等为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准，自95年在Comdex上亮相以来至今已广泛地为各PC厂家所支持。现在生产的PC几乎都配备了USB接口，Microsoft的windows98、NT以及Mac OS，Linux， FreeBSD等流行操作系统都增加了对USB的支持。

USB电缆由电源线（Vbus）、地线（GND）和两根数据线（D+和D-）组成，如图4-1所示。

USB接口有两种两种形状的插口，分别称为A口和B口。其中A口的方向面向主机，而B口的方向面向USB外设，与A口和B口分别对应的有A插座和B插座。插口和插座的外形如图4-2所示。

数据在D+和D-间通过差分方式以全速或低速传输，时钟信息编码在差分码中。在每个数据包的头部有一个同步信号（SYNC），接收方用它和数据发送方保持时钟同步。

USB的主要优点有：

（1）速度快。USB有高速和低速两种方式，主模式为高速模式，速率为12Mbps，另外USB还提供低速方式，速率为1.5Mb/s.相比之下，串口数据传输率是115kbps－230kbps，标准并口的数据传输率为1Mbps，这些都要低于USB的传输速率，现在推出的USB2.0协议，在理论上其传输率可以达到480Mbps.

（2）设备安装和配置容易。USB设备支持即插即用，安装USB设备不必再打开机箱。加减已安装过的设备，完全不用关闭计算机。

（3）易于扩展。用USB连接的外围设备数目最多达127个。标准USB电缆长度为3米（5米，低速）。通过Hub或中继器可以使外设距离达到30米。

（4）能够采用总线供电。USB工作在5V电压下，总线提供最大达500mA电流。

对于功耗较小的设备来说这是非常有效的。

（5）使用灵活。USB共有4种传输模式：控制传输（control）、同步传输（Synchronization）、中断传输（interrupt）、块传输（bulk），以适应不同设备的需要。

（6）健壮性强。USB协议规定了对各种可能遇到的错误的处理和恢复机制，保证数据传输的正确性。

（7）实现成本低。USB对系统与PC的集成进行了优化，适合于开发低成本的外设^[42]。

由于这些优点，USB的应用范围很广。论文设计的USB通信接口主要针对的应用是传输视频数据，进行12Mbps全速传输。在保证传输可靠性的条件下，理论上USB全速传输的有效数据速率为8Mbps.

3.2 USB系统描述

一个USB系统可分为USB设备、主机（Host）和主机与设备的连接（Interconnect）三个部分。

连接部分规定了USB设备与主机的连接和通信方式。它包括总线拓扑结构、通信各层的任务和相互关系、数据流模型以及主机与多路USB设备通信时的带宽分配等内容。USB物理互连方式如图4-3所示，是一种星形级连结构。这种集线器级连的方式使得外设的扩展很容易。而在逻辑上，各个设备好象是与主机直接相连的，如图4-4所示。它们之间的通信不用理会物理连接方式。

USB主机是一个USB系统的核心。在一个USB系统中只有一台主机。主机的USB接口称为USB控制器，通过它主机和外围USB设备进行通信。在主机中还集成了一个根集线器（Root Hub）用于直接与外设相连或与一般USB hub级连。

图4-5展示了USB通信模型之间基本的信息流与互连关系。由图可见，主机与

设备都被划分成不同的层次。在主机与设备之间的所有通信最终都是通过USB的电缆进行，然而，在上层的水平层之间存在逻辑的主机-设备信息流。主机上的客户软件和设备功能部件之间的通信是基于实际的应用需求及设备所能提供的能力。客户软件与功能部件之间的透明通信的要求，决定主机和设备下层部件的功能以及它们的界面（interface）。

USB系统（USB System）使用主机控制器来管理主机与USB设备的数据传输。USB系统有三个主要的组成部分：主机控制器驱动（Host Controller Driver），USB驱动（USB Driver），主机软件（Host software）。图4-6描述了主机的通信。主机可提供如下的功能：检测USB设备的插入和拔出；管理主机与设备之间的数据流，对设备进行必要的控制；收集各种状态信息；对插入的设备供电。

主机上还有USB系统软件（USB System Software）和客户软件（Client Software）。客户软件和与其对应的USB设备进行通信，实现各个USB设备特殊的功能应用。系统软件对USB设备和客户软件之间的通信进行管理，并完成USB系统中一些共同的工作，例如：USB设备的枚举和配置，参与各种类型的数据传输、电源管理以及报告设备和总线的一些状态信息并进行处理等。

USB设备包括USB hub和功能设备（Function）两大类。它们都必须有标准的USB接口，支持标准的USB操作（比如配置，复位等）。它们的描述信息也应该具有USB协议定义的标准格式^[43]。