USB接口的数字摄像系统设计

USB作为一种新的扩展接口，主要致力于计算机-电话一体化和应用类消费产品。它的数据传输率比标冲串/并口高。USB总线具有时分复用的特点，多个不同速度的USB外设可以通过集线器同时连接到同一台计算机的同一个USB口上，在USB总线带宽允许的情况下，多个外设可以同时工作而不相互影响。USB传输速率适用于中、低速外设。高速模式下，USB支持实时的视频、音频和压缩的视频数据传输。

在视频会议和可视电话等多媒体应用中，具有数字接口摄像系统（CAMERA）是其关键的部件。它完成视频图像的采集、处理，并通过数字接口把信号送进计算机显示，作进一步处理。



1 USB数字摄像系统原理

1.1 USB简介

通用串行总线（Universal Serial Bus）适用于USB外围设备连接到主机上，通过PCI总线与PC内部的系统总线连接，实现数据的传送。同时USB又是一种通信协议，支持主系统与其外设之间的数据传送。在USB的网络协议中，每个USB的系统只能有一个主机。

USB是一种层状的星形拓扑，其根部是主机控制器，USB器件与根据接口连接实现其功能。若多个器件同时行使其功能，就要通过集线器来扩展，但扩展层不能超过5层。USB器件支持热拔插，而且可以即插即用。USB一般支持两种传输速度，即低速1.5Mbit/s和全速12Mbits/s，在USB2.0版本中其速度提高到480Mbits/s。

USB有几种用于不同类型的数据传输方式。控制传输，主要用于设置、命令和状态信息；中断传输，与一般的中断概念不同，主要用于打印机、扫描仪等大量数据传输；同步传输，用于视频、声音等实时传输。

考虑到USB传输速率较高，如果利用只实现ENGINE功能的芯片，外加一个普通微控制器（如8051），其处理速度就会很慢而达不到USB传输要求。USB外设作为消费类产品的目之一在于降低产品成本，如果采用高速微处理器（如DSP），满足了USB的传输速率，但成本较高。经多方面比较选择了CYPRESS公司的内置微控制器芯片EZ-USB 2131Q，开发了具有USB接口的数字摄像系统。

1.2 系统的原理图

系统的原理图如图1所示。

整个系统以EZ-USB为核心，通过I2C总线控制电路对数字CAMERA芯片的工作状态进行控制，数字图像数据通过数据转换电路送入数据缓冲区，USB总线控制器从数据缓冲区中读取数据。与计算机的通讯则通过USB接口实现。



2 USB数字摄像系统硬件

2.1 EZ_USB 2131Q芯片介绍

EZ_USB 2131Q内部框图如图2所示。它是Cypress公司的内嵌微控制器的80pin的USB接口控制芯片，包含3个8位多功能端口、8位数据端口、16位地址端口、2个USB数据端口和其它输入输出端口。

EZ_USB 2131Q芯片采用了一种基于内部RAM的解决方案，允许客户随时不断地设置和升级，不受端口数、缓冲大小、传输速度及传输方式的限制。

片内嵌有一个增强型的8051微控制器，与标准的8051相比，其速度快3倍。它通过内部RAM编程和数据存储，这样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。

EZ_USB 2131Q有两种同步传输方式：即普通读写方式和快速读写方式。在普通读写方式下，芯片从外部读取或向外部写入数据的速率不会超过1000字节/毫秒，而且数据传输指令只能一一列出，共要写出1000行相同的指令。中间不能用循环来传输数据，而且也没有时间来加入其它指令。这种方式对于要求同步传输、每帧传输1023字节的设备是不可取的。在快速读写方式下，芯片可以在0.5毫秒内从外部读取或向外部写入1023字节的数据，并且还留有足够的时间可以加入其它指令。

如图2所示，USB收发器连接到USB总线的D+和D-管脚；串行接口引擎（SIE）编码和解码串行数据并且进行错误校验、位填充和执行USB所需的其他信号，最后完成数据从USB接口的传输。

EZ_USB-2131Q使用了一个增强型SIE/USB接口（USB核），它本身完成了许多的USB协议，这样就简化了8051代码。

2.2 EZ_USB系列USB总线仿真板

CYPRESS公司的EZ_USB开发板为USB设备的开发提供了一个良好的工具。开发板使用的是80管脚的AN2131Q芯片，而且包含5个用于扩展接口的引出端。板上所有的电路均为3.3V，开发板可以由USB连接器供电，也可以由外部供电。

EZ_USB开发板包括以下几个部分：

·2131 EZ_USB集成电路，它包括一个高性能的8051核；

·64扩展RAM（由两个32K RAM组成）；

·两个8051 UART口；

·DIP开关控制来选择RAM内存映射地址和EEPROM地址；

·两个I2C总线的8位I/O扩展芯片，一个用于驱动七段LED，另一个用于读8位开关状态；

·一个3.3V调节器，它可以把5V转换成3.3V；

·电源和中断/监控指示灯；

该仿真板基于EZ_USB系列USB总线控制器，它包含标准的MCS51外设模块和USB模块。USB模块集成了USB的收发器、串行总线接口机制、功能接口单元和收/发缓冲区。通过内存配置开关可灵活地改变RAM的地址空间，并方便地进行内存扩充。



利用该板上的I/O扩展连接口提供的控制线和数据线对CAMERA芯片进行控制，并完成图像数据的输入。图像数据则通过USB端口送入计算机，可以进行导步传输和等时传输。

监控程序驻留在板上的EPROM内，可与PC机进行通讯，控制程序通过外部UART送入仿真板，可以进行实时仿真。这个仿真板和控制器都完全满足《USB协议》。采用该仿真来完成产品的开发，并在此基础上完成产品。可提高产品的开发周期。